Modifikace povrchů

SPM zařízení nemusí pracovat jen jako mikroskopy. Interakce mezi hrotem a vzorkem může být natolik silná, že ji lze využít k modifikaci povrchu na škále určené velikostí hrotu, je-li hrot velmi blízko. V počátku byly modifikace pozorovány jako nežádoucí interakce při běžných měřeních. První využil tyto jevy ke kreslení struktur Ringger v roce 1985, který vytvářel čáry z polymerizovaných uhlovodíků na sklovitém Pd₈₁Si₁₉ (uhlovodíky pocházely patrně z oleje vývěvy). Mezi využitelné interakce patří odpudivé a přitažlivé atomární síly, elektrické pole a proud či magnetické síly. Důvodem k aplikaci SPM jako přetvářecího nástroje je snaha dosáhnout co nejmenších šířek čar při výrobě polovodičových integrovaných obvodů, zasahování (sestavování) do biomolekul, studium kvantových efektů, zvýšení hustoty paměťových záznamů apod. Oproti ostatním metodám je zde výhoda možnosti zobrazovat simultánně povrch týmž nástrojem, který jej přetváří. Oproti klasickým elektronovým nástrojům je zde také výhoda použití nižšího napětí při stejné intenzitě elektrického pole (hrot je blíže k povrchu a E=U/d), což znamená i nižší energii elektronů a menší vliv rozptylu a vzniku sekundárních elektronů. Nevýhodou je možnost pouze jedné kopie, zpracování nelze dělat ve velkých sériích a většinou nutnost speciálních prostředí (vysoké vakuum, nízké teploty – 4 K), aby změna (v atomárním měřítku) zůstala stabilní.

Modifikace povrchu mohou být různého typu. Dělí se podle charakteru působení (mechanické, tepelné, elektronové), podle způsobu interakce (přímé nebo nepřímé, které využívají zprostředkující vrstvu jako resist) či podle velikosti (manipulace s atomy, vytváření nanostruktur).

Mezi jednoduché přímé interakce lze zařadit vytváření děr a rýh, které se provádí zabořením hrotu do povrchu materiálu a jeho případným tažením, popř. se používá kmitající nosník, který za sebou zanechává stopu. Lze vytvářet také kopečky pomocí STM hrotu, na kterém se během předchozího skenování uchytily nečistoty, které po přiložení napětí přejdou na povrch vzorku.

Nepřímé interakce jsou přesnou analogií běžných litografických technik s elektronovým svazkem, jen elektrony (z STM hrotu) mají mnohem menší energii a tím i boční rozptyl (nižší energie není závadou, protože resisty jsou citlivé právě na nižší energie). Dalším způsobem modifikace může být leptání a depozice, při nichž elektrony z hrotu dodávají energii k chemickým reakcím (např. při leptání se hrot pohybuje ve vrstvě leptadla, ale leptání může probíhat jen v místech, kde hrotem prochází proud).

STM umožňuje přímou manipulaci s jednotlivými atomy na povrchu vzorku (většinou adsorbáty). Cyklus přenosu probíhá takto: zobrazí se celá oblast, aby byly známy polohy atomů, poté hrot přejede nad zvolený atom a sníží se jeho výška nad povrchem, tím dojde ke zvýšení interakce mezi hrotem a atomem a k jeho přeskoku na hrot. Poté dojde k přemístění atomu na hrotu a ke snížení interakce — atom zůstane na novém místě. Zpravidla se při přenosu využívá směrové závislosti vazebné energie atomu k povrchu, která má nižší hodnotu podél povrchu. Atom se tudíž od povrchu neodtrhuje, ale pouze se po něm táhne. Při těchto modifikacích je ovšem zapotřebí mít čistý povrch, což lze dosáhnout jen v podmínkách ultravakua. Rovněž je třeba nízkých teplot, aby se snížily tepelné kmity atomů a difúze.

Techniky SPM lze využít i k záznamu dat s velmi vysokou hustotou záznamu. Lze provádět nábojový nebo magnetický záznam. Při nábojovém je záznam vyvolán přiložením napětí na hrot ve zvoleném místě nad svrchní vrstvou Si₃N₄, tím začnou tunelovat elektrony ze substrátu Si přes izolační vrstvu oxidu SiO₂ a zůstanou zachyceny v nitridu. Záznam může vydržet i několik let a lze jej vymazat přiložením opačné polarity. Magnetický zápis se provádí s magnetickým hrotem a dochází při něm k vytváření či orientaci mag. domén. Příkladem nábojového záznamu může být grafický záznam tištěného textu, v němž písmenka měla velikost přibližně 2 μm.

Jinou, intenzivně studovanou, možností je termomechanický záznam dat. Jejím základem je AFM nosník (nejčastěji z Si), který má na koncích odporová tělíska, která jej vyhřívají. Záznamovým médiem je velmi tenká (40 nm) vrstva polymeru, např. PMMA, do které jsou zahřátým hrotem vytvořeny důlky, představující jednotlivé bity. Uložená informace se pak čte nosníkem (zahřátým na nižší teplotu) pracujícím v režimu AFM — sleduje topografii povrchu, v dolíku dojde k přiblížení nosníku k podložce a snížení tepelné impedance, což se projeví snížením teploty (funkce jsou tedy rozděleny: hrot zapisuje, nosník čte). Pro zvýšení rychlosti se používá celé pole nosníků, které pracují paralelně.

Jinou metodou „zápisu“ dat může být použití principu běžného pera. Vezmeme-li AFM hrot, který namočíme do roztoku HAuCl₄ a necháme jej vysušit, můžeme s ním psát na povrch křemíku zbaveného oxidové vrstvy. Podobně jako v jiných litografiích se skenující sondou, i zde hrot vymezuje místa depozice. Kapka, která spontánně kondenzuje mezi hrotem a vzorkem, vytváří prostorově omezenou nádobku, v níž mohou probíhat chemické reakce – kovové ionty jsou rozpouštěny, redukovány na atomy a usedají na povrch křemíku. Pomocí této techniky lze vytvářet struktury s šířkou kolem 100 nm.