4.2 Сканирующая зондовая микроскопия

4.2.1. Теоретические основы атомно-силового микроскопии

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) – один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-ваальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил, действующих между атомами вещества. Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США, как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа. Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем.

Принцип работы АСМ основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом при сближении их на расстояние межатомного взаимодействия. При таких расстояниях сила взаимодействия между двумя ближайшими атомами острия и поверхности образца, составляет 10^-7 – 10^-9 Н. Атомы, расположенные на острие тонкого зонда (иглы, пирамидки) взаимодействуют с атомами поверхности исследуемого образца (рис. 51).

Рис. 51. Схема взаимодействия межу атомами зонда и образца	Рис. 52 Зависимость сил взаимодействия между атомами от расстояния

Если расстояние между атомами острия иглы и поверхностью образца уменьшается, то между наиболее сближенными атомами их поверхностей вначале возникает сила притяжения (рис. 52). Эта сила будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем сближении силы отталкивания растут. Равновесие сил притяжения и отталкивания наступает при расстоянии между атомами порядка 0,2 нм. Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.

4.2.1. Принцип действия и устройство атомно-силового микроскопа

Зависимость атомных сил взаимодействия F между атомами зонда и исследуемого тела дает возможность изучать рельеф поверхности этого тела. Для регистрации F зонд (игла или пирамидка) помещается на конце упругой консоли (контилевер – от англ. cantilever – консоль, балка). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли (рис. 53). Появление возвышений или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и к изменению изгиба контилевера. Регистрируя величину изгиба консоли можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью и сделать вывод о рельефе поверхности. При перемещении иглы над поверхностью образца, получают набор данных для построения образа топографии. При сканировании зонд сначала двигается по линии (строчная развертка), при этом рельеф записывается в память компьютера, а затем зонд возвращается в исходную точку, смещается и опускается на следующую точку и двигается по траектории, параллельной предыдущей линии.

Регистрируемое изображение не является в строгом смысле слова геометрическим профилем, в особенности при атомарном разрешении, т.к. отдельные участки поверхности (например, имеющиеся на ней функциональные группы) могут отличаться по величине атомных взаимодействий.

Рис. 53. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Поскольку атомные силовые взаимодействия одновременно выступают в качестве источника трения, то регистрируя упругие деформации консоли при сканировании можно получить информацию о локальной величине трения.

Для регистрации изгиба консоли используются оптические методы. На конце консоли, на стороне, обращенной вверх, напыляется зеркало, на которое направляется луч полупроводникового лазера. Отразившись от зеркальной поверхности, луч регистрируется мультисегментным фотодиодом, (рис. 54). Это позволяет следить за перемещениями в пространстве конца консоли с зондом. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодиодом, а сила, с которой игла притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Данные фотодиода и пъезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную силу взаимодействия между зондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1 – 1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

Рис. 54. Схема атомно-силового микроскопа

Рассмотрим подробнее основные узлы атомно-силового микроскопа.

Контилевер – одна из основных частей сканирующего зондового микроскопа. Представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,5×3,5×0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. Верхняя сторона кантилевера над иглой является зеркальной для отражения лазерного луча. Иногда для улучшения отражающей способности кантилевера на него напыляют тонкий слой алюминия. По своей структуре кантилевер чаще всего представляет собой монокристалл кремния или нитрида кремния. Для получения контилевера используются методы микроэлектронной технологии.

Игла (зонд) – располагается на нижнем конце консоли. Радиус острия иглы промышленных контилеверов находится в пределах 5 – 90 нм, лабораторных – от 1 нм. Игла может быть выполнена из кремния, нитрида кремния или алмаза. Существуют также зонды с различными химическими покрытиями. Так, для получения магнитного профиля образца используются иглы со специальным напылением тонких пленок ферромагнитных материалов (Fe, Ni, Co, CoPtCr). Для изучения электрических свойств поверхности используют зонды из низкоомного кремния или на зонд напыляют слой металла (Pt, Au, Ag, Ti) толщиной порядка 10 нм. Зондом может служить пирамидка, выращенная методом молекулярной эпитаксии на конце упругого элемента.