Принцип работы атомно-силового микроскопа (АСМ) основан на зондировании поверхности образца острой иглой, которая сканирует вдоль плоскости образца. Острие находится на свободном конце кантилевера ‑ гибкой пластины, закрепленной вторым концом на сканере. Острие взаимодействует с поверхностью, сила взаимодействия вызывает изменение механического состояния кантилевера, например, заставляет кантилевер отклоняться. При сканировании величина отклонения кантилевера от предварительно установленного значения измеряется при помощи регистрирующей системы. Сигнал, пропорциональный отклонению, поступает в систему управления сканером (исполнительным элементом на рис. 10). В каждой сканируемой точке поверхности система обратной связи при помощи сканера перемещает зонд по нормали к поверхности таким образом, чтобы вернуть значение параметра взаимодействия к предварительно установленной величине. Одновременно величина перемещения зонда по нормали к поверхности записывается в память компьютера и интерпретируется как рельеф образца.
Обычно в АСМ используются зонды кантилеверного типа. Такой зонд состоит из гибкого кантилевера, острой иглы и подложки. Кантилевер является балкой, один конец которой закреплен, а второй свободен. Острая игла находится на свободном конце кантилевера. Кантилевер закреплен на твердой подложке, которая вставляется в держатель зонда. Острие обычно имеет радиус кривизны окло 10 нм и длину 3 – 15 микрон. Чем меньше радиус кривизны, тем большее разрешение может быть получено. Большинство кантилеверов имеет треугольную (V-образную) или прямоугольную форму. Обычно, кантилеверы имеют длину 80 – 350 микрон. Основными материалами, из которых изготовляются кантилеверы, являются кремний и нитрид кремния. Важными параметрами кантилевера являются коэффициент упругости (жесткость) и резонансная частота. Величина коэффициента упругости определяется геометрическими размерами и материалом кантилевера и для различных кантилеверов лежит в интервале от 0.01 до 100 Н/м.
При приближении острия кантилевера к поверхности образца на него начинает действовать сила ван-дер-ваальсового притяжения. Она достаточно дальнодействующая и заметна с расстояния десятков ангстрем. Затем на расстоянии в несколько ангстрем начинает действовать сила отталкивания. Во влажном воздухе на поверхности образца присутствует слой воды. Возникают капиллярные силы, дополнительно прижимающие острие зонда к образцу и увеличивающие минимально достижимую силу взаимодействия. Достаточно часто может возникать электростатическое взаимодействие между зондом и образцом. Это может быть как отталкивание, так и притяжение. Ван-дер-ваальсовы силы притяжения, капиллярные, электростатические силы, силы отталкивания в области касания иглы с поверхностью образца и силы, действующие на иглу со стороны деформированного кантилевера, в равновесии компенсируют друг друга.
Физической основой работы АСМ является силовое взаимодействие острия зонда и поверхности. В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основным является то, что зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых. Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли (кантилевера) зондового датчика. В АСМ для этой цели широко используются оптические методы (рис. 11). Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно‑чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.
Рис.11. Схема оптической регистрации изгиба
консоли зондового датчика АСМ
С точки зрения типа и степени взаимодействия режимы работы АСМ можно разделить на контактный, бесконтактный и «полуконтактный», который является промежуточным между контактным и бесконтактным. В контактном режиме острие зонда непосредственно контактирует с поверхностью образца в процессе сканирования. Соответственно, в бесконтактном режиме острие зонда непосредственно не контактирует с поверхностью, а в «полуконтактном» контактирует частично. Бесконтактный и полуконтактный режимы работы АСМ реализованы на основе использования модуляционных методик.
Существует три метода измерения топографии поверхности при помощи атомно-силового микроскопа:
‑ контактная АСМ ‑ измерение топографии поверхности в контактном режиме;
‑ бесконтактная АСМ ‑ измерение топографии поверхности в бесконтактном режиме, основанном на использовании вибрационной методики;
‑ «полуконтактная» АСМ, называемая также «прерывисто-контактной», которая соответствует измерению топографии поверхности на основе вибрационной методики, при которой колеблющееся острие зонда слегка стучит по поверхности образца.
Работа прибора в режимах контактной АСМ и «полуконтактной» АСМ является основой для других методик атомно-силовой микроскопии.
Основным недостатком контактных АСМ методик является непосредственное механическое взаимодействие острия зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов и биологические объекты.
АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью позволяют существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методик существенно расширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов. На практике чаще используется так называемый «полуконтактный» режим колебаний кантилевера (иногда его называют «прерывисто-контактный». При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 – 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца. При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаимодействие кантилевера с поверхностью в «полуконтактном» режиме состоит из ван-дер-ваальсового взаимодействия, к которому в момент касания добавляется упругая сила, действующая на кантилевер со стороны поверхности. Формирование АСМ изображения поверхности в «полуконтактном» режиме происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте кантилевера. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне, задаваемом оператором. Напряжение в петле обратной связи записывается в память компьютера в качестве АСМ изображения рельефа поверхности. Одновременно при сканировании образца в каждой точке может регистрироваться изменение фазы колебаний кантилевера, которое записывается в виде распределения фазового контраста.