СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 11

Наклон кривой ∆Z = f ( z ) на этом участке определяетсяупругими свойствами образца и кантилевера. Если взаимодействие зонда и образцаабсолютно упругое, то зависимость изгиба кантилевера от расстояния АСМ датчик поверхность, регистрируемая на обратном ходе, совпадает с зависимостью, получаемойна прямом ходе (рис.75).

Для мягких (пластичных) образцов, таких как пленкиорганических материалов, биологические структуры и др., а также для образцов, наповерхности которых находятся адсорбированные слои различных материалов, кривые∆Z = f ( z ) имеют более сложный характер. В этом случае на вид зависимостисущественное влияние оказывают эффекты капиллярности и пластичности. В качествепримера, на рис. 77 показаны кривые подвода-отвода для образца, содержащего наповерхности слой жидкости.

На данных зависимостях наблюдается гистерезис,связанный с эффектами капиллярности. При подводе зондового датчика к образцупроисходит смачивание зонда жидкостью, содержащейся на поверхности образца. Приэтом на границе контакта зонда с жидкостью формируется мениск. На зонд,погруженный в жидкость, действует дополнительная сила поверхностного натяжения.Это приводит к тому, что при отводе зондового датчика точка отрыва кантилевера отповерхности такого образца смещается в область больших Z.∆Z, FzРис. 77. Схематическое изображение зависимости изгиба кантилевераот расстояния z между зондовым датчиком и образцом, содержащим на поверхностиадсорбированный слой жидкости.77Таким образом, по виду зависимостей ∆Z = f ( z ) можно судить о характеревзаимодействия зонда с поверхностью, исследовать локальную жесткость в различныхточках образца, изучать распределение сил адгезии на поверхности образцов.Система управления АСМ при работе кантилевера в контактном режимеУпрощенная схема системы управления АСМ при работе кантилевера вконтактном режиме представлена на рис.

78. Система управления состоит из цифровойчасти, реализованной на базе персонального компьютера, и аналоговой части,выполняемой обычно в виде отдельного блока. Цифровая часть содержит, в основном,цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. Двухканальныецифро-аналоговые преобразователи ЦАП-X и ЦАП-У служат для формированиястрочных и кадровых разверток. Петля обратной связи состоит из фотодиода (ФД),предварительного усилителя ПУ, конструктивно расположенного в измерительнойголовке АСМ, схемы сравнения (СС), высоковольтного усилителя У2 ипьезопреобразователя, регулирующего величину изгиба кантилевера, а следовательно,силу взаимодействия зонда с поверхностью.

В исходном состоянии электронный ключК1 замкнут, а К2 разомкнут.Перед началом работы оператор юстирует оптическую схему системырегистрации отклонения кантилевера таким образом, чтобы ток с различных секторовфотодиода был равным, а его величина максимальной. Затем с помощью ЦАП–Setустанавливается напряжение, пропорциональное рабочему значению отклонениякантилевера ∆Z , которое будет поддерживаться постоянным системой обратной связи.После этого включается система сближения зонда и образца. При этом управляющеенапряжение с ЦАП–ШД подается на шаговый двигатель (ШД). В начальном состояниинапряжение в петле обратной связи (пропорциональное разности токов междувертикальными секторами фотодиода) меньше, чем значение, установленноеоператором с помощью ЦАП–Set, и сканер максимально вытянут в направлении зонда.При подходе образца к зонду кантилевер изгибается, появляется разностный ток сфотодиода, и система сближения переходит к процедуре точной установки образца.

Вэтом режиме происходит дальнейшее движение образца к зонду с помощью двигателяи одновременное отодвигание его с помощью сканера (ОС поддерживает постояннымизгиб кантилевера) до тех пор, пока плоскость поверхности образца не достигнетположения, соответствующего середине динамического диапазона перемещенийсканера. После этого микроскоп готов к работе.78Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииФотодиодПУКЛазерЦАП - UУ1ЦАП - SetАЦП"Z"ССШДУ3ЦАП-ШДУ4ЦАП - XУ5ЦАП - YК1У2ЦАП - ZРис. 78.

Упрощенная схема системы управления атомно-силового микроскопапри работе кантилевера в контактном режимеСканирование образца осуществляется при подаче напряжений пилообразнойформы на внешние электроды трубчатого сканера с помощью двухканальных ЦАП – Хи ЦАП – У и двухканальных высоковольтных усилителей У4, У5. При этом в петлеобратной связи поддерживается постоянным выбранное оператором значениеразностного тока фотодиода, соответствующее определенной величине изгибакантилевера. При сканировании образца в режиме Fz = const напряжение на Zэлектроде сканера пропорционально рельефу поверхности.

Это происходит следующимобразом. Реальное мгновенное значение напряжения U, пропорциональное разностномутоку ФД, сравнивается в схеме сравнения (СС) с величиной U0, задаваемой оператором.Разностный сигнал (U-U0) усиливается (усилитель У2) и подается на внутренний Zэлектрод сканера. Сканер отрабатывает данный сигнал до тех пор, пока разность (U-U0)не станет равной нулю.

Таким образом, при сканировании напряжение на Z-электроде79сканера оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Сигнал с выхода схемысравнения записывается с помощью АЦП как информация о рельефе поверхности.В выбранной точке образца можно снять зависимость величины изгибакантилевера от расстояния между зондовым датчиком и поверхностью: ∆Z = f ( z ) .Для этого обратная связь разрывается с помощью электронного ключа К1, и на Zэлектрод сканера подается напряжение пилообразной формы с ЦАП-Z. Синхронно сизменением напряжения АЦП записывает напряжение на выходе предварительногоусилителя ПУ, которое пропорционально отклонению кантилевера, а следовательно,силе взаимодействия зонда с поверхностью.

Полученные данные преобразуются взависимость ∆Z = f ( z ) , которая затем строится с помощью средств компьютернойграфики.Получение АСМ изображения при постоянном среднем расстоянии междузондовым датчиком и образцом Zср=const происходит следующим образом. Вначалеснимается зависимость ∆Z = f ( z ) и определяется точное положение зонда надповерхностью. Затем обратная связь разрывается, и с помощью ЦАП-Z выставляетсявыбранное оператором значение расстояния зонд-поверхность.

После этогопроизводится сканирование образца, и величина напряжения с выходапредварительногоусилителя,пропорциональнаяотклонениюкантилевера,записывается в виде файла распределения силы вдоль поверхности образца F(x,y).При использовании кантилеверов с проводящим покрытием возможнарегистрация вольт-амперных характеристик контакта зонд-образец в выбранной точкеповерхности. Для получения ВАХ ключ К2 замыкается, и напряжение пилообразнойформы подается с ЦАП-U на кантилевер. Синхронно с этим напряжение,пропорциональное току через контакт, усиливается (усилитель У1), записывается спомощью АЦП в память компьютера и визуализируется средствами компьютернойграфики.Колебательные методики АСМКак указывалось выше, недостатком контактных АСМ методик являетсянепосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это частоприводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов. Кроме того,контактные методики практически не пригодны для исследования образцов,обладающих малой механической жесткостью (структуры на основе ряда органическихматериалов и многие биологические объекты).

Для исследования таких образцовприменяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметроввзаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методикипозволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность впроцессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методик существеннорасширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхностиобразцов.80Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииВынужденные колебания кантилевераТочное описание колебаний кантилевера зондового датчика АСМ представляетсобой сложную математическую задачу. Однако основные черты процессов,происходящих при взаимодействии колеблющегося кантилевера с поверхностью,можно понять на основе простейших моделей, в частности, с помощью моделисосредоточенной массы [1].