2.Атомно-силовая микроскопия

2.1.Устройство и принцип работы асм Femtoscan Online

Основные компоненты СЗМ Все сканирующие зондовые микроскопы содержат следующие компоненты: Микроскопический зонд, который взаимодействует с исследуемой поверхностью во время сканирования. Пьезоэлектрические двигатели (сканеры) для перемещения зонда относительно образца или образца относительно зонда. Электронная цепь обратной связи, позволяющая с высокой точностью контролировать расстояние от зонда до поверхности образца. Компьютерная система, которая управляет микроскопом, принимает и записывает регистрируемые данные, строит СЗМ изображения и позволяет их обрабатывать. Система регистрации взаимодействия зонда и поверхности (для атомно-силовых микроскопов – оптическая система регистрации малых изгибов консоли кантилевера).

Устройство атомно-силового микроскопа Femtoscan Online представлено на рис 1.

Рис.1. Устройство атомно-силового микроскопа

Принцип работы АСМ основан на силовом взаимодействии между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики (кантилеверы), представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце.

Процесс исследования образца методом АСМ происходит следующим образом. Исследуемый образец крепится к столику пьезоэлектрического сканера, который с высокой точностью перемещает его относительно зонда с использованием развертки по строкам и по кадру. Вначале образец приближается к зонду вручную на безопасное расстояние (без контакта), а затем автоматически с помощью системы позиционирования зонда – непосредственно к поверхности образца до контакта (0.1-10нм).

Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Система обратной связи отслеживает и поддерживает положение зонда относительно поверхности (либо постоянное расстояние зонд-образец в режиме постоянной высоты, либо постоянное взаимодействие в режиме постоянной силы). Регистрируя величину изгиба с помощью оптической системы, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью и получать информацию о топографии и свойствах поверхности. Регистрируемый сигнал записывается, обрабатывается компьютером, который формирует сканированное изображение рельефа поверхности и строит его с помощью графических средств.

Силы взаимодействия между зондом и поверхностью

Характер взаимодействия зонда с поверхностью достаточно сложен. Он определяется свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. При исследовании незаряженных поверхностей на воздухе основной вклад в силовое воздействие зонда и образца дают силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца (силы Ван-дер-Ваальса), а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата на поверхности образца.

Наиболее часто энергию Ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса (рис. 2):

(1)

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r₀ – равновесное расстояние между атомами, U₀ – значение энергии в минимуме.

Рис. 2. Вид потенциала Леннарда-Джонса

При больших расстояниях между атомами острия зонда и поверхности (правая часть кривой) они не взаимодействуют. При сближении они начинают сначала слабо, а затем все сильнее притягиваться. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока электронные облака атомов не начнут электростатически отталкиваться. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем, что приблизительно соответствует длине химической связи. Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.