Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 19
Текст из файла (страница 19)
В бесконтактном – зонднаходится достаточно далеко и не касается поверхности. «Полуконтактный» режим подразумевает частичный контакт. Последние два режима работы АСМ необходимы для реализации модуляционных (или колебательных) методик.Каждый режим предназначается для решения определенного рядазадач.Например, существуют три метода измерения рельефа с помощьюАСМ:контактная атомно-силовая микроскопия – измерение топографии поверхности в контактном режиме с силами Герца (Fr);93бесконтактная атомно-силовая микроскопия – измерение топографии поверхности в бесконтактном режиме с силами Ван-дер-Ваальса(FВ);«полуконтактная» атомно-силовая микроскопия (или прерывисто-контактная атомно-силовая микроскопия) – в данном случае используется вибрационный режим, при котором колеблющееся острие слегка стучит по поверхности образца.
Этот режим называют еще «режимом обстукивания».В контактных методиках острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяетобеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.В этом режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхностиформируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднемрасстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца.При сканировании образца в режиме FZ = const система обратной связиподдерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно,и силу взаимодействия зонда собразцом (рис.
2.35). При этомуправляющее напряжение впетле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера,будет пропорционально рельефу поверхности образца.При исследовании обРис. 2.35. Работа АСМ при постоянной силеразцов с малыми (порядкавзаимодействия зонда с образцомединиц ангстрем) перепадамивысот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянномсреднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью(Z = const) . В этом случае зондовый датчик движется на некоторой среднейвысоте Z ср над образцом (рис. 2.36).
При этом в каждой точке регистрируется изгиб консолиΔZ ,пропорциональный силе, действующей на зонд со94стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризуетпространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.Для контактного режима АСМ отталкивающая межатомная силадолжна быть уравновешена другими усилиями. Это происходит за счетдвух сил – капиллярной и консольной.Капиллярная сила – это воздействие на острие сканирующей иглысо стороны тонкого слоя влаги и загрязнений, обычно присутствующих наповерхностях, находящихся вобычной среде.
Капиллярная сила возникает, когда адсорбированная на поверхности влагаприподнимается вокруг острия.Оказываемое на острие сильноепритягивающеевоздействие-8(около 10 Н) удерживает его в Рис. 2.36. Работа АСМ при постоянномконтакте с поверхностью. Вели- расстоянии между зондом и образцомчина капиллярной силы зависитот расстояния между острием и образцом.
Ввиду того, что острие находится в контакте с образцом, капиллярная сила должна быть постоянной поскольку расстояние между острием и образцом фактически не изменяется.Другое условие, позволяющее считать капиллярную силу постоянной, этопредположение о достаточной однородности слоя влаги. Воздействие состороны самой измерительной консоли подобно усилию в сжатой пружине.Величина и знак (отталкивающая или притягивающая) «консольной» силы зависит от отклонения консоли и ее константы упругости. Сила, прилагаемая измерительной консолью контактного АСМ, в отличие откапиллярной, является переменной.Общее усилие, прикладываемое со стороны острия сканирующей иглы к образцу это сумма капиллярной и консольной сил.
Величина суммарной силы варьируется от 10-8 Н (когда измерительная консоль отводится отобразца почти с таким же усилием, как вода притягивает острие к его поверхности) до более типичного рабочего диапазона в пределах 10-7…10-6 Н.В бесконтактном режиме, также известном как режим притяжения,АСМ отслеживает притягивающие Ван-дер-Ваальсовы силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обыч95но составляет 5 – 10 нм. На таком расстоянии электронные орбитали атомов острия сканирующей иглы начинают синхронизироваться с электронными орбиталями атомов образца.
В результате возникает слабое притяжение, потому что в любой момент времени атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении. В свободном пространстве этиатомы будут сближаться до тех пор, пока сильное электростатическое отталкивание, описанное выше, не станет преобладающим.
Чаще всего бесконтактные АСМ конструируются для работы в динамическом режиме.Из рис. 2.34 видно, что в области бесконтактной работы АСМ наклонкривой Ван-дер-Ваальсовых сил более пологий, чем в контактной. Такойпологий наклон означает меньшие отклонения измерительной консоли приреакции на изменение величины зазора между острием и образцом. Крометого, здесь необходимо использовать более жесткую консоль, так как впротивном случае острие сканирующей иглы «залипнет» на поверхностиобразца как только приблизится к ней на достаточно малое расстояние, когда начинают работать силы притяжения. Однако следует учитывать, чтожесткая консоль в ответ на малые силы отклоняется меньше, чем мягкая, ипоэтому для бесконтактного АСМ должна быть использована более чувствительная схема детектирования.
В бесконтактном режиме работы АСМсуммарная сила между острием и образцом небольшая – обычно ~10-12 Н.Эта малая сила является преимуществом при исследовании мягких и упругих образцов. Еще одно преимущество заключается в том, что такие образцы, как например, кремниевые подложки, не загрязняются при контакте сострием.При исследовании жестких образцов изображения, полученные вконтактном и бесконтактном режимах, могут выглядеть одинаково. Однако если на поверхности жесткого образца лежат, к примеру, несколько монослоев конденсированной влаги, то эти изображения могут значительноразличаться. АСМ, работающий в контакте, будет проникать через слойжидкости, отображая нижележащую поверхность, тогда как бесконтактный АСМ будет давать изображение поверхности слоя влаги.Наряду с описанными, АСМ могут работать и в ряде других режимов.Измерение боковых сил.
Во время сканирования возникает дополнительная крутильная деформация кантилевера. Она обусловлена моментом сил, действующих на острие иглы. Угол кручения при небольших отклонениях пропорционален боковой силе. Латеральные (т.е. боковые) от96клонения консоли обычно возникают по двум причинам: изменение наклона поверхности и изменение ее фрикционных параметров (коэффициента трения). В первом случае консоль может закручиваться, когда ей попадается постепенный наклон.
Во втором случае сканирующая игла, пересекая некоторый участок, может испытать большее трение, вызывая темсамым и большее закручивание измерительной консоли. Чтобы разделитьэти два эффекта, АСМ должен «уметь» одновременно считывать данные олатеральном и вертикальном отклонении (т.е. визуализировать топографию). Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать кручение кантилевера.
Луч лазера, отраженный от кантилевера, получает вэтом случае дополнительное смещение в боковом направлении. Для измерения боковых сил АСМ работаетв режиме поддержания постоянной силы, т.е. как при снятии топографии. При движении по плоской поверхности, на которойприсутствуют участки с разнымкоэффициентом трения, угол кручения будет изменяться от участкак участку (рис. 2.37). Это позво- Рис. 2.37. Профиль боковых сил из-заляет говорить об измерении ло- участков поверхности с разными коэффикальной силы трения. Если при- циентами трениясутствует рельеф, то такая интерпретация невозможна.
Тем не менее, этотвид измерений позволяет получать изображения и облегчать поиск. В режиме измерения боковых сил легко получать атомарное разрешение наслюде и некоторых других слоистых материалах.Следует отметить, что при измерении топографии с атомарным разрешением получается атомарный рельеф до нескольких ангстрем, тогдакак реальный рельеф составляет доли ангстрема. Такая большая величинарельефа объясняется влиянием крутильной деформации кантилевера из-занеидеальности регистрирующей системы – кручения кантилевера воспринимаются как его продольный изгиб. Это возникает, например, даже приочень небольшом угле поворота фотодиода относительно направлениядвижения луча при продольном изгибе кантилевера.Существуют даже специальные латерально-силовые микроскопы(ЛСМ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
