1.4 Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль (кантилевер) с острым зондом на конце (Рис. 3). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью [6].

Рисунок 3. Схематическое изображение зондового датчика АСМ [6].

Оптическая система регистрации малых изгибов кантилевера (Рис. 4) состоит из полупроводникового лазера, луч которого фокусируется на зеркальной поверхности кантилевера, и разделенного на секции фотоприемника, дифференциальный ток которого усиливается и используется для определения деформации кантилевера [6].

Рис. 1. Схема оптической регистрации изгиба консоли [5].

В режиме получения топографического изображения исследуемой поверхности зондовый датчик сканирует заданный участок, перемещаясь при помощи прецизионных пьезо-приводов. Кроме получения топографического снимка поверхности, АСМ используется и для силовых измерений. Для того чтобы методом атомно-силовой микроскопии измерить силу взаимодействия между зондом и образцом нужно закрепить образец на жесткой подложке, после чего зонд плавно подводится к поверхности, используя только вертикальный привод. Сразу после касания зонд поднимается обратно до отрыва, при этом фиксируется изгиб кантилевера, значение которого (при известном законе, связывающем силу с отклонением балки) позволяет определить силу взаимодействия между зондом и исследуемой поверхностью (Рис. 5) [5].

Рисунок 5. Схема силового измерения [7].

Глава 2. Оборудование и материалы

2.1. Атомно-силовой микроскоп Solver p47 Bio

Атомно-силовой микроскоп Solver P47 Bio (NT-MDT, Россия) смонтирован на инвертированном световом микроскопе.

Основными функциональными устройствами, входящими в состав прибора, являются:

- измерительный блок:

− блок подвода и сканирования;

− измерительная головка;

− сканер;

- инвертированный световой микроскоп;

- виброизолирующий подвес;

- система управления:

− СЗМ контроллер;

− компьютер с интерфейсной платой.

Основной элемент АСМ – измерительная головка (Рис. 6). В ее нижней части находится держатель зондового датчика. Головка укомплектована двумя различными держателями. Один для проведения измерений в жидкой среде, другой для проведения измерений на воздухе (Рис. 7-8) [5]. В данной работе измерения проводились как на воздухе, так и в жидкой среде.

Рисунок 6. Измерительная головка АСМ [5].

Рисунок 7. Сменный держатель зондового датчика для работы в жидкости [5].

Рисунок 8. Сменный держатель зондового датчика для работы на воздухе[5].

Сканирующая измерительная головка может работать в качестве выносной измерительной головки. В этом случае образец закрепляется на лабораторном столе и головка устанавливается над образцом или прямо на образец, что позволяет исследовать образцы неограниченных размеров [5].

В настоящей работе измерительная головка использовалась в совокупности с остальными элементами. Препарат располагался на предметном столике, над ним, опирая ножки в пазы, устанавливалась измерительная головка.

Под предметным столиком расположен окуляр инверсированного светового микроскопа, который необходим для наведения зонда на интересующие участки препарата. Наведение происходит за счет передвижения столика с образцом, путем вращения двух винтов.

Блок подвода находится в нижней части станины. Он осуществляет вертикальные перемещения опоры измерительной головки.

Для увеличения разрешающей способности микроскопа, посредством изоляции от наиболее влияющих на его работу вибраций, был разработан и изготовлен виброизоляционный подвес (рис.6). Он состоит из двух колец резинового шнура, держателя шнура и металлической клетки. Данная система позволила увеличить разрешающую способность микроскопа по вертикали с 2нм до 0,15нм.

Рисунок 9. АСМ Solver P47 Bio на виброизоляционном подвесе.

Рабочий элемент АСМ – зондовый датчик. Зондовым датчиком в соответствующей технической литературе [5, 6] по атомно-силовым микроскопам называется совокупность кремниевого чипа с сформированной на нем посредством химического травления консолью. На конце консоли методами фотолитографии и химическо травления создается, собственно говоря, зонд – пирамидка высотой 14-15 мкм и характерным радиусом острия 10-50 нм [6].

Характеристики зондовых датчиков, использованных в работе, по данным компании-производителя NT-MDT указаны в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики зондовых датчиков.

Модель	Длина (L), мкм	Ширина (w), мкм	Толщина (t), мкм	Силовая постоянная (k), Н/м
NSG 01	125 ± 5	30 ± 5	1,5 ¸ 2.5	1,45 ¸ 15,1
NSG 30	125 ± 5	40 ± 5	3,5 ¸ 4,5	22 ¸ 100
HA_NC	80 ± 2	32 ± 3	1,7 ¸ 1,8	3,5 ± 20%

Существуют также зондовые датчики с треугольным кантилевером, образованным двумя балками, но в настоящем исследовании они не использовались.