Исследование углеродных наноструктур комбинированным методом атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния

Последние два десятилетия тенденция к миниатюризации и увеличению быстродействия интегральных электронных микросхем привела к бурному развитию области науки и технологии, носящей теперь название «Нанотехнологии». Данная область достаточно обширна и охватывает ряд разделов современной физики таких как физика полупроводниковых структур, диэлектриков, физика твердого тела, химическая физика и другие. В общем развитии этой области можно выделить два основных русла. В рамках первого разрабатываются новые способы создания электронных микросхем и одновременно устраняются проблемы, связанные с передачей сигнала по миниатюрным (несколько десятков нанометров) каналам. Сложная и многоступенчатая технология изготовления подобных структур требует адекватной аттестации структур на каждой стадии изготовления. В связи с этим, развитие технологий в рамках данного русла привели к расцвету различных видов «неоптических» микроскопических методов исследования: сканирующей зондовой (туннельной, атомно-силовой) микроскопии, электронной микроскопии.

В рамках второго русла исследователи предлагают отказаться от электрона как от средства передачи информации и перейти к оптическим схемам [1]. Скорость света в веществе на порядки больше эффективной скорости распространения носителей, поэтому оптические схемы позволили бы на несколько порядков увеличить быстродействие интегральных схем. К примеру, в начале 90-х годов XX века был предложен ряд оптических наноструктур, которые могли бы служить элементарной ячейкой хранения информации [2]. Методики роста таких наноструктур (например, молекулярно-лучевая эпитаксия) могут лишь приближенно контролировать качество выращенной структуры, помимо этого, требуется независимая аттестация оптических свойств наноструктур. Для решения этой задачи зачастую прибегают к методам спектроскопии неупругого рассеяния и спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) в частности.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ), несмотря на относительно недавнее возникновение [3], претерпевала достаточно интенсивное развитие и на сегодняшний день активно применяется для исследования ряда различных свойств объектов нанометрового масштаба [4-8]. В рамках атомно-силовой микроскопии разработан целый спектр методик исследования рельефа поверхности в совокупности с различными локальными свойствами объектов исследования, такими, как, например, жесткость, фазовая структура, коэффициент трения, проводимость, поверхностный потенциал и многое другое. Таким образом, атомно-силовая микроскопия на сегоднящний день является мощным инструментом исследования ряда локальных физических свойств образцов.

Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР, КРС), возникшая более 80 лет назад [9-12] и претерпевшая с тех пор существенные изменения, сейчас является, наряду с ИК-спектроскопией, одним из основных инструментов оптического анализа молекулярной структуры объектов исследования. Основываясь на понятиях характеристических частот определенных химических связей, то есть, будучи фактически универсальным методом химической аттестации образца, КР-спектроскопия сама по себе не может быть применена при исследовании наноструктур, поскольку в классическом исполнении не удовлетворяет условиям локальности сбора сигнала комбинационного рассеяния. Данное ограничение может быть устранено сочетанием КР-спектрометра и оптического конфокального микроскопа [13], выполняющего оптическую фильтрацию КР-сигнала из области образца с латеральным размером, эквивалентным дифракционному пределу для используемых оптических элементов (обычно 200-500 нм). Методика получения карт комбинационного рассеяния образца, основанная на конфокальной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния в дальнейшем будет именоваться КР-микроскопией.
Ключевые слова: СЗМ, РАМАН, SPM , RAMAN, AFM, АСМ, графен, КР спектроскопия, атомно-силовая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия