Атомно-силовой микроскоп
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
вера, 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 .
3. Конструкция атомно-силового микроскопа
Кантилевер (от англ. cantilever - консоль, балка) - одна из основных составных частей сканирующего зондового микроскопа представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,53,50,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. На нижнем конце кантилевера располагается игла, взаимодействующая с образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5 - 90 нм, лабораторных - от 1 нм.
Верхняя сторона кантилевера над иглой является зеркальной для отражения лазерного луча. В некоторых случаях для улучшения отражающей способности кантилевера на него напыляют тонкий слой алюминия. По своей структуре кантилевер чаще всего представляет собой монокристалл кремния или нитрида кремния. Игла также может быть из кремния, нитрида кремния или алмаза.
Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:
Жёсткий корпус, удерживающий систему
Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется
Устройства манипуляции
В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.
Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для "грубого" регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая - для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон).
В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещания на расстояния порядка ангстрем.
Зонд
Система регистрации отклонения зонда
Существует несколько возможных систем:
Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)
Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)
Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)
Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)
Система обратной связи
Управляющий блок с электроникой
4. Принцип работы
Рис1. Схема работы атомно-силового микроскопа
Рассмотрим подробнее, какие силы действуют между зондом и исследуемой поверхностью. Для начала обратимся к взаимодействию двух атомов (молекул).
На небольших расстояниях все атомы и молекулы притягиваются. Это притяжение имеет чисто квантовую природу. Оно связано с коррелированными, то есть согласованными колебаниями электронов в обоих атомах. Энергия пары атомов, где электроны смещены (поляризованы) одинаковым образом, - чуть меньше, чем энергия пары неполяризованных атомов. И энергия эта спадает с расстоянием между атомами как 1/r6.
Общая энергия взаимодействия атомов приближённо описывается формулой Леннарда-Джонса (потенциал типа (6-12)):
U(r)=E0((rmin/r)12-(rmin/r)6)
Здесь первое слагаемое отвечает за отталкивание, оно начинает работать при малых расстояниях, когда вторым, притяжением, уже можно пренебречь. При этом r0 - это расстояние между атомами, соответствующее минимальной энергии системы, то есть наиболее выгодной, а rmin - расстояние, при котором энергия взаимодействия обращается в нуль.
Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером . Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.
Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса , которые сначала