6. Контактная емкостная микроскопия.

Используя проводящий кремниевый кантилевер и контактный модуляционный режим АСМ, существует возможность исследовать диэлектрические участка поверхности. Такой метод называется контактной емкостной микроскопией. Для осуществления данного метода образец и зонд приводятся в жесткий контакт. Образец заземляется, а на зонд подается переменное напряжение. При этом кантилевер будет совершать колебания, амплитуда которых определяется диэлектрическими свойствами исследуемого образца. Методом контактной емкостной микроскопии изучаются, как правило, сегнетоэлектрические и полупроводниковые материалы. При этом емкость вносит добавочный вклад в упругую силу между зондом и поверхностью образца. В случае сегнетоэлектриков в упругую силу добавляется вклад, обусловленный обратным пьезоэффектом. Также возможно проводить измерения полного импеданса в процессе сканирования образца. Это позволяет получить дополнительную информацию об исследуемом образце.

Полная электрическая емкость контакта зонд-образец:

С =π RC₀z, (*)

где z - сближение образца и зонда за счет деформации, С₀ - удельная (приходящаяся на единицу площади) емкость контакта. При этом предполагается, что удельная емкость С₀ не зависит от площади контакта (то есть от степени прижима зонда к образцу) при малых деформациях. В рассматриваемом случае С₀ может быть обусловлена оксидными плёнками или двойным электрическим слоем на поверхности образца.

Используя выражение для энергия зараженного конденсатора с учетом (*) получим

Используя выражения для силы, действующей на зонд, F=dE/dz, и переменного напряжения, подающегося на консоль U=U₀ cos(ωg t), то из (*) получаем

где ωg - частота возбуждающего сигнала, U₀ - амплитуда переменного напряжения. Тогда уравнение колебаний для зонда принимает вид

В случае, когда ω₀ >> g и ωg << ω₀ при t получаем установившиеся колебания кантилевера, используемые в контактной емкостной спектроскопии при низких частотах возбуждающего сигнала.

Особенностью данного случая является то что, при подачи переменного синусоидального напряжения колебания возникают вследствие прижима зонда к поверхности образца.

Таким образом, колебания консоли в контактном режиме можно использовать для получения распределения диэлектрических свойств по поверхности образца.

7. Общие принципы магнито-силовой микроскопии. Сила воздействия зонда с полем образца.

Данный прибор представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала с удельной намагниченностью M ( r ).

В качестве простейшей модели рассмотрим МСМ зонд в виде одиночного магнитного диполя, характеризующегося магнитным моментом m. Потенциальная энергия такой системы равна w = −(mH).

В поле H на магнитный диполь действует сила f = − grad(w) и момент сил, равный N = [ mH ]. В однородном магнитном поле сила f = 0, так что на диполь действует лишь момент сил, который разворачивает магнитный момент m вдоль поля. В неоднородном поле диполь втягивается в область с большей напряженностью H.

В общем случае магнитный момент зонда МСМ можно представить как суперпозицию диполей вида M (r)dV, где M - удельная намагниченность магнитного покрытия, dV - элементарный объем.

Тогда полная энергия магнитного взаимодействия зонда и образца

(интегрирование проводится по магнитному слою зонда). Отсюда сила взаимодействия зонда с полем образца равна

Соответственно Z–компонента силы:

Помните что выделено жирным в етом пунке (пример - H M r) ети все величины векторные!!! Следовательно имеет обозначения Векторное