Сканирующая зондовая микроскопия.

Все устройства сканирующей зондовой микроскопии (атомно-силовая, туннельная, магнито-силовая и т.д.) позволяют получать трёхмерное изображение поверхности с нанометровым пространственным разрешением.

Принцип работы этих устройств очень прост. Он напоминает метод действия профилометра. В нём на поверхности образца перемещается игла, а её поперечное движение принимается соответствующим устройством. Вместо иглы в атомно-силовом микроскопе используется консоль (игла на балке), движением которой управляют пьезоэлектрические преобразователи. Действие сканирующего силового микроскопа состоит в отображении характеристик поверхности через анализ её взаимодействия с микроконсолью. Арсенал используемых микроконсолей постоянно расширяется, и каждая консоль определяет тип соответствующего микроскопа. Например, магнитный силовой микроскоп, электростатический силовой микроскоп, тепловой микроскоп, ёмкостный микроскоп.

Различные режимы сканирования силового микроскопа можно классифицировать в зависимости от природы регистрируемых сил и от расстояния от кончика иглы до поверхности образца, как показано на рис. 42. Имеется три возможных режима работы этих устройств: контактный, прерывисто-контактный и бесконтактный. Измерение трения, адгезии и тепловых характеристик требует контакта с образцом, и поэтому в таком случае прибегают к контактному режиму. Однако контактного режима по возможности следует избегать вследствие риска повреждения кончика консоли или поверхности образца.

Рис. 43 иллюстрирует метод работы силового микроскопа. Типичное расстояние от кончика консоли до поверхности составляет 50-200 нм. Поэтому важную роль играют системы предотвращения колебаний и точной настройки положения кончика иглы. Пьезоэлектрические элементы осуществляют сканирование в плоскости XY путём перемещения иглы или образца. Важное значение имеют также датчики вертикального положения кончика консоли, а при бесконтактном режиме работы и система обратной связи, удерживающая консоль на фиксированном расстоянии от поверхности. Система сканирования в плоскости XY и система обратной связи являются основой построения трёхмерного изображения поверхности.

При контактном режиме работы силового микроскопа контролируется сила отталкивания между образцом и кончиком иглы консоли. Для жёстких материалов сила отталкивания определяется топографией образца. Бесконтактный и прерывисто-контактный режимы работы позволяют предотвратить механическое взаимодействие иглы и образца. Следовательно, имеется возможность построения трёхмерного изображения топографии поверхности почти любого материала. Благодаря специальным силовым методам можно изучать даже жидкие фазы и мелкие капли на поверхности образца.

Во всех промышленно производимых силовых микроскопах для перемещения кончика консоли используют пьезоэлектрические элементы. Пьезоэлектрики удлиняются (или сокращаются) при приложении электрического поля. Хотя они обеспечивают точное перемещение образца (величина перемещения имеет порядок нанометр/вольт), их характеристики являются нелинейными. В частности, они ползут, имеют гистерезис и остаточную деформацию. Некоторые нелинейные эффекты можно скорректировать, а другие – нет. Поэтому точный контроль движения кончика консоли требует активной системы датчиков координат и системы управления с обратной связью. Пространственные измерения при помощи силового микроскопа требуют точного сканирования. Любая ошибка сканирования приводит к погрешности измерения, и поэтому система интерактивной коррекции сканирования имеет жизненно важное значение.

В сканирующей тепловой микроскопии используется нагретая консоль и измеряется электрический ток, требуемый для поддержания постоянной температуры консоли при сканировании поверхности образца. Вариация теплопроводности вызывает изменение тока нагрева. Данный метод позволяет определять материал образца по его тепловым характеристикам.

Если острую металлическую иглу консоли поместить достаточно близко к проводящему электрический ток образцу и создать между ними небольшую разность потенциалов (величиной примерно 10 милливольт), из металла иглы начинают туннелировать электроны. Ток электронов определяется туннельным эффектом, и его интенсивность пропорциональна вероятности туннелирования. При сканировании образца неровность поверхности приводит к изменению расстояния между иглой и поверхностью. Ввиду экспоненциальной зависимости туннельного тока от расстояния зонд–образец можно измерить разницу расстояния порядка 0,01 нм. Как следствие, с помощью этого метода можно построить топографическую карту поверхности образца.

При проведении измерений с помощью сканирующих зондовых микроскопов возникают технические трудности, которые были преодолены Биннигом. Поскольку типичное расстояние между концом иглы консоли и поверхностью образца может составлять несколько нанометров, а амплитуда колебаний стола, на котором расположен микроскоп, может превышать микроны, колебания аппарата должны быть сведены к минимуму. Поэтому конструкция микроскопа должна предотвращать внешнее механическое воздействие на консоль и образец. Второй проблемой является острота иглы, необходимая для достижения высокого пространственного разрешения. Иглу получают электрохимической полировкой металлической проволоки. Несмотря на это, на атомном уровне она остаётся шероховатой, и электроны туннелируют в одной из областей на конце иглы, где её толщина составляет лишь несколько атомов. Третья проблема заключается в контроле положения иглы. Она была решена путём разработки пьезокерамических датчиков координат. При подаче электрического напряжения пьезоэлектрик расширяется или сокращается, перемещая иглу консоли.