Атомно-силовая микроскопия

В основе работы атомно-силового микроскопа (АСМ) лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рис. 51. Сканирующий зондовый микроскоп NTEGRA vita (фирмы NT-MDT).

Работа АСМ основана на силе Ван-дер-Ваальса – энергии взаимодействие двух атомов, находящихся на расстояниидруг от друга. Выражением этой силы является потенциал Леннарда-Джонса: складывающейся из дальнодействующего притяжения и отталкивания атомов на малых расстояниях. Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца. Зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Для получения изображений рельефа поверхности в АСМ используется оптическая система, состоящая из лазера и полупроводниковых фотодиодов. Излучение лазера фокусируется на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадает в центр фоточувствительной области фотоприемника - четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 52. Оптическая система АСМ.

Основные регистрируемые оптической системой параметры – это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. При сканировании образца в режиме ∆Z (величина, характеризующая изгиб зонда) = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z =f(x,y).

ВСЗМобразец может перемещаться относительно иглы по трем пространственным координатам: X, Y- в плоскости образца, Z- по вертикали (перпендикулярно плоскости X-Y).

Рис. 53. Процесс сканирования в АСМ.

При работе прибора образец движется в плоскости X-Y построчно, таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом ∆. Этот процесс называется сканированием.

В процессе сканирования величина локального взаимодействия поддерживается постоянно с помощью системы автоматического слежения, которая, регистрируя сигнал взаимодействия (силу или ток), поддерживает его среднее значение на постоянном уровне. Это осуществляется за счет перемещения образца по вертикали (ось Z) таким образом, чтобы величина взаимодействия оставалась постоянной в процессе сканирования.

В процессе сканирования зонд может находиться над участками поверхности, имеющими различные физические свойства, в результате чего величина и характер взаимодействия зонд- образец будут изменяться. Кроме того, если на поверхности образца есть неровности, то при сканировании будет изменяться и расстояние ∆Z между зондом и поверхностью, соответственно будет изменяться и величина локального взаимодействия.

Рис. 54. Характер взаимодействий зонд (кантилевер) – образец.

Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов. Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль -кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце. Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния.

Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании -держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы.

При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.

Для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью (структуры на основе ряда органических материалов и многие биологические объекты) применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методики позволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования.

Рис.55. Общий вид кантилевера (зонд).