Режимы работы атомно-силового микроскопа

В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы АСМ: контактный режим (contact mode); бесконтактный режим (non-contact mode); полуконтактный режим (tapping mode).

При контактном режиме АСМ является аналогом профилометра. Расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания, а взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. В этом случае используется консоли с малым коэффициентом жесткости, чтобы избежать чрезмерного влияния зонда на образец. Топографические изображения в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов: режим постоянной высоты и режим постоянной силы. Врежиме постоянной силы система обратной связи поддерживает постоянной величину силу взаимодействия иглы с поверхностью образца. При исследовании образцов с перепадами высот порядка единиц ангстрем, можно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца – режим постоянной высоты. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли Z, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности, записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства метода: наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость; высокая скорость сканирования; наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа.

Недостатки метода: При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности. Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты).Механическое взаимодействие зонда с поверхностью часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов.

При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. Система обратной связи, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний. По изменению амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение поверхности.

Достоинства метода: отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность.

Недостатки метода: крайне чувствителен ко всем внешним шумам, наименьшее латеральное разрешение и скорость сканирования. Функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды. Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят". В связи с множеством сложностей и недостатков метода, его приложения в АСМ крайне ограничены.

Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла консоли в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца. При этом возбуждаются вынужденные колебания консоли вблизи его резонансной частоты с амплитудой 10 – 100 нм, происходит сканирование и регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний. К взаимодействию консоли с поверхностью, состоящему из ван-дер-ваальсового взаимодействия, в момент касания добавляется упругая сила, действующая на консоль со стороны материала поверхности. В память компьютера одновременно записывается АСМ изображение рельефа поверхности и так как в каждой точке регистрируется изменение фазы колебаний консоли, то записывается распределение фазового контраста. В таком режиме можно исследовать твердые, органические, полимерные материалы, ПАВы.

Достоинства метода: Наиболее универсальный из методов АСМ, позволяющий на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1 – 5 нм; латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности, устранены - упрощает интерпретацию получаемых изображений.

Недостатки метода: максимальная скорость сканирования меньше, чем в контактном режиме.