Силы взаимодействия между зондом и поверхностью.

Характер взаимодействия зонда с поверхностью достаточно сложен. Он определяется свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. При исследовании незаряженных поверхностей на воздухе основной вклад в силовое воздействие зонда и образца дают силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца (силы Ван-дер-Ваальса), а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата на поверхности образца.

Наиболее часто энергию Ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса (рис. 2):

(1)

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r₀ – равновесное расстояние между атомами, U₀– значение энергии в минимуме.

Рис. 2. Вид потенциала Леннарда-Джонса

При больших расстояниях между атомами острия зонда и поверхности (правая часть кривой) они не взаимодействуют. При сближении они начинают сначала слабо, а затем все сильнее притягиваться. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока электронные облака атомов не начнут электростатически отталкиваться. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем, что приблизительно соответствует длине химической связи. Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.

Кантилеверы.

Основным элементом атомно-силового микроскопа является зондовый датчик (кантилевер), представляющий собой упругую консоль (пружину) с известной константой упругости и с острым зондом на свободном конце (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение кантилевера АСМ.

Кантилеверы изготавливаются из кремния и для лучшего отражения их обратную часть покрывают золотой пленкой.

К основным характеристикам зондового датчика относятся радиус закругления острия зонда, константу упругости консоли и резонансную частоту. Обычно используются зонды с радиусом закругления острия порядка 10 нм, но в последнее время появились зонды с выращенными на острие «усиками» с радиусом закругления 1-3-нм, которые используются для получения высокого разрешения при исследовании объектов с размерами в несколько нанометров.

Константы упругости консоли должны быть меньше, чем константы упругости между атомами в твердом теле (порядка 10 Н/м), чтобы не разрушать при сканировании образец. Для контактного режима АСМ используются кантилеверы с низкими константами упругости (порядка 0.01-10 Н/м), т.к. они отклоняются при сканировании без деформации исследуемой поверхности.

Упругая деформация кантилевера (изгиб и кручение) регистрируется оптической системой, состоящей из лазера и четырехсекционного фотодиода (A,B,C,D). Луч полупроводникового лазера, закрепленного на измерительной головке, фокусируется на конце консоли кантилевера, а отраженный луч настраивается так, чтобы попадать в центр фотодиода (рис.1).

Контролируемое позиционирование образца по X,Y,Z с точностью до 0.001нм осуществляется пьезодвигателями (пьезосканерами). Используемые в них пьезокерамические материалы (наиболее распространенный материал – цирконат-титанат свинца) изменяют свои размеры под действием приложенного к ним электрического напряжения (пьезоэлектрический эффект).

Разрешение в АСМ.

Разрешающая способность АСМ в нормальном и латеральном направлениях сканирования оценивается по-разному. Она определяется качеством зонда и чувствительностью системы регистрации отклонений кантилевера.

В направлении z (т.е. по нормали) разрешающая способность АСМ определяется уровнем шумов пьезосканера, кантилевера и элементов электронного блока (предусилителя, цепи обратной связи, высоковольтных усилителей). Минимальное изменение z-координаты зонда при сканировании, детектируемое на уровне шумов, может служить критерием разрешающей способности по нормали к исследуемой поверхности. В зависимости от параметров эксперимента предел разрешения по нормали составляет доли-единицы ангстрем.

Латеральное разрешение определяется двумя факторами: размером шага изображения и минимальным радиусом острия зонда.

Если АСМ - изображение имеет размер более, чем 1х1 мкм², то разрешение определяется величиной шага изображения (например, скан 1х1 мкм² при формате данных 512х512 точек будет иметь размер шага и разрешение 20Å). В случае исследования молекулярной или атомной структуры предельное разрешение будет достигнуто только в том случае, если с исследуемой поверхностью будет взаимодействовать один крайний атом острия зонда, что реально не реализуется.

Во всех случаях атомно-силовой микроскопии, чем острее зонд, тем выше будет разрешение.

Практическая часть.