2.4. Методи дослідження.

2.4.1. Скануюча зондова мікроскопія.

Дана група методів є тією, що найбільш широко використовується в області наноматеріалів і нанотехнологій. Основна ідея всіх методів даної групи полягає у використовуванні зонду – пристрою читання інформації з поверхні досліджуваного матеріалу. В більшості випадків як робоче тіло зонда використовується алмазна голка з радіусом при вершині порядку 10 нм. За допомогою високоточного скануючого механізму зонд переміщають над поверхнею зразка по трьох координатах. Як правило є два діапазони переміщення зонда: грубе переміщення з відносно низькою точністю і високою швидкістю і точне переміщення з достатньо низькою швидкістю і високою точністю позиціонування до 0,1-1 нм. Велика точність позиціонування забезпечується як правило по висоті. Сигнал від зонда обробляється за допомогою комп'ютера і перетвориться в тривимірне зображення. Для обробки сигналів, їх фільтрації і коректування, що знімаються, використовуються спеціальні пакети програм. Дослідження можуть проводитися без істотного пошкодження об'єкту і з достатньо простою підготовкою його поверхні (наприклад тільки поліровка окремої ділянки).

Скануюча тунельна мікроскопія

В цьому методі як зонд використовується електропровідне вістря. Між зондом і зразком створюється електрична напруга порядку 01-10 В. У зазорі виникає тунельний струм величиною близько 1-10 нА, який залежить від властивостей і конфігурації атомів на досліджуваній поверхні матеріалу. Цей струм реєструється приладами. Тунельним цей метод називається у зв'язку з тим, що струм виникає унаслідок тунельного ефекту, а саме квантового переходу електрона через область, заборонену класичною механікою. Цією областю і є зазор величиною 0,2-1нм між кінчиком голки і найближчою точкою поверхні досліджуваного матеріалу. Енергія тунельних електронів складає порядку 1 еВ [4]. ака скануюча тунельна спектроскопія заснована на аналізі вольтамперных характеристик в різних точках поверхні або отриманні зображень поверхні при різних напругах. В першому випадку можна за величиною другої похідної тунельного струму визначати тип атома, над яким зупинилася голка, а в другому випадку – визначати параметри зонної структури для напівпровідників і надпровідників[4].

Обмеженнями методу скануючої тунельної мікроскопії є обов'язковість електропровідності матеріалу досліджуваного зразка і необхідність високого або надвисокого вакууму і низьких температур (до 50-100 К) для отримання високої роздільної здатності.

Атомно-силова мікроскопія (AFM)

У цьому методі реєструють зміну сили взаємодії кінчика зонда (голки) з досліджуваною поверхнею. Голка розташовується на кінці консольної балочки з відомою жорсткістю, здатною згинатися під дією невеликих сил, що виникають між поверхнею зразка і вершиною вістря. Ці сили можуть бути Ван-дер-Ваальсовими (молекулярними), електростатичними або магнітними. Деформація балочки вимірюється за відхиленням лазерного променя, падаючого на його поверхню, або за допомогою п’езорезистивного ефекту, що виникає в матеріалі балочки при вигині [4].

Є два варіанти методу атомно-силової мікроскопії: контактний і квазіконтактний. При першому кінчик голки (алмазної, фулеритової або кремнієвої із зміцнюючим покриттям) в робочому режимі безперервно знаходиться у контакті з досліджуваною поверхнею. При простоті реалізації цієї моди є і недолік – можливість пошкодження досліджуваного матеріалу або голки. При квазіконтактному або неконтактному режимі голка знаходиться на деякій відстані від поверхні зразка (1-50 нм) і взаємодіє з нею за допомогою сил Ван-дер-Ваальса [4].

Магнітосилова зондова мікроскопія

Даний метод фактично є різновидом попереднього. Відмінність полягає в тому, що кінчик голки виконується з магнітного матеріалу або голка має феромагнітне покриття. При цьому балочка стає чутливою до магнітної структури зразка.