1.2 Общая схема строения зондового микроскопа.
Рис. 1 Общая схема сканирующего зондового микроскопа
Все СЗМ содержат компоненты, схематично представленные на рис. 1 [7]. В конструкции каждого сканирующего зондового микроскопа есть свои отличия. В комплекте прибора могут также присутствовать дополнительные устройства, позволяющие модифицировать базовый блок для решения специальных задач. Однако общая структура СЗМ остается более или менее одинаковой. В состав СЗМ- комплекса обычно входит компьютер, который управляет работой электромеханической части микроскопа, принимает и записывает регистрируемые зондом данные, производит на их основе построение СЗМ-изображения и, кроме того, позволяет обрабатывать полученное изображение, без чего подчас бывает трудно или вообще невозможно проанализировать наблюдаемую картину.
1.3 Принцип работы атомно-силового микроскопа.
Рис.2 схема основных блоков атомно-силового микроскопа
Принцип работы АСМ основан на прохождении электроном потенциального барьера, который образован разрывом электрической цепи ( небольшим пространством между зондирующим микроострием и поверхностью того или иного образца). В качестве зонда обычно используется игла (сделана из нитрида кремния) длиной 1–2 мкм и диаметром обычно неболее 10 нм., расположенная на упругой микропластинке, именуемой кантилевером. Последний закреплен с одного конца. При сканировании поверхности силы, возникающие между острием иглы и образцом, вызывают деформацию кантилевера. Таким образом и описывается топография исследуемой поверхности. Деформация кантилевера определяется, как правило, оптическим методом. Лазерный луч, направленный на зеркальную поверхность тыльной стороны кантилевера, отражается от нее и регистрируется фотодетектором( рис.2) . Перемещение образца при сканировании производится прецизионными пьезодвигателями, которые управляются персональным компьютером. После завершения сканирования изображение в двумерном (трехмерном) виде выводится на экран компьютера.
1.4 Режимы и методы работы атомно-силового микроскопа.
Атомно-силовой микроскоп имеет три основных режима работы: контактный, бесконтактный и вибрационный (рис.3) .
В контактном режиме острие касается исследуемого образца в течении всего времени сканирования. Такой режим обеспечивает наиболее высокое разрешение, хотя возникающее давление может вызвать определенные повреждения и образца, и острия.
В бесконтактном режиме острие колеблется над поверхностью образца ( с частотой 100 КГц – 1 МГц). Это колебание значительно увеличивает чувствительность атомно- силового микроскопа, поэтому даже такие слабые силы, как силы Ван-дер-Ваальса и электростатические, могут быть обнаружены. Тем не менее бесконтактный режим практически не используется для биологических исследований вследствие его выраженных недостатков ( «захват» острия поверхностью за счет сил сцепления; малое разрешение из-за относительно большого расстояния «острие- образец»).
Вибрационный ( полуконтактный) режим может рассматриваться в качестве компромиссного. При данном режиме кантилевер колеблется, но с большей амплитудой. Так как острие соприкасается с поверхностью образца, то разрешение получается таким же, как при контактном режиме. В то же время это соприкосновение весьма кратковременно, поэтому повреждения образца в значительной мере исключаются. [3,4дал ]
Рис.3 АСМ- профили при наличии на поверхности влаги: а- в бесконтактном; б- контактном режиме.
Методы атомно-силовой микроскопии:
1) метод постоянных сил
При этом величина изгиба кантилевера поддерживается в процессе сканирования постоянной при помощи системы обратной связи. Таким образом вертикальные смещения сканера отражают рельеф поверхности исследуемого образца. Достоинства: основным достоинством Метода Постоянной Силы является возможность наряду с измерениями рельефа поверхности проводить измерения и других характеристик – сил трения, сопротивления, растекания . Недостатки: к числу недостатков метода постоянной силы относится ограничение скорости сканирования временем отклика системы обратной связи. При исследовании относительно мягких материалов (подобно полимерам, биологическим объектам, ЛБ-пленкам и т.д.) они могут разрушаться (процарапываться), поскольку зонд в процессе сканирования находится в непосредственном контакте с поверхностью исследуемого образца. При исследовании относительно мягких неоднородных материалов локальный прогиб поверхности образца меняется в процессе сканирования, что приводит к искажениям получаемого рельефа поверхности. Возможное наличие существенных капиллярных сил, обусловленных наличием слоя воды, также приводит к ухудшению разрешения. [www.ntmdt.ru/spm-principles/view/afm-constant-force-mode]
2) метод латеральных сил
помимо изгиба кантилевера в нормальном направлении происходит также и его торсионный изгиб. Он обусловлен моментом силы действующей на зонд. Для малых отклонений угол закручивания пропорционален поперечной (латеральной) силе. Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической следящей системой микроскопа. [ www.ntmdt.ru/spm-principles/view/lateral-force-imaging]