Библиографическое описание:

Шеин А. В., Карпутин В. С. Исследование типов поверхности при помощи атомно-силового микроскопа // Молодой ученый. — 2016. — №13. — С. 274-278.



Атомно силовой микроскоп (рисунок 1) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Ввиду способности не только сканировать, но и манипулировать атомами назван силовым [1].

C:\Users\Ain\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\202e653bbb6f5e2fc2f06eed8a0b3cca.jpg

Рис.1. Изображение атомно-силового микроскопа

Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера, а также перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, что может потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют ПО, которое вносит исправления в реальном масштабе времени, либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы. Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используют XY и Z элементы сканера механически несвязанные друг с другом, что так же позволяет исключить часть паразитных связей.

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

  1. Контактный
  2. Полуконтактный
  3. Бесконтактный

C:\Users\CiteCat\Desktop\Дип\111862_html_6ba9b4c4.png

Рис. 2. Схема работы атомно-силового микроскопа

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью. Сканирование осуществляется в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом.

Достоинства метода:

  1. Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость
  2. Наибольшая достижимая скорость сканирования
  3. Обеспечивает наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа

Недостатки метода:

  1. Наличие артефактов, связанных с присутствием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности
  2. При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности
  3. Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на резонансной частоте. Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. Система обратной связи поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако, возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний [2].

Достоинства метода:

  1. Отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность

Недостатки метода:

  1. Крайне чувствителен ко всем внешним шумам
  2. Наименьшее латеральное разрешение
  3. Наименьшая скорость сканирования
  4. Функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды
  5. Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования «уходят»

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа.

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера.

В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.

Достоинства метода:

  1. Наиболее универсальный из методов АСМ, позволяющий на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1–5 нм
  2. Латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности, устранены — упрощает интерпретацию получаемых изображений

Недостатки метода:

  1. Максимальная скорость сканирования меньше, чем в контактном режиме

Примеры поверхностей, полученных полуконтактным методом

Поверхность Al2O3, полученная полуконтактного режима работы (рисунки 3, 4).

C:\Users\CiteCat\Desktop\Дип\07-12-2015_13-47-55\3.jpg

Рис. 3. Изображение Al2O3, при использовании острого

C:\Users\CiteCat\Desktop\Дип\07-12-2015_13-47-55\80.jpg

Рис. 4. Изображение Al2O3, при использовании тупого кантилевера

Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений

Снятое на сканирующем зондовом микроскопе изображение трудно поддается расшифровке из-за присущих данному методу искажений. Результаты первоначального сканирования подвергаются математической обработке. Для этого используется программное обеспечение непосредственно поставляемое со сканирующего зондового микроскопа, что не всегда удобно из-за того, что в таком случае программное обеспечение оказывается установленным только на компьютере, который управляет микроскопом [3].

При сканировании методом атомно-силовой микроскопии возможно появление аппаратных эффектов (артефактов), искажающих реальную картину.

Появление артефактов может быть вызвано радом причин:

Например, оказывает влияние форма зонда. Например, если острие зонда скололось и зонд имеет нескольких вершин вместо одной, то наблюдается двоение (троение) объектов на изображении поверхности (рисунки 5, 6).

C:\Users\CiteCat\Desktop\Дип\htmlconvd-tpHrHf_html_m334bf02f.jpg

Рис. 5. АСМ-изображение поверхности без искажений

C:\Users\CiteCat\Desktop\Дип\htmlconvd-tpHrHf_html_50938fb9.jpg

Рис. 6. АСМ-изображение поверхности при наличии артефактов

Литература:

  1. В. Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. ИФМ РАН — г. Н.. Новгород, 2004г.
  2. Бухарев А. А., Бердунов Н.В, Овчинников Д. В., Салихов К. М. Микроэлектронника http://microtm.com/events/byspm2002/byspm202-p047–051.pdf
  3. Яминский И. В., Галлямов М. О. Сканирующая зондовая микроскопия. Основные принципы, анализ искажающих эффектов.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle