6. Атомный силовой микроскоп

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) основана на резкой зависимости силы взаимодействия молекул от расстояния между ними (вандерваальсовы взаимодействия). Взаимодействуют молекулы двух тел – молекулы поверхности исследуемого тела и молекулы зонда (кончика иглы), называемого кантилевером. Регистрируется силовое взаимодействие в процессе прецизионного сканирования такой иглой вдоль поверхности, что позволяет называть такого рода устройство сканирующим силовым микроскопом.

Физическая сущность работы асм

В основу работы АСМ положена известная зависимость энергии ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r, которую аппроксимируют потенциалом Ленарда-Джонса (рис. 1.):

,

где U₀ – значение энергии в минимуме, r₀ – равновесное расстояние между атомами. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, но сохраняется основной характер взаимодействия.

Рис. 1. Качественный вид потенциала Ленарда-Джонса

Анализ рельефа поверхности с помощью АСМ-микроскопа основан на регистрации малых изгибов упругой консоли (кантилевера) зондового датчика. Силы взаимодействия между иглой и поверхностью образца заставляют иглу с кантилевером изгибаться. Специальный детектор регистрирует отклонение кантилевера при перемещении, либо иглы вдоль поверхности образца, либо образца относительно иглы. Изменение положения кантилевера в процессе сканирования измеряют по-разному: интерферометрически, оптико-позиционной схемой, тензодатчиком. Наиболее распространена оптико-позиционная схема регистрации.

Деформационные изгибы кантилевера регистрируются оптической системой (см. рис. 2.) с фотоприемником (как правило, полупроводниковым фотодиодом). В исходном состоянии оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы сфокусированное излучение полупроводникового лазера попадало на консоль зондового датчика, с золотым напылением, а его отражение попадало в апертуру фотоприемника.

Рис. 2. Схематическое изображение зондового датчика (а) и схема оптической регистрации изгиба кантилевера (б).

Оптическая система регистрирует деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (F_Z) и деформации кручения консоли под действием торсионных компонент сил (F_L) взаимодействия зонда с поверхностью.

Система обратной связи (ОС) обеспечивает ΔI_Z – const за счет действия пьезоэлектрического исполнительного элемента, поддерживающего нулевой изгиб консоли, а сама величина ΔZ задается оператором. При сканировании образца в режиме ΔZ = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x,y).

Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли.

В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов. Удается получить даже изображение атомных решеток таких образцов.

Процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электроннолучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера субмикронными шагами под действием пилообразных напряжений, формируемых цифро-аналоговыми преобразователями. Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе.

Информация, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, хранится в виде СЗМ кадра – двумерного массива целых чисел а_ij (матрицы). Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования.

В зависимости от режима работы АСМ (контактный, бесконтактный) выбираются различные значения расстояний и сил. На рис. 1. показаны области работы АСМ в разных режимах в зависимости от выбора значений r на кривой Ленарда-Джонса.

В контактном режиме работы, который также называется режимом отталкивания, игла АСМ находится в “мягком физическом контакте” с образцом. Игла прикреплена к концу кантилевера с низкой постоянной упругостью, меньшей, чем эффективная межатомная константа упругости в образце. При сканировании сила контактного взаимодействия изгибает кантилевер в соответствии с и изменением топографии поверхности образца. Сила отталкивания со стороны частиц изучаемого объекта компенсируется силой упругости самого кантилевера, которая зависит от направления и степени изгиба кантилевера, ее постоянной упругости. Кроме того, при сканировании на воздухе из-за наличия тонкого слоя паров воды на поверхности образца возникает сила капиллярности. При смачивании водой острия зонда капиллярная сила является довольно значительной силой притяжения (~ 10^-8Н), которая держит иглу в контакте с поверхностью. При сканировании в контактном режиме, так как расстояние между зондом и поверхностью остается практически постоянным, а, полагая, что слой на поверхности одинаковой толщины, величина капиллярной силы практически не изменяется. Суммарная величина этих сил может достигать 10^-8-10^-9 Н, но чаще всего сканируют при прижимающей силе 10^-6-10^-7Н.

Эффект капиллярности практически не проявляется при исследовании гидрофобных поверхностей гидрофобизированными иглами. Капиллярный эффект отсутствует и в сверхвысоком вакууме после прогрева образцов, а также при исследовании границы «твердое тело – жидкость».

Но в любом случае, даже в условиях сверхвысокого вакуума и жидкости, устойчиво в контактной моде эффективно работать при силах поджима кантилевера к образцу не менее 1 нН.

В бесконтактном режиме (так называемом режиме притяжения – см. рис. 1) используются силы межатомного притяжения. В этом режиме расстояние между иглой и поверхностью образца составляет величину 50-100 Å. В данном режиме используют более жесткие кантилеверы, иначе зонд будет притягиваться к поверхности (вплоть до «залипания»). Так как жесткий кантилевер отклоняется весьма мало под действием относительно слабой силы притяжения, то для регистрации отклонений в кантилевере возбуждаются механические колебания с частотой, близкой к собственной резонансной частоте, как правило, ~150 – 300 кГц с амплитудой у зонда порядка нескольких десятков А. В этом случае при сканировании фиксируют изменения резонансной частоты или амплитуды колебаний. Чувствительность такой схемы регистрации обеспечивает вертикальное разрешение менее одного Ангстрема, такое же, как в контактном режиме.

В бесконтактном режиме сила взаимодействия между иглой и поверхностью очень мала, ~ 10^-12Н. Это очевидное преимущество режима при работе с мягкими и эластичными материалами, а также при работе с материалами, свойства которых могут измениться при касании зондом поверхности.