Сканирующий атомно-силовой микроскоп

- сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем до атомарного.

С помощью атомно-силового микроскопа регистрируется изменение силы притяжение иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце кантилевера, которая имеет известную жёсткость и возможность изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, и возникает между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформация кантилевера регистрируется по отклонению лазерного луча, падающая на его тыльную область или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего при изгибе в кантилевере.

Рисунок 2. Схема работы атомно-силового микроскопа.

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1982 году как модификация сканирующего туннельного микроскопа. Изначально микроскоп представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрема. Оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор. Такой метод реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов

Улучшение латерального разрешения привело к развитию динамических методов. Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой и фазой. При приближении к поверхности на кантилевера начинают действовать силы, изменяющие его частотные свойства. В результате отслеживая частоту и фазу колебаний кантилевера можно сделать вывод об изменении силы, действующей со стороны поверхности и, следственно, о рельефе.

Рисунок 3. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между остриём и образцом.

На рисунке 3 правая часть кривой характеризует ситуацию, когда атомы острия и поверхность разделены большим расстоянием. По мере сближения они сначала слабо, а потом всё сильнее будут притягиваться друг к другу. Сила притяжения будет действовать до тех пор, пока электронные облака атомов не начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на длине химической связи (порядка 2-х ангстрем). Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.

В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют 3 вида режима работы:

- контактный

- полуконтактный

- бесконтактный

При контактном режиме ( режим отталкивания) остриё сканирующей иглы приходит в мягкий “физический контакт” с образцом. Сканирование осуществляется в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянную величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем, возможно, применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли, пропорциональный силе, действует на зонд со стороны поверхности и записывается для каждой точки.

Наклон кривой на графике меж атомных сил очень крутой. Вследствие чего отталкивающая сила уравновешивает практически любую силу, которая пытается сблизить атомы друг к другу. Это означает, что когда измерительная консоль прижимает остриё иглы к поверхности, то быстрее изогнётся консоль, чем приблизится остриё к атомам образца. Сила прикладываемая к образцу со стороны острия сканирующей иглы варьирует от 10^–7 Н до 10^–6 Н. Изображение представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства

1. наибольшая помехоустойчивость

2. наибольшая скорость сканирования

3. лучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа.

Недостатки

1. Наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности

2. При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности

3. Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

Бесконтактный режим ( режим притяжения) – отслеживает притягивающие силы Ван-дер-Ваальса между остриём иглы и образцом, зазор которого составляет 5-10нм. На этих расстояниях электронные орбитали атомов острия иглы синхронизируются с электронными орбиталями атомов образца. В результате возникает слабое притяжение, так как атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении. В свободном пространстве они будут сближаться, пока сильное электростатическое отталкивание не станет преобладающим. Суммарная сила между остриём и образцом ~10^–12 Н.

При работе пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте ( в основном резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотный и фазово-частотный характеристик зонда. В результате амплитуда и фаза изменяют значение. Система обратной связи поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы записывается.

Достоинством является отсутствие воздействия зонда на исследуемую поверхность.