книги / Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения

В режиме полукоптактных мод кантилевер, вибрирующий на частоте в полосе резонансных колебаний, лишь в нижнем (по высоте) положении входит в состояние контакта с поверхностью об­ разца. Амплитуда (чаще всего), частота или другие амплитудно-фазовые характеристики поддержи­ ваются постоянными. При этом можно регистри­

ровать:

• п о лукон т акт н ую т о п о гр а ф и ю , когда отно­ сительное перемещение вдоль нормальной коор­ динаты образца и зонда, необходимое для поддер­ жания заданных параметров колебаний зонда, поддерживается постоянным;

• и зм ен ен и е а м п л и т уд н о -ф а зо вы х п а р а м е т р о в

в процессе сканирования при поддержании ампли­ туды колебаний зонда и и зм ен ен и е ф а зы к о л е б а ­ ния кантилевера относительно фазы возбуждаю­ щего сигнала;

• и зм ен ен и е си гн а ла ош и бки о б р а т н о й свя зи ,

который регистрируется по изменению амплитуды в процессе сканирования, когда цепь обратной связи пытается поддержать эту амплитуду посто­ янной;

• оц ен к у а н га р м о н и зм а ко лебан и й кантилевера, которая осуществляется по регистрации сигналов кратных гармоник (2со,..., Юсо) в процессе полуконтактного сканирования;

плоскости образца. При этом параметры колеба­ ний зонда поддерживаются постоянными. Колеба­ ния зонда возбуждаются с помощью резонансных

кварцевых датчиков (/"« 32 кГц) в форме камерто­ на (рис. 3.5.9). После исчерпания возможности обратной связи поддерживать амплитудный сигнал с датчика на заданном уровне происходит «сжа­ тие» сканера, вызывающее появление ступеньки в амплитуде выходного отклика (рис. 3.5.10).

Использование полуконтактного режима для получения топографии поверхности позволяет ис­ ключить разрушающее действие боковых сил, ко­ торые присутствуют в контактной моде. Это важ­ но при исследовании легко повреждающихся по­ верхностей, например полимеров.

Предусилитель

Пьезокерамический

элемент

Оптоволоконный

зонд

Кварцевый резонансный сенсор

Рис. 3.5.9. Схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) с резонансным датчиком.

При подводе к поверхности окончание оптоволокна (оптоволоконный зонд с радиусом закругления 150 мкм получают химическим методом) начинает взаимодействовать с поверхностью, что приводит

ксмещению резонансной частоты

ипонижению добротности регистрирующей системы

/, нА

2.5

2,0

1.5

1,0

•бесконтактную резонансную топографию, которая регистрируется в режиме колебаний кан­ тилевера в полосе резонансных колебаний с под­ держанием амплитудно-фазовых характеристик системы на заданном уровне. Режим эффективен при анализе адсорбционных слоев;

•распределение поверхностного потенциала

(Кельвин-моды) путем регистрации напряжения, которое вырабатывается следящей системой во время сканирования для подавления колебаний кантилевера (рис. 3.5.13).

Рис. 3.5.12. Зависимость силы трения от латерального смещения зонда.

Стрелки указывают направления сканирования, во время которых были зарегистрированы средние и максимальные значения латеральных сил

Проводящий

Рис. 3.5.13. Схема измерений в бесконтактной емкостной (Кельвин) моде. Амплитуда колебания кантилевера регистрируется оптико-позиционной системой, в которой с помощью четырехсекционного фотодиода измеряется интенсивность отраженного луча полупроводникового лазера, сфокусированного на отражающую поверхность кантилевера.

Колебания зонда инициируются электрическим полем в зазоре кантилевер—образец

Подавляющий сигнал инициируется электро­ динамической силой на частоте возбуждения, вы­ бираемой для увеличения чувствительности в по­ лосе резонансных колебаний кантилевера. Эта си­ ла выражается как

FED. (®)= - (^оф(*.^))^, sin(®0|r

oZ

и тождественно равна нулю, когда £/0 = ф(х, у) при любом значении переменного напряжения Uh приложенного в цепи «проводящий кантилевер— образец»;

•контрасты, вызванные магнитной структу­ рой (микроскопия магнитных сил) или электро­ статическим взаимодействием (микроскопия электростатических сил) с поверхностью. Первые регистрируются с помощью кантилевера, имею­ щего на острие магнитно-чувствительное покры­ тие, путем многопроходных методов сканирова­ ния. При этом осуществляется компенсация вкла­ дов других сил. Для получения контраста второго вида необходим электропроводящий кантилевер, лучше с диэлектрическим покрытием;

•контрасты, связанные с распределением подповерхностной емкости (бесконтактная емкост­ ная мода). Они обусловлены возникновением силы, инициирующей колебания проводящего кантиле­ вера на второй гармонике возбуждающего пере­ менного напряжения U\C,osa>t, приложенного в це­ пи «зонд—образец». Эта сила вызвана конечным

„ дС

значением производной — и равна

дС_

FED, (2®) ■ijyf cos(2co/)

dZ '

Регистрация сигнала производится по амплитуд­ но-фазовым параметрам с применением синхрон­ ного детектирования.

Несмотря на то что существуют два вида взаи­ модействия зонда с поверхностью образца: притя­ жение (за счет сил Ван-дер-Ваальса, электроста­ тических, магнитных, капиллярных) и отталкива­ ние (за счет перекрытия электронных орбиталей), приведенная классификация режимов сканирова­ ния оправданна. Это связано с тем, что различные части зонда могут одновременно находиться под действием сил притяжения или отталкивания со стороны атомов поверхности. Поэтому более уме­ стно говорить о доминирующем типе взаимодеи-

ствия для зонда в целом, что и послужило основа­ нием для введения трех мод сканирования.

В большинстве из режимов работы сканирую­ щих зондовых микроскопов один из контролируе­ мых параметров {параметр регулирования) под­ держивают на постоянном уровне. Кажущееся многообразие форм регистрации откликов, посту­ пающих с зонда при различных модах его взаимо­ действия с поверхностью, можно свести к четырем основным операционным типам (рис. 3.5.14).

1. Образец движется горизонтально в режиме постоянной высоты, а отклонения кантилевера мониторируются. Синхронная со сканированием запись высоты представляет топографический (си­ ловой) образ поверхности образца.

2.В режиме постоянной силы цепь обратной связи (ОС) не позволяет зонду получать большие отклонения в направлениях как к поверхности, так

иот нее. Вариации отклонений кантилевера ми­ нимизируются благодаря подстройке Z-координа- ты образца цепью ОС таким образом, что дефор­ мация кантилевера остается постоянной. Сигнал обратной связи калибруется как высота зонда над поверхностью.

3.В режиме остаточного сигнала используется движение кантилевера, остаточное после действия цепи обратной связи.

4.В модуляционном режиме кантилевер осцил­ лирует в вертикальном направлении под действием периодической вынуждающей силы. Амплитуда осцилляций мониторируется синхронно с переме­ щением кантилевера в плоскости XY. Можно мо­ ниторировать изменения частоты или фазы коле­ баний кантилевера. Если цепь обратной связи поддерживает амплитуду колебаний постоянной, то зонд «ощупывает» поверхность.

Сканирование с помощью любой из приведен­ ных операционных систем позволяет получать атомарное разрешение рельефа поверхности об­ разца. Однако в случае механического контакта зонда с поверхностью область зоны взаимодейст­ вия включает много атомов, поэтому контактный режим, как правило, не обеспечивает атомарного разрешения.

Аналогично режиму нормального контраста можно использовать режим латерального контраста, в котором также возможен модуляционный режим.

Применение высокоточных пьезокерамических сканеров позволяет перемещать зонд над поверх­ ностью с точностью до 0,01 нм.

Режим постоянной высоты

Режим постоянной силы

Режим остаточного сигнала

Модуляционный режим

Рис. 3.5.14. Основные операционные моды в зондовой сканирующей микроскопии. Стрелки показывают направление движений кантилевера и образца

Чувствительность зондов и точность сканеров в сканирующей зондовой микроскопии позволили получать изображения поверхностей образцов с горизонтальным разрешением около 0,05 нм и вер­ тикальным разрешением до 0,01 нм. В этом состоит основное преимущество зондовых микро­ скопов перед оптическими. По разрешению СЗМ не уступают и электронным микроскопам. Кроме того, сканирующая зондовая микроскопия позво­ ляет измерять высоту рельефа в большом диапазо­ не и с высоким разрешением.

В большинстве случаев СЗМ не нуждаются в вакууме. Это существенно ускоряет подготовку прибора к работе и облегчает процесс исследования.

Простота использования и универсальность при­ боров СЗМ дают им значительные преимущества не только в научных исследованиях, но и в разно­ образных технологических применениях.

Применение зондовой микроскопии (в частно­ сти, ACM) для исследования механических свойств поверхностей твердых тел и диагностики материа­ лов с гетерофазной структурой активно развивается с конца 1980-х гг. В основе атомно-силовой мик­ роскопии лежит тот факт, что характер взаимодей­ ствия острия зонда с исследуемой поверхностью зависит от механических свойств этой поверхности. Методы контроля механических свойств с помо­ щью ACM развиваются по двум направлениям:

1.Снятие кривых подвода—отвода кантилевера

снаноиндентированием поверхности. Эти методы позволяют определять объемные характеристики материалов, например модуль Юнга и твердость в тонком (толщиной от единиц до сотен наномет­ ров) приповерхностном слое материала. По кри­ вым подвода—отвода кантилевера также оцени­ вают силы химического и электрического взаимо­ действия, степени адгезии поверхностей.

2.Визуализация результатов измерений в виде изображений псевдорельефа поверхности, Z-коор- дината которого соответствует изменению регист­ рируемого параметра в процессе сканирования (например картографирование модулей упругисти (см. рис. 3.5.15 на вклейке), твердости и других свойств). Подобный подход позволяет контроли­ ровать не только структуру поверхности, но и да­ вать количественную оценку распределения со­ ставляющих (частиц, фаз) на ней (рис. 3.5.16).

В перечисленных направлениях изучения и контроля механических свойств с помощью скани­ рующих атомно-силовых микроскопов наилучшим образом сочетаются высокие чувствительность, разрешение и простота проведения эксперимента.

Литература

1.Дедков Г.В. // Успехи физ. наук. 2000. Т. 170,

№6.

2.Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. По­ верхностные силы. М.: Наука, 1985.

3.Суслов А.А., Чижик С.А. // Материалы, тех­ нологии, инструменты. 1997. Т. 2, № 8.

3.5.2. К онтроль структурно-механического состояния поверхности с помощ ью сканирую щ его зондового микроскопа «Н аноскан»

Возможности контроля и оценки механических свойств поверхности металлических материалов с помощью сканирующего зондового микроскопа рассмотрим на примере использования прибора «Наноскан» (рис. 3.5.17).

«Наноскан» — сканирующий силовой микро­ скоп, работающий на открытом воздухе в жест­ ком контактном динамическом режиме. Прибор предназначен для изучения топологии и свойств поверхностей твердых тел с нанометровым разре­ шением. Возможно измерение твердости с макси­ мальной нагрузкой 10 г.

Измерительная система построена на принци­ пах сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

ы , %

Я

v -е-

х

cd Р

S ’ S

S * гО\ Г-

и§

gS3 s

Внутри поддона прибора размещена выносная часть управляющей системы. На поддоне укрепле­ на виброразвязанная (виброизолированная) плат­ форма. Коэффициент подавления промышленных вибрационных шумов ~1(Г7 На платформе смон­ тирована система позиционирования с пьезопри­ водом, состоящая из XY- и Z-сканеров. Пьезопри­ вод может функционировать в режимах пошагово­ го движителя и микропозиционера. При этом площадь контролируемой области 30x30 мм пере­ секается с шагом 2 мкм.

Образец диаметром до 100 мм и весом не более 100 г помещается непосредственно на опоры XY- сканера. Зонд подводится к исследуемой поверх­ ности снизу. Перемещение вдоль оси Z до 10 мм с шагом 0,1 мкм. Окна сканирования составляют: по поверхности XY — 10x10 мкм, вдоль оси Z — 5 мкм.

Крышка служит для защиты образца, зонда и системы позиционирования от механических, тем­ пературных, акустических и других воздействий.

Главным отличием микроскопа «Наноскан» от других конструкций аналогичного назначения яв­ ляется применение пьезорезонансного зонда с вы­ сокой изгибной жесткостью консоли. Использова­ ние режима резонансных колебаний позволяет осуществлять контроль контакта острия зонда с поверхностью по двум изменяющимся парамет­ рам: амплитуде А и частоте F колебаний зонда. Это позволяет разделить соответственно вязкую и упругую компоненты во взаимодействии острия зонда с поверхностью и различить вязкое загряз­ нение на упругой поверхности, неизбежно возни­ кающее на открытом воздухе. Высокая изгибная жесткость консоли зонда позволяет проникать сквозь вязкий слой до контакта с упругой поверх­ ностью, а также проводить ее индентирование и измерять механические свойства.

Конструкция зонда предоставляет возможность использовать как стандартные иглы для СЗМ, так и специальные алмазные инденторы разных типов, в том числе иглы из ультратвердого фуллерита Сбо, превышающего по твердости алмаз. Эти иглы позволяют производить измерение твердости сверхтвердых материалов, включая алмаз.

ности с построением карт топографии и карт ме­ ханических свойств на одном участке поверхно­ сти. Это дает возможность сравнивать топографию и распределение механических свойств. Кроме того, прибор позволяет проводить нагружение и царапание поверхности иглой зонда и тем самым осуществлять измерение твердости (индентированием) и склерометрию.

Регистрация топографического рельефа осуще­ ствляется путем построчного сканирования участ­ ка поверхности с записью сигнала обратной связи. В качестве измеряемого сигнала используется од­ на из двух величин: А — разность между ампли­ тудой свободных колебаний зонда А0 и амплиту­ дой установившихся колебаний при контакте с поверхностью Ас; F — разность между частотой свободных колебаний зонда F0 и частотой устано­ вившихся колебаний при контакте с поверхностью Fc (рис. 3.5.18).

Обратная связь поддерживает постоянными выбранные значения величин А или F.

В соответствии с задаваемыми опорными пара­ метрами Areg или FKg получаются разные по смыс­ лу изображения одного и того же участка поверх­ ности (рис. 3.5.19).

При осуществлении обратной связи по ампли­ туде А сканируется рельеф «вязкой» составляю­ щей поверхности, а при контроле частоты F — «упругой» составляющей. Режим сканирования с обратной связью по F рекомендуется при анализе сильно загрязненных поверхностей.

Увеличение параметров Areg и Freg приводит к усилению контакта острия зонда с поверхностью и, следовательно, к уменьшению влияния загряз­ нений на вид измеряемого рельефа. С другой сто­ роны, уменьшение значений Areg или Freg снижает воздействие зонда на поверхность и вероятность ее повреждения.

Картографирование механических свойств по­ верхности осуществляется также путем построч­ ного сканирования с включением обратной связи по одному из параметров, но регистрацией друго­ го. Например (рис. 3.5.20), при сканировании по­ верхности с обратной связью по А и записью сиг­ нала F локальная упругость зоны взаимодействия острия с поверхностью в точке А будет больше аналогичной области в точке В.

Сканирование с обратной связью по частоте F и записью амплитудного А сигнала позволяет оце­ нить изменение вязкости в локальной области взаимодействия острия зонда с поверхностью об­ разца (рис. 3.5.21). Так, если вязкость в точке А окажется меньше вязкости в точке 5 , то величина сигнала амплитуды в точке А будет меньше, чем в точке В.

Рис. 3.5.19. Варианты регистрации сигнала зонда и топографирования поверхности при выборе режима обратной связи

с управлением через амплитуду (А) или частоту (F)

Рис. 3.5.20. Схема изменения размеров области взаимодействия (£) при записи частотного F сигнала и работе обратной связи с управлением по амплитуде А

Описанные варианты картографирования изме­ нения механических свойств поверхности могут применяться для оценки взаимного расположения вязкого материала на упругой поверхности.

Аналогичный вариант может быть использован при картографировании механического состояния поверхности для обнаружения участков с различ­ ными упругими модулями (рис. 3.5.22).

Для выявления зон, которые отличаются упру­ гими свойствами, используется сканирование с обратной связью по амплитуде А и записью сигна­ ла по частоте F. При этом установленное значение опорного сигнала обратной связи Агекдолжно быть таким, чтобы обеспечить проникновение острия зонда сквозь вязкий слой до механического кон­ такта с упругой поверхностью. Тогда локальная упругость области взаимодействия острия с по­ верхностью образца в точке А окажется меньше, чем в точках В и С. Следовательно, величина сиг­ нала сдвига частоты в точках В и С будет больше, чем в точке А.

Рис. 3.5.21. Схема оценки влияния вязкости материала, находящегося

вЩ объеме взаимодействия зонда

споверхностью пробы

Рис. 3.5.22. Вариант обнаружения зон с разными упругими свойствами. Участки поверхности, обладающие большей упругостью,

обозначены прямоугольником — I ^J