Работа атомно-силового микроскопа

Применение сканирующих туннельных микроскопов ограничено тем, что они могут использоваться только для изучения поверхности электропроводящих материалов.

1986 г в лаборатории цюрихского отделения IBM были созданы микроскопы следущего поколения — атомно-силовые (ACM). ACM тоже позволяет исследовать поверхности с атомной томностью, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Сегодня именно он представляет наибольший интерес для исследователей.

Принцип действия атомно-силового и туннельного микроскопов практически одинаковы (рис. 5.7.1), только в отличие от туннельного, атомносиловой микроскоп основан на использовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0.1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталкивания (рис. 5.7.2−6), а на больших — силы притяжения (рис. 5.7.2-а).

Рис. 5.7.1 Принцип работы атомно-силового микроскопа.

Рис. 5.7.2-а, б Принцип работы атомно-силового микроскона (межатомные связи) ;асилы притяжения. бсилы отталкивания.

В сканирующем атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. В качестве зонда в ACM обычно используется алмазная игла. При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и это регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

На рис. 5.7.3 схематически представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния между острием иглы и образцом.

Рис. 5.7.3 зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием иглы и образцом.

По мере приближения иглы к поверхности, ее атомы все сильней притягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать пока игла и поверхность не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около 0,2 нм.

Подобно СТМ в ACM сканирование поверхности может происходить двумя способами: сканирование кантилевером и сканировснис подложкой. В первом случае вдоль исследуемой поверхности движется кантилевер, во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка.

Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используют метод, основанный на регистрации отклонения лазерного луча, отраженного от кончика зонда (рис. 5.7.4). Луч направляется на самый кончик кантилевера, покрытый специальным алюминиевым зеркальным слоем, после чего попадает вспециальный четырёхсекционный фотодиод.

Рис. 5.7.4 Схема регистрации отклонения лазерного луча от начального откалиброванного положения.

Таким образом, малейшие отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, что, в свою очередь, меняет сигнал с фотодиода, показывающего смещения кантилевера в ту или иную сторону. Такая система позволяет измерять отклонения луча на угол 0,1°, что соответствует отклонению кантилевера всего на сотые доли нанометра.

Поскольку ACM не требует, чтобы образцы были проводящими, он позволяет исследовать свойства проводников и изоляторов, молекул ДНК и других мягких материалов.

Дальнейшее развитие зондовой микроскопии показало, что изложенный принцип может быть реализован практически для любого вида взаимодействия острия зонда с поверхностью.

ACM позволяет получать изображение поверхности с очень высокой точностью (вплоть до ангстремов), превышающей точность сканирующих туннельных микроскопов. Данное обстоятельство объясняется тем, что в ACM нет ограничений на близость острия зонда к исследуемой поверхности, так как ACM применяют для изучения материалов-диэлектриков, в которых токи не возникают. Помимо того, что в ACM нет ограничений на расстояние между зондом и поверхностью исследуемого образца, точность можно повысить и засчёт улучшения характеристик материала кронштейна (кантиллевера). Возникающие в кронштейне слабые упругие напряжения регистрируются с достаточно высокой точностью (около 1 нН), что соответствует атомарному уровню разрешения для структуры. Результаты сканирования поверхности при помощи ACM могут рассматриваться как преимущественная информация по отношению к результатам, полученным в ходе исследования сканирующим зондовым микроскопом, что даст дополнительные возможности для анализа и сравнения данных. На современном этапе развития исследований материалов применение ACM становится все более востребованным. Так, например, ACM используется в экспериментах по измерению некоторых других характеристик поверхности (например, магнитных или электростатических сил, а также адсорбционных и иных параметров) [8,10,12].