Кантилеверы
Основным элементом атомно-силового микроскопа является зондовый датчик (кантилевер), представляющий собой упругую консоль (пружину) с известной константой упругости и с острым зондом на свободном конце (рис. 3).
Рис. 3. Схематическое изображение кантилевера АСМ.
Кантилеверы изготавливаются из кремния и для лучшего отражения их обратную часть покрывают золотой пленкой.
К основным характеристикам зондового датчика относятся радиус закругления острия зонда, константу упругости консоли и резонансную частоту. Обычно используются зонды с радиусом закругления острия порядка 10 нм, но в последнее время появились зонды с выращенными на острие «усиками» с радиусом закругления 1-3-нм, которые используются для получения высокого разрешения при исследовании объектов с размерами в несколько нанометров.
Константы упругости консоли должны быть меньше, чем константы упругости между атомами в твердом теле (порядка 10 Н/м), чтобы не разрушать при сканировании образец. Для контактного режима АСМ используются кантилеверы с низкими константами упругости (порядка 0.01-10 Н/м), т.к. они отклоняются при сканировании без деформации исследуемой поверхности.
Упругая деформация кантилевера (изгиб и кручение) регистрируется оптической системой, состоящей из лазера и четырехсекционного фотодиода (A,B,C,D). Луч полупроводникового лазера, закрепленного на измерительной головке, фокусируется на конце консоли кантилевера, а отраженный луч настраивается так, чтобы попадать в центр фотодиода (рис.1).
Контролируемое позиционирование образца по X,Y,Z с точностью до 0.001нм осуществляется пьезодвигателями (пьезосканерами). Используемые в них пьезокерамические материалы (наиболее распространенный материал – цирконат-титанат свинца) изменяют свои размеры под действием приложенного к ним электрического напряжения (пьезоэлектрический эффект).
2.2.Контактный режим асм-микроскопии
По степени контакта между острием зонда и поверхностью исследуемого образца работа атомно-силового микроскопа может проходить в контактном, бесконтактном и полуконтактном (сочетание контактного и бесконтактного) режимах.
В контактном режиме (режиме отталкивания) острие кантилевера приходит в мягкий «физический контакт» (на расстояние 1-3 нм) с поверхностью образца. Кантилевер выбирается с низкой константой упругости, величина которой должна быть меньше, чем эффективная константа упругости, удерживающая атомы образца вместе. Для АСМ это означает, что скорее изогнется измерительная консоль, чем удастся прижать иглу к поверхности образца.
В контактном режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. Режим сканирования выбирается в зависимости от масштаба неровностей рельефа.
При сканировании образца в режиме постоянной силы (Fz=const) система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом. При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца. Режим постоянной силы используется в случае, если размер неровностей на поверхности образца составляет более 1нм.
При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью (Z=const). Зонд движется на некоторой средней высоте Zср над образцом, при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ΔZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Переменная сила используется для сканирования маленьких (не более 10х10нм) моноатомно гладких областей. Этот режим применяется для исследования строения поверхностных атомных сеток и моноатомных ступеней на поверхности кристаллов.
Однако в контактном методе зонд непосредственно механически воздействует на поверхность, что часто приводит в поломке зондов или разрушению поверхности образцов. Этот метод не может быть применен для исследования образцов с малой механической жесткостью поверхности. В этом случае желательно применять режимы АСМ, в которых регистрируют параметры взаимодействия колеблющегося с определенной частотой и амплитудой кантилевера (бесконтактный и полуконтактный).