Способы получения изображения

Наиболее общим способом получения изображения является способ постоянной силы, который регистрирует изменения высоты образца в процессе сканирования. Этот способ дает калиброванное значение высоты образца. Кроме этого он может фиксировать малейшие изменения в отклонении консоли, которые является сигналом для электронной петли обратной связи. В дополнение к такому сканированию консоль может вибрировать с высокой частотой (~ 30 - 300 кГц). Когда наконечник встречается с изменением высоты поверхности образца, изменяется амплитуда его колебания.

На практике используются два типа получения изображения: контактный (contact mode), называемый методом постоянной силы и осциллирующий метод (tapping mode), в котором измеряется амплитуда колебаний острия. Ниже мы кратко опишем основные способы получения изображения.

Рис. 35.9. Два основных типа регистрации изображений в АСМ. В контактной моде АСМ наконечник прикасается к поверхности образца (а), в то время как в бесконтактной (колебательной) моде АСМ наконечник движется в нескольких нанометрах над поверхностью (б). В этой моде консоль колеблется вертикально со своей резонансной частотой. Амплитуда колебания уменьшается при контакте между наконечником и образцом

Контактный способ

В методе силовой микроскопии при постоянной силе контактная мода между наконечником и образцом поддерживается постоянной электронной петлей обратной связи. Когда же консоль начинает двигаться вверх-вниз, показывая, что наконечник встретился с преградой или проходит через нее по поверхности, тогда образец, втягивая (или поднимая) его, отражает движение консоли, сохраняя силу взаимодействия наконечник-образец постоянной (рис. 35.9(а)). Топографирование точек поверхности происходит, когда образец препятствует отклонению консоли, фиксируя ее движение вперед или назад. Эта процедура приводит к получению воспроизводимого изображения, но постоянное изменение силы, генерируемой между наконечником и поверхностью, может привести к повреждению образца.

Бесконтактный (осциллирующий) способ

В бесконтактном, иногда называемым осциллирующим или колебательным способе, консоль (движимая пьезоэлектрическим силовым приводом) вибрирует с собственной резонансной частотой. При сближении с образцом происходит уменьшение амплитуды колебания (рис. 35.9(б)). Электронная петля обратной связи фиксирует уменьшение заранее заданного значения и таким образом получается топографическое изображение поверхности образца. Поскольку сила, действующая на консоль, должна быть выше, чем сила сцепления, обусловленная тонким слоем воды на поверхности образца, используются относительно жесткие консоли с константой упругости в пределах от 10 до 100 Н·м^{-1 .}и амплитуды вибраций в пределах между 50 и 100 нм. В осциллирующей модели АСМ деструктивное влияние латеральных сил элиминируется, поскольку контакт наконечник-образец практически отсутствует. Вибрация консоли в жидкости отличается от таковой на воздухе или в высоком вакууме. Во-первых, движение консоли вызывает сопротивление окружающей жидкости, приводящее к повышению эффективной массы в 10-40 раз и соответствующему понижению резонансной частоты. Во-вторых, колебание консоли в жидкости становится ангармоничным и асимметричным, что отличает её от колебания в воздухе, где оно является приблизительно синусоидальным и симметричным.