От авторов

Инструментальный программно-методический комплекс "Виртуальный атомно-силовой микроскоп" посвящен изучению основ работы на атомно-силовом микроскопе. ИПМК содержит краткую теоретическую часть, в которой отражены основные понятия сканирующей зондовой микроскопии и атомно-силовой микроскопии в частности. Кроме того, ИПМК содержит три лабораторные работы, которые позволят Вам освоить проведение измерений на атомно-силовом микроскопе в контактном и полуконтактном режимах, а также получить первый опыт обработки и анализа СЗМ данных.
Желаем удачи при работе с ИПМК "Виртуальный атомно-силовой микроскоп" и в освоении удивительной методики Сканирующая Зондовая Микроскопия!!!

Сканирующая зондовая микроскопия - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному кругу исследовательских групп, в современный и успешно применяемый инструмент для исследования свойст поверхности твердых тел. В настоящее время практически ни одно исследование физики поверхности не обходится без применения СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило толчком для развития нанотехнологий. [1]

Подробно рассмотрим термин сканирующая зондовая микроскопия

Сканирующая - изображение исследуемой области строится поточечно построчно, при этом в каждый момент времени регистрируется взаимодействие в единственной точке поверхности образца. Сканирование осуществляется с использованием специальных прецизионных подвижек - сканеров, позволяющих перемещать образец (зонд) с субнанометровой точностью.

Зондовая - для регистрации локального взаимодействия с поверхностью исследуемого образца используются специализированные зондовые датчики (Рис. 1), как правило, имеющие нанометровый радиус закругления кончика. В по типу регистрируемого взаимодействия зондовые датчики можно разделить на туннельные (Рис. 1а), силовые (Рис. 1в) и ближнеполные оптические (Рис. 1б).

Микроскопия - получение увеличенных изображений поверхности исследуемого образца за счет детекции и картирования различных характеристик (например туннельного тока).

По типу регистрируемого взаимодействия СЗМ раделяется на три основных измерительных класса: сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ) и сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ).

Атомно-силовая микроскопия

На сегодняшний день, наибольшее распространение получила атомно-силовая микроскопия. Популярность АСМ объясняется широкими исследовательскими возможностями, простотой в релизации и использовании, а также нанометровом и субнанометровом разрешении [2].

Рисунок 2. Зависимость силы Ван дер Ваальса, взаимодействия между зондовым датчиком и поверхностью образца, от расстояния между поверхностью и кончиком зонда.

В исследованиях используются специализированные силовые зондовые датчики (Рис. 1в), состоящие из: кантилевера - специальной упругой балки длиной около 100-200 мкм с заданным коэффициентом жесткости; зонда - конуса или пирамиды расположенной на конце кантилевера и имеющего нанометровый радиус закругления. Коэффициент жесткости кантилевера определяет диапозон рабочих сил взаимодействия между зондовым датчиком и поверхностью образца, а радиус закругления зонда - разрешение методики.

При приближении к поверхности образца кантилевер изгибается за счет межатомарного взаимодействия (сил Ван дер Ваалсьа) между кончиком зонда и поверхностью исследуемого образца. На достаточно больших расстояниях (до 10 нм) наблюдаются слабые силы притяжения (Рис. 2), на меньших расстояниях переходящие в силы отталкивания. В зависимости регистрируемого взаимодействия выделяют два основных режима (моды) работы АСМ: контактный и бесконтактный(полуконтактный).

Для регистрации взаимодействия зондового датчика с поверхностью образца используется оптическая схема (Рис. 3). На верхнюю поверхность кантилевера (с предварительно нанесенным отражающим покрытием) фокусируется лазер, после отражения лазер фокусируется на специальный четырехквадрантный фотодиод. По смещению пятна на фотодиоде определяется сила взаимодействия. При изгибе кантилевера вверх под действием силы отталкивания происходит смещения пятна вверх, данной смещение может быть зарегистрированно по появлению разницы фототоков верхней и нижней половин фотодиода (сигнал DFL). По смещению пятна на фотодиоде вправо и влево можно судить о кручении кантилевера за счет сил трения с поверхностью исследуемого образца (сигнал LF).

Рисунок 3. Оптическая система регистрации изгиба канитилевера в атомно-силовом микроскопе.

Во время сканирования система отрицательной обратной связи, управляющая z-сканером, поддерживает постоянным величину изгиба кантилевера, перемещая образец вверх и вниз. При этом информация о морфологии поверхности исследуемого образца может быть получена из напряжения, подаваемого на z-сканер. Величина подедрживаемого изгиба (Set Point) задается оператором перед началом измерений. Скорость работы обратной связи определяется коэффициентом усиления обратной связи (параметр FB Gain). В случае слишком медленной обратной связи особенности рельефа будут регистрироваться неточно, будет наблюдаться "размазывание" резких перепадов высот, а также возможны самопроизвольные выходы из обратной связи, которые чреваты преждевременным износом зондового датчика. Слишком быстрая обратная связь может войти в режим возбуждения, что приведет к появлению высокочастотных шумов на получаемых изображениях.

Конкретная реализация атомно-силового микроскопа зависит от выбранного режима измерений. В контактном режиме регистрируется статический изгиб кантилевера, в то время как в бесконтактном/полуконтактном режиме регистрируется амплитуда его вынужденных колебаний, что обусловленно слишком малыми величинами сил притяжения между зондовым датчиком и поверхностью образца. Детальную информацию о работе в контактном и полуконтактном режимах АСМ вы можете найти в ведении перед лабораторными работами №1 и №2 соответственно. Для перехода к выполнению лабораторных работ перейдите на главную страницу.

Используемая литература

[1] В.Л. Миронов Основы сканирующей зондовой микроскопии. Н. Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004.

[2] G. Binning, C.F.Quate, Ch.Gerber. Atomic Force Microscope. Phys.Rev.Lett., V.56, N.9, 1986, pp. 930-933.

[3] Ю.С. Бараш Силы Ван-дер-Ваальса. М.: "Наука", 1988б 344 с.

Примеры результатов атомно-силовой микроскопии

Рисунок 4. Примеры АСМ изображений: (а) Атомарная решетка MoTe2 8х8 нм; (б) Аморфное металлическое стекло 30х30 мкм; (в) Биологическая клетка E-coli 3x3 мкм.