1.2 Принцип роботи асм

Принцип роботи атомно-силового мікроскопа заснований на реєстрації силового взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка і зондом. Як зонда використовується нанорозмірне вістря, розташоване на кінці пружною консолі, званої кантилевером. Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до вигину консолі. Поява пагорбів або западин під вістрям призводить до зміни сили, що діє на зонд, а значить, і зміни величини вигину кантілевера. Таким чином, реєструючи величину вигину, можна зробити висновок про рельєф поверхні (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема роботи атомно силового мікроскопа

Під силами, що діють між зондом і зразком, в першу чергу мають на увазі дальнодействующие сили Ван дер--Ваальса, які спочатку є силами тяжіння, а при подальшому зближення переходять у сили відштовхування.

Залежно від характеру дії сили між кантилевером і поверхнею зразка виділяють три режими роботи атомно-силового мікроскопа:

- контактний (англ. contact mode);

- напівконтактний (англ. semi-contact mode або tapping mode);

- безконтактний (англ. non-contact mode);

Тут необхідно пояснити, що саме береться за нуль відстані щоб уникнути плутанини. На наведеному малюнку нуль відповідає нульовому відстані між ядрами атома на поверхні і найбільш виступаючого атома кантілевера. Тому нуль сили знаходиться на певній відстані, відповідному кордоні електронних оболонок цих атомів (при перекритті оболонок виникає відштовхування). Якщо взяти за нуль кордону атомів, то сила звернеться в нуль в нулі відстані.

1.3 Контактний режим роботи

При роботі в контактному режимі атомно-силовий мікроскоп є аналогом профілометра. Вістрі кантілевера знаходиться в безпосередньому контакті між зразком і поверхнею.

Сканування здійснюється, як правило, в режимі постійної сили, коли система зворотного зв'язку підтримує постійну величину вигину кантілевера. При дослідженні зразків перепадами висот порядку одиниць ангстрем можливо застосовувати режим сканування при постійному середньому відстані між зондом і поверхнею зразка. У цьому випадку кантілевер рухається на деякій середній висоті над зразком. Вигин консолі ΔZ,пропорційний силі, діючої на зонд з боку поверхні записується для кожної точки. Зображення в такому режимі являє собою просторовий розподіл сили взаємодії зонда з поверхнею. На рисунку 2 показаний графік залежності сили Ван-Дер-Ваальса від відстані кантілівера і поверхні зразка.

Рисунок 2 Графік залежності сили Ван-Дер-Ваальса від відстані кантілівера і поверхні зразка

Переваги методу:

- Найбільша, у порівнянні з іншими методами, завадостійкість

- Найбільша досяжна швидкість сканування

- Є єдиним методом АСМ, що дозволяє досягти атомарного дозволу

- Забезпечує найкращу якість сканування поверхонь з різкими перепадами рельєфу

Недоліки методу:

- Наявність артефактів, пов'язаних з наявністю латеральних сил, які впливають на зонд з боку поверхні

- При скануванні у відкритій атмосфері (на повітрі) на зонд діють капілярні сили, вносячи похибка в визначення висоти поверхні

- Практично непридатний для вивчення об'єктів з малою механічної жорсткістю (органічні матеріали, біологічні об'єкти)