3.2. Атомно-силовой микроскоп (асм)

Метод АСМ дает возможность исследовать структуру проводящих и не проводящих поверхностей с атомным разрешением в диапазоне 10^-5 - 10^-12 Н. В основе принципа его работы лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью с его регистрацией зондовым датчиком (кантилевером), имеющим острие на конце и низкий коэффициент жесткости (0.5 - 1 Н/м). Регистрируя величину изгиба консоли под действием силы направленной на зонд со стороны поверхности, можно контролировать и регистрировать возникающую силу взаимодействия.

Качественно работу АСМ можно проиллюстрировать на примере действия сил Ван-дер-Ваальса. В данном случае энергию взаимодействия двух атомов (E_LD) на расстоянии r друг от друга аппроксимируют степенной функцией-потенциалом Леннарда-Джонса

Е_LD(r) = E_o[-2(r_o/r)⁶ + (r_o/r)¹²], (3.2)

где r_o – равновесное состояние между атомами; E_o – минимальная энергия взаимодействия двух атомов.

Общую энергию системы (W_PS) можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца. Соответственно сила (F_PS), действующая на зонд со стороны поверхности, может быть определена по уравнению

F_PS = -grad W_PS. (3.3)

В общем случае эта сила имеет как нормальную, так и латеральную составляющие к поверхности образца, но в любом случае сохраняются основные черты взаимодействия зонда и образца: зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивания – на малых.

Получение АСМ-изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В качестве прибора, регистрирующего отклонения кантилевера, используется СТМ (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема атомно-силового микроскопа: 1 - зондирующее диэлектрическое острие; 2 - трехкоординатный пьезоманипулятор; 3 – исследуемый образец; 4 – кантилевер; 5 – проводящее острие СТМ

В наиболее распространенной конструкции АСМ измерение отклонения консоли от заданного положения производится с помощью оптического щупа полупроводникового лазера. Данная система позволяет измерять силы взаимодействия порядка 10^-12 Н при расстоянии сканирующего острия от поверхности 3 - 20 нм. Зондирующее острие в АСМ изготавливается из алмаза, кварца, сапфира (оксид алюминия) и других материалов методами фотолитографии и травления. Упругие консоли формируются из тонких слоев легированного кремния (SiO₂ или Si₄N₃). Радиус закругления современных АСМ-зондов составляет 1 - 50 нм, угол при вершине зонда – 10 - 20°.

Силу взаимодействия зонда с поверхностью (F) можно оценить следующим образом:

F = k ΔZ, (3.4)

где k – жесткость кантилевера; ΔZ – величина, характеризующая его изгиб.

Резонансная частота кантилевера лежит в диапазоне 10 - 1000 кГц, показатель добротности его работы изменяется в зависимости от вида рабочей среды и составляет: для вакуума – 10³ - 10⁴; для воздуха – 300 - 500; для жидкой среды – 10 - 100 [124].

Информацию о размерах и свойствах поверхности с помощью АСМ получают двумя основными методами: контактным квазистатическим и бесконтактным колебательным (не разрушающим и более точным). Современные АСМ имеют разрешение на уровне 2 10^-2 нм.