Атомно-силовая микроскопия.

Цель работы.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) – основной метод исследования морфологии и локальных механических, электрических, магнитных и других свойств поверхности твердого тела с субнанометровым пространственным разрешением. АСМ относятся к многочисленному семейству сканирующих зондовых микроскопов.

Атомно-силовой микроскоп был изобретен Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербертом в 1986 году и позволил добиться атомарного разрешения как на проводящих, так и на не проводящих образцах различной природы.

Цель лабораторной работы:

1. Получение АСМ - изображения тестовых объектов с удаленным доступом.

2. Освоение стандартных процедур обработки изображения на тестовых объектах.

3. Освоение основных процедур для анализа топологии поверхности.

4. Знакомство с галереей АСМ-изображений.

Основные сведения о сканирующей зондовой микроскопии.

Сравнительные характеристики различных методов микроскопического исследования поверхности приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика различных методов микроскопического исследования поверхности твердых тел.

Первые четыре из них основаны на использовании сфокусированного пучка частиц (фотонов, электронов, ионов и др.). В отличие от них, сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) основана на регистрации взаимодействия микроскопического зонда с поверхностью образца во время сканирования.

Предел разрешения оптических микроскопов ограничен длиной волны видимого света и составляет около 0,5 мкм. Сканирующий электронный микроскоп, работающий только в вакууме, позволяет разрешать детали нанометрового масштаба, но при этом возможно повреждение образца пучком высокоэнергетичных электронов. Этот метод также не позволяет непосредственно получать информацию о высоте деталей. СЗМ дает возможность не только увидеть атомарную и молекулярную структуру поверхности, не разрушая ее, но и воздействовать на нее на уровне отдельных атомов и молекул.

Сканирующая зондовая микроскопия дает возможность исследовать объекты различной природы – диэлектрические, полупроводниковые, металлические, биологические и др.

СЗМ позволяет изучать структуру и локальные свойства (механические, электрические, магнитные, электронные и т.д.) поверхности в различных средах - на воздухе, в жидкости, в вакууме.

Исследования методом СЗМ можно проводить в широком диапазоне температур - от низких (гелиевых) до 150-300^оС.

Поле наблюдения сканирующего зондового микроскопа может варьироваться от нескольких нанометров до десятков микрометров.

Особенно важна наглядность представляемой информации. В СЗМ–микроскопии она представляется в виде двухмерных (2D) и трехмерных (3D) изображений и обычно не возникает проблем их интерпретации в отличие от изображений, полученных с помощью электронного микроскопа, на которых не всегда ясно, где на картине впадина, а где возвышенность.

Фактически, СЗМ «проецирует» объекты нано- и микромира на доступный нашему восприятию «экран» - компьютер.

Эти особенности определили основные области применения СЗМ - микроскопии, которая широко используется в физике, химии, геологии, биологии, биотехнологии, нанотехнологии, медицине и на стыке этих наук.

Области применения СЗМ.

1) «Нанометрия».

Исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности, электрофизических, адгезионных свойств поверхности, проводимости, процессов химического или ионного травления, процессов адсорбции, изучение доменной структуры сегнетоэлектрических материалов, процессов самоорганизации квантовых точек и нанометровых островков на поверхности полупроводников, исследование модификации поверхности кристаллов и пленок внешними воздействиями, наблюдение дефектов, кластеров, наноидентирование и т.д.

2) Нанотехнология.

В данном разделе необходимо рассматривать два аспекта:

· во-первых, СЗМ можно применять для исследования используемых в нанотехнологии материалов.

С помощью СЗМ - микроскопии наблюдают наноструктурированные материалы различного назначения; тонкие пленки, гетероструктуры, приповерхностные слои, магнитотвердые и магнитомягкие материалы, нанопористые материалы (катализаторы, адсорбенты и т.п.), нанокомпозиты; фуллерены, фуллериты, нанотрубки и композиты на их основе. Методом СЗМ можно исследовать локализацию p-n переходов, тестовые решетки, интегральные схемы, CD и DVD диски.

· во-вторых, зондовый микроскоп сам служит инструментом для нанотехнологии.

Методы АСМ и СТМ (сканирующей туннельной микроскопии) позволяют проводить динамическую и анодно-окислительную нанолитографию, получать полимеры с внедренными наночастицами, контролируемо перемещать атомы и т.п.

3) Биология и биотехнология.

СЗМ широко используется для биологических исследований, поскольку позволяет проводить измерения в жидких средах с молекулярным разрешением. Этим методом исследуют биополимеры, макромолекулы, белки, ДНК, вирусы, бактерии, клетки крови, ткани и т.д.

Существуют два основных метода в сканирующей зондовой микроскопии – сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия. Остановимся более подробно на принципах работы АСМ.

Атомно-силовая микроскопия.