Контактная АСМ.

Чегадаев Егор Евгеньевич гр.6466

Атомно-силовая микроскопия

Принцип действия АСМ основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею остриё. При приближении зонда к образцу он сначала притягивается к поверхности благодаря наличию наиболее дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса.

Силы Вандер-Ваальса обусловлены тем, что нейтральный изотропный атом может поляризоваться под влиянием электрического поля. Причем даже два нейтральных атома индуцируют друг в друге малые дипольные электрические моменты, когда они находятся достаточно близко друг от друга, т.е. так, что движение электронов в электронных оболочках соседних атомах не претерпевает радикального изменения, а только испытывает слабое возмущение. Если на поверхности образца имеется адсорбированный слой, то при соприкосновении зонда с его поверхностью возникает притяжение за счет капиллярных сил. Притягивающие силы могут быть обусловлены так же электростатическим взаимодействием. При дальнейшем уменьшении расстояния возникают силы отталкивания. Когда расстояние между зондом и образцом станет меньше среднего межатомного расстояния, то начнется перекрытие электронных оболочек ближайших атомов, в результате чего электроны первого атома будут стремиться частично занять состояния второго. В результате действия принципа запрета Паули они вынуждены занимать состояния с более высокой энергией. Увеличение энергии системы двух взаимодействующих атомов приводит к появлению отталкивающей силы. При еще большем сближении атомов доминирующей становится кулоновская сила отталкивания ядер.

В зависимости от характера взаимодействия между зондом и образцом, различают:

· контактный,

· бесконтактный

· полуконтактный

способы проведения силовой микроскопии. Использование контактного способа предполагает, что зонд упирается в образец и находится в области действия сил отталкивания. В полуконтактном и бесконтактном режимах зонд колеблется на резонансной частоте. При работе бесконтактным способом используется эффект сдвига резонансной частоты кантилевера под действием сил притяжения. В полуконтактном режиме используется эффект уменьшения амплитуды колебаний зонда под действием сил отталкивания. Перечисленные способы измерений обладают определенными достоинствами и недостаткам. Контактный способ измерений наиболее удобен с точки зрения детектирования силового взаимодействия, т.к. величины сил отталкивания в области контакта могут значительно превышать величины сил притяжения. Однако при его использовании существует опасность возникновения нарушений структуры поверхности образца и быстрого износа или даже поломки зонда. При бесконтактном способе измерений разрушение образца отсутствует, однако малы измеряемые сигналы.

Поэтому наиболее часто для визуализации различных свойств поверхности в силовой микроскопии используется полуконтактный метод детектирования взаимодействия. При этом вследствие кратковременности контакта воздействие зонда на поверхность минимально, а измеряемые сигналы достаточны для их надежного детектирования. Дополнительным преимуществом полуконтактного метода является отсутствие сдвиговой составляющей силы воздействия на исследуемую поверхность, что существенно уменьшает искажения получаемых изображений. Традиционным датчиком силового взаимодействия является упругая микробалка, консоль или кантилевер. Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин.

Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Контактная АСМ.

В контактном режиме взаимодействие зонда и образца осуществляется в области действия сил отталкивания. Обычно для работы методами контактной АСМ используются тонкопленочные V-образные кантилеверы из Si3N4 с пирамидальными зондами. Кантилеверы имеют упругую константу.

Величина изгиба регистрируется, как правило, с помощью оптической системы , состоящей из полупроводникового лазера и четырехсекционного фотодиода. Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы отраженный от кончика кантилевера лазерный луч попадал в центр фотодетектора. При изгибе кантилевера под действием контактных сил, отраженный от него лазерный луч смещается относительно центра фотодиода. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодиода. На таком оптическом датчике взаимодействия основано действие большинства современных зондовых микроскопов.

12 Следующая ⇒