Исследование типов поверхности при помощи атомно-силового микроскопа

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].

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

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)

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).

Рис. 3. Изображение Al2O3, при использовании острого

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).

Рис. 5. АСМ-изображение поверхности без искажений

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.