Принцип работы и возможности атомно-силового микроскопа
Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на притяжении или отталкивании иглы кантилевера (зонда) от поверхности исследуемого образца из-за сил Ван-дер-Ваальса. Атомно-силовой микроскоп регистрирует положение зонда в каждой точке исследуемого образца. Когда острие зонда находится у поверхности исследуемого образца на малых расстояниях (порядка одного ангстрема) между двумя атомами: атомами острия зонда и поверхности образца действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, консоль с зондом изгибается. Любое ее отклонение регистрируется позиционно-чувствительным фотодетектором (рисунок 1.2). Причем регистрируется фотодетектором отраженный от обратной стороны кантилевера луч света. При отклонении консоли происходит перемещение по фотодетектору отраженного луча. Таким образом, по изменению его положения электронная система определяет изменение расстояния между зондом и образцом и для поддержания постоянным зазора между зондом и образцом прикладывает к Z-электроду пьезотрубки соответствующее напряжение [38]. В результате, острие зонда в точности повторяет рельеф исследуемого образца.
Рисунок 1.2 — Схема организации системы сканирования и детектирования положения зонда
Величина приложенного к Z-электроду пьезотрубки напряжения регистрируется и используется системой для формирования матрицы АСМ-изображения. На основании полученных данных строится трехмерное АСМ-изображение поверхности. Благодаря тому, что в системе установлен четырехсекционный фотодетектор, позволяющий измерять не только отклонения, но и кручения консоли, стало возможным одновременное измерение топографии и картографирование локальных сил трения [39].
В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рисунок 1.3). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью [40].
Рисунок 1.3 — Схематическое изображение зондового датчика АСМ
Горизонтальное перемещение образца в процессе сканирования (перемещение в плоскости XY) осуществляется посредством пьезокерамического сканера. Образец перемещается под острием зонда от точки к точке по растровой схеме (рисунок 1.4). Сканер начинает перемещаться вдоль первой линии сканирования и обратно. Затем он осуществляет перемещение на один шаг в перпендикулярном направлении ко второй линии сканирования, движется вдоль ее и обратно. Затем снова осуществляет перемещение на один шаг в перпендикулярном направлении к третьей линии и т.д. АСМ регистрирует данные только при движении зонда в одном направлении, которое называется направлением быстрого сканирования.
Для перемещения сканера по подобной растровой схеме электроника АСМ прикладывает соответствующее напряжение к сегментам пьезотрубки, что вызывает ее изгиб в плоскости, параллельной поверхности образца [41].
Рисунок 1.4 — Движение образца под зондом в процессе сбора данных