Основные компоненты СЗМ (сканирующий-зондовый микроскоп)

Зонд, пьезоэлектрические двигатели, электронная цепь обратной связи и компьютер, сенсор с высоким пространственным разрешением (бывает туннельный и силовой)

Принцип работы атомно-силового сенсора

Такой сенсор оборудован пружиной с малой жесткостью, выполненной из кремния или нитрида кремния, называется кантилевер. На конце кантилевера расположен зонд. Зонд считывает ваандервальсовы силы (силы, возникающие при межмолекулярном или межатомном взаимодействии), эти силы производят к отклонению кантилевера от положения равновесия, это отклонение фиксируется (от кантилевера отражается луч на квадрантный фотодетектор, смещение из положения равновесия кантилевера=смещение луча из центра фотодетектора) и передается на компьютер.

Принцип действия пьезоэлектрического двигателя

Пьезодвигатель или пьезорегулятор регулирует высоту между кантилевером и образцом. Зонд передает информацию на приклеенный к нему резонансный датчик, который считывает расстояние между зондом и объектом и передает информацию в компьютер, который обрабатывает её и регулирует ирует подачу тока на пьезодвигатель. Пьезодвигатель работает на прямом и обратном пьезоэффекте. Прямой - возникновение напряжения U при деформации твердого тела. Обратный - возникновение механодеформаций под воздействием тока I.

Константы цепи P I D

Все эти обозначения - составляющие регулятора положения кантилевера в зондовом атомно-силовом микроскопе.

Р - пропорциональный регулятор. Сообщает информацию о том, что образец надо опустить. Сигнал высчитывается как разность между заранее заданным значением и положением ошибки. Контролирует отклик системы на резкие изменения и передает самые мелкие детали поверхности.

I - интегральный регулятор. Высчитывается бесконечным суммированием ошибки. Контролирует отклик системы в области низких частот и отображает крупные детали образца.

D - дифференциальный регулятор. Применяется, когда зонд натыкается на острый выступ.

Факторы, определяющие качество изображения СЗМ

Чувствительность сенсора

Амплитуда вибраций зонда относительно поверхности образца

Точность позиционирования зонда

Геометрия острия зонда

Радиус закругления иглы

Отношения диаметра основания зонда к его высоте

Влияние адсорбционного слоя на поверхность образца и взаимодествте с ней зонда

Адсорбционный слой состоит из компонентов воздуха (частицы воды, пыли, кислорода) и тех вещей, с которыми соприкасался. При контакте иглы с этим слоем возникает сильная притягивающая компонента силы и иглу очень тяжело оторвать от образца. Округлые зонды приклеиваются к образцу сильнее, чем заостренные. Материал о разума зависит на его способность к накоплению адсорбционного слоя.

Основные методы AFM

Главный принцип - взаимодействие зонда с образцом, перемещение кантилевера и обработка данных на компьютере. Есть три типа: контактная, полуконтактная и бесконтактная. Первая: острие прижимается к образцу и скользит по поверхности

Вторая: острие колеблется по вертикали, касаясь образца в нижней точке

Третья: острие колеблется по вертикали, либо по горизонтали на расстоянии от образца

При контакте амплитуда колебаний падает и сигнал поступает.

Режим постоянной силы и постоянного отклонения

Постоянная сила это такая сила, которая возникает между зондом и образцом и регулируется пьезодвигателем (с целью поддержания её постоянства). Этот режим используется если размер неровностей образца составляет 1 нм.

Переменная сила используется для сканирования моно атомных областей размером не более 10 нм.