3. Контактна атомно-силова мікроскопія

Умовно методи одержання інформації про рельєф і властивості поверхні за допомогою АСМ можна розбити на дві великі групи – контактні квазістатичні і безконтактні коливальні. У контактних квазістатичних методиках вістря зонда перебуває в безпосереднім зіткненні з поверхнею, при цьому сили притягання і відштовхування, що діють із боку зразка, урівноважуються силою пружності консолі. При роботі АСМ у таких режимах використовуються кантилевери з відносно малими коефіцієнтами твердості. Це дозволяє забезпечити високу чутливість і уникнути небажаного надмірного впливу зонда на зразок.

У квазістатичному режимі АСМ зображення рельєфу поверхні формується або при постійній силі взаємодії зонда з поверхнею (сила притягання або відштовхування), або при постійній середній відстані між підставою зондового датчика та поверхнею зразка. При скануванні зразка в режимі система зворотного зв'язка підтримує постійною величину вигину кантилевера, а отже, і силу взаємодії зонда зі зразком (рис. 2.9). При цьому керуюча напруга в петлі зворотного зв'язка, що подається на Z-електрод сканера, буде пропорційна рельєфу поверхні зразка.

Рисунок 2.9 – Формування АСМ зображення при постійній силі взаємодії зонда зі зразком

При дослідженні зразків з малими (порядку одиниць ангстрем) перепадами висот рельєфу застосовується режим сканування при постійній середній відстані між підставою зондового датчика і поверхнею (Z=const). У цьому випадку датчик рухається на деякій середній висоті Zср над зразком (рис.2.10), при цьому в кожній крапці реєструється вигин консолі ∆Z, пропорційний силі, що діє на зонд із боку поверхні. АСМ зображення в цьому випадку характеризує просторовий розподіл сили взаємодії зонда з поверхнею.

Недолік контактних методик - безпосередня механічна взаємодія зонда з поверхнею. Це часто приводить до поломки зондів і руйнуванню поверхні зразків у процесі сканування. Крім того, контактні методики практично не придатні для дослідження зразків, що володіють малою механічною твердістю, таких як структури на основі органічних матеріалів і біологічні об'єкти.

Рисунок 2.10 – Формування АСМ зображення при постійній відстані між зондовим датчиком і зразком

4. Коливальні методики асм

Для дослідження зразків, що мають малу механічну твердість застосовуються коливальні АСМ методики, основані на реєстрації параметрів взаємодії коливного кантилевера з поверхнею.

Точний опис коливань кантилевера зондового датчика являє собою складне математичне завдання. Однак основні риси процесів, що відбуваються при взаємодії коливного кантилевера з поверхнею, можна зрозуміти на основі моделі зосередженої маси. У цій моделі кантилевер представляється у вигляді пружної консолі (із твердістю k) із зосередженою масою m на одному кінці і закріпленому іншому кінці на п’єзовібраторі ПВ (рис. 2.11).

Рисунок 2.11 – Модель зондового датчика у вигляді пружної консолі з масою на кінці

Відповідно до цієї моделі наявність у системі дисипації зводиться, в основному, до зменшення амплітуди коливань і розширенню амплітудно-частотної (АЧХ) і фазо-частотної (ФЧХ) характеристик системи (рис. 2.12).

Рисунок 2.12 – Зміна АЧХ і ФЧХ у системі з дисипацією ( – резонансна частота дисипативної системи, ω_об – власна резонансна частоти коливань кантилевера, Q – добротність системи)