Основные сведения об устройстве атомно-силовых микроскопов

Атомно-силовая микроскопия фрагмента вала

Выполнили:

Рамазанов.А.А

Ширинов.Н.Н

Ваганов.Н.А

Сивяков.С.О

Евдокимов.А.Е

Горюнов.А.Ю

Руководитель практики:

канд. физ.-мат. наук, доцент

Годнева М.И.

Иваново 2019

Введение

Сканирующая зондовая микроскопия- Совокупность методов определения локальных, механических, электрических, магнитных и других свойств поверхности различных веществ и материалов с помощью микрозондов. Структуру и свойства покрытий текстильных материалов можно изучать различными методами в том числе и микроскопией – оптической, электронной и т.п. В данной работе мы будем изучать атомно силовой микроскоп.

Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США, как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа. Для определения рельефа поверхностей непроводящих тел использовалась упругая консоль (кантилевер), отклонение которой, в свою очередь, определялось по изменению величины туннельного тока, как в сканирующем туннельном микроскопе. Однако такой метод регистрации изменения положения кантилевера оказался не самым удачным, и двумя годами позже была предложена оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор. Такой метод регистрации отклонения кантилевера реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов. Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем. Стремление улучшить латеральное разрешение привело к развитию динамических методов. Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой и фазой. При приближении к поверхности на кантилевер начинают действовать силы, изменяющие его частотные свойства. Таким образом, отслеживая частоту и фазу колебаний кантилевера, можно сделать вывод об изменение силы, действующей со стороны поверхности и, следственно, о рельефе. Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой микроскоп (ЭСМ), ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами..В настоящее время зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся область техники и прикладных научных исследований.

1.Атомно-силовая микроскопия, принцип работы.

Принцип работы атомно-силового микроскопа (АС-микроскопа) основан на регистрации силы взаимодействия острого зонда с радиусом закругления порядка десятков нанометров с поверхностью исследуемого материала. В отличие от сканирующей туннельной микроскопии АСМ позволяет исследовать свойства поверхностей и сколов как металлов и полупроводников, так и диэлектриков.

В основу работы АС-микроскопа положена известная зависимость энергии Ван-дер-Ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, которую, как правило, аппроксимируют потенциалом Леннард-Джонса (рис. 1):

Рис. 1. Качественный вид потенциала Леннард-Джонса.

, (1) где U0 – значение энергии в минимуме; r0 – равновесное расстояние между атомами (Ван-дер-Ваальсов радиус). Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием между атомами. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях.

Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, но вид зависимости сохраняется.

Получение АСМ-изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли (кантилевера) зондового датчика.

Атомно-силовые микроскопы способны регистрировать очень малые силы (10⁻⁸÷10⁻¹³ Н и менее), характерные для межатомного взаимодействия. В специальных конструкциях АС-микроскопов регистрируемые значения силы достигают малых значений порядка 5·10⁻¹⁸ Н.

Основные сведения об устройстве атомно-силовых микроскопов

Атомно-силовой микроскоп зондирует поверхность образца тонкой иглой, длина которой составляет, как правило, несколько микрометров, а диаметр острия менее 10 нм. На рис. 2 схематически показан типичный зондовый датчик.

Рис.2. Изображение кантилевера и зонда. 1 – кремниевый чип; 2 – катилевер; 3 –игла.

Силы взаимодействия между иглой и поверхностью образца заставляют иглу с кантилевером изгибаться. Специальный Детектор регистрирует отклонение кантилевера при перемещении иглы вдоль поверхности образца или относительно иглы.

Наиболее распространена оптико-позиционная схема регистрации. В качестве регистрирующего элемента чаще всего используется 4-секционный координатно-чувствительный фотодетектор. Деформационные изгибы кантилевера регистрируются оптической системой (рис. 3) с 4-секционным координатно-чувствительным фотоприемником. Оптическая система атомно-силового микроскопа юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника.

а) б) Рис. 3. Схематическое изображение зондового датчика (а) и схема оптической регистрации изгиба катилевера (б); 1…4 – номер секции фотодиода.

Наиболее часто в качестве позиционно-чувствительных фото-приемников применяются 4-секционные полупроводниковые фотодиоды. Основные регистрируемые оптической системой параметры – это деформация изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (Fz) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонентов сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью.

Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I₀₁, I₀₂, I₀₃, I₀₄, а через I₁, I₂, I₃, I₄ − значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ΔI_i = = I_i − I_0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика Атомно-силового микроскопа. Действительно, разность токов вида:

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, направленной по нормали к поверхности образца (рис. 4 (а)), а комбинация разностных токов характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 4 (б)).

Рис.4. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде.

Значение Δ I_Z используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа. Система обратной связи (ОС) обеспечиваетΔ I_Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ΔZ равным ΔZ₀, задаваемому оператором (рис.5).

При сканировании образца в режиме ΔZ = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z=f(x, y). Пространственное разрешение Атомно силового микроскопа определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли.

Рис. 5. Схема блока сканирования атомно-силового микроскопа с регистрацией отклонения кантилевера по отклонению отраженного лазерного луча.

Процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе напоминает движение электронного луча в электронно-лучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии сначала в прямом, а потом в обратном направлении, а затем переходит на следующую строку. Полученные данные с помощью компьютера позволяют построить топографическое изображение поверхности (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. 3D-изображение поверхности анодированного оксида алюминия: а) в режиме визуализации ребер сетки; б) в режиме визуализации с заполнением граней сетки по правилу Фонга.

Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, формируемых цифроаналоговыми преобразователями. Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе и используется при исследовании распределения других аналитических откликов поверхности на обратном проходе.

Информация, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, хранится в виде СЗМ-кадра − двумерного массива целых чисел а_ij (матрицы). Физический смысл данных чисел определяется той величиной, которая оцифровывалась в процессе сканирования. Каждому значению пары индексов i, j соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования. Координаты точек вычисляются с помощью простого умножения соответствующего индекса на значение расстояния между точками, в которых производилась запись информации: x_i = x_0i, y_i = y_0j. Здесь x₀ и y₀ – расстояния между соседними точками вдоль осей X и Y, в которых производилась запись информации. Как правило, СЗМ-кадры представляют собой квадратные матрицы размером 2ⁿ (в основном 256×256 и 512×512 элементов). Визуализация СЗМ-кадров производится посредством компьютерной графики в основном в 3D и 2D изображений.

Пространственное разрешение Атомно-силового микроскопа определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АС-микроскопов, позволяющие получать атомарное разрешение для некоторых аналитических откликов, например, для распределения электронной плотности в режиме регистрации туннельного тока по поверхности образцов.

Управление положением зондового датчика атомно-силовых микроскопов относительно образца требует осуществлять и контролировать перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов – сканеров.

Разновидности

В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа:

1. Контактный

2. Полуконтактный

3. Бесконтактный