Атомно-силовой микроскоп
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.
Рис 2. График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца
Силу взаимодействия зонда с образцом можно получить, если просуммировать все такие элементарные взаимодействия для каждого атома зонда.
Для зонда, характеризующегося некоторым радиусом кривизны R и абсолютно плоского образца, в приближении механики сплошных сред сила притяжения будет пропорционально R/z2 (формула Гамакера), отталкивания примерно 1/z8.
Для того, чтобы почувствовать данное взаимодействие атома с атомом, необходимо, чтобы зонд был атомных размеров. Реальные зонды имеют размеры от десятка нанометров до размера одного атома! Их длина составляет 1-2 мкм.
Зонд (остриё, игла) расположен на свободном конце кантилевера. Зонды в основном изготавливают из таких материалов, как кремний Si и Si3N4. Чем меньше радиус кривизны и угол схождения острия, тем меньше его влияние на получающееся изображение исследуемого объекта. Консоль - это упругая пластинка, по отклонению которой в принципе можно судить о силе взаимодействия острия с образцом (закон Гука: F=kz).
Когда остриё приближается к образцу, между ними начинают действовать силы обменного взаимодействия. В зависимости от того, насколько мало расстояние между остриём и образцом, это будет сила либо притяжения либо отталкивания. Отсюда и возникают два разных режима сканирования - контактный и бесконтактный.
.1 Режимы работы
В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы атомно-силового микроскопа:
контактный режим (contact mode);
бесконтактный режим (non-contact mode);
полуконтактный режим (tapping mode).
Контактный режим 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.
При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. Топографические изображения в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов:
режим постоянной высоты
режим постоянной силы.
Сканирование осуществляется, как правило, 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. Изгиб консоли ?Z,пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Достоинства метода:
Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость
Недостатки метода:
Возможно механическое повреждение как зонда, так и образца
Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)
Наименьшее латеральное разрешение
Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа
При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. Система обратной связи, как правило, 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.
Достоинства метода:
Возможность достижения атомарного разрешения (в условиях вакуума)
Обеспечивает наилучшую сохранность зонда и образца
Недостатки метода:
Крайне чувствителен ко всем внешним шумам
Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"
Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа
Этот режим используется во многих случаях (в основном, при исследовании мягких материалов, таких как полимерные цепи и различные биообъекты) позволяет повысить качество получаемого изображения. При таком способе сканирования с помощью ещё одного пьезоэлектрического манипулятора осуществляются вынужденные механические колебания кантилевера с частотой, близкой к резонансной (обычно это десятки и сотни килогерц) и с амплитудой порядка 100 нм. В нижней точке колебаний остриё касается образца. В этом режиме, как и в любом контактном режиме, возможно проминание образца иглой. При передвижении сканирующей иглы (или образца) отслеживается изменение резонансной амплитуды кантилевера (она зависит от внешней силы). Данный метод позволяет повысить разрешение микроскопа при наблюдении объектов с пониженной механической жёсткостью, поскольку здесь устранено влияние капи