АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Исследование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую балку – кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце (см. рисунок 7). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются из тонких слоев легированного кремния, SiO₂ или Si₃N₄.

Рисунок 7. Внешний вид зондового датчика

Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании - держателе. На другом его конце располагается зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1 ÷ 50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда - 10 ÷ 20 º. Силу взаимодействия зонда с поверхностью F можно оценить следующим образом:

, (1)

где k – жесткость кантилевера; ∆Z – величина, характеризующая его изгиб.

Коэффициенты жесткости кантилеверов k варьируются в диапазоне
10^-3 ÷ 10 Н/м в зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрических размеров. При работе зондовых АСМ датчиков в колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов.

Собственные частоты изгибных колебаний консоли прямоугольного сечения определяются следующей формулой:

, (2)

где l – длина консоли; Е – модуль Юнга; J – момент инерции сечения консоли; ρ -- плотность материала; S - площадь поперечного сечения; – численный коэффициент (в диапазоне 1÷100), зависящий от моды изгибных колебаний.

Как видно из выражения (2), резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат в диапазоне 10÷1000 кГц.

Добротность кантилеверов, в основном, зависит от той среды, в которой они работают. Типичные значения добротности при работе в вакууме составляют 10³ – 10⁴. На воздухе добротность снижается до 300 – 500, а в жидкости падает до 10 – 100.

В атомно-силовой микроскопии применяются зондовые датчики двух типов – с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками. (см. рисунок 8).

а) АСМ-зондовый датчик с прямоугольным кантилевером

б) АСМ-зондовый датчик с треугольным кантилевером

Рисунок 8. Виды зондовых датчиков

3^○ Система оптической регистрации изгиба кантилевера

Получение АСМ-изображений рельефа осуществляется измерением изгибов кантилевера с помощью оптической системы регистрации (рис. 9).

Рисунок 9. Система оптической регистрации изгиба кантилевера

Оптическая система АСМ состоит из полупроводникового лазера, кантилевера со светоотражающим покрытием, четырехсекционного полупроводникового фотоприемника, системы управления. Предварительно лазерный луч фокусируется на свободной части кантилевера так, чтобы отраженный пучок попадал в центральную область фотоприемника.

Оптическая система регистрирует деформации изгиба кантилевера, являющиеся результатом действия сил притяжения или отталкивания F_Z, и деформации кручения консоли, обусловленные действием латеральных сил F_L. Пусть I₀₁, I₀₂, I₀₃, I₀₄ - начальные фототоки в секциях фотодиода, I₁, I₂, I₃, I₄ – токи в соответствующих секциях после произвольной деформации кантилевера, тогда разностные токи ΔI_i = I_i - I_0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Причем нормальный изгиб определяется выражением ΔI_z = (ΔI₁ +ΔI₂) – (ΔI₃ +ΔI₄), латеральный - ΔI_L = (ΔI₁ +ΔI₄) – (ΔI₂ +ΔI₃).

Для определения морфологии поверхности необходимо перейти от измерения величины токового сигнала ΔI_i к измерению геометрического сигнала ΔZ_i, что на практике осуществляется калибровкой на объектах известной геометрии (калибровочных решетках). Определяются калибровочные коэффициенты для выражений ΔZ_i =A_i ΔI_i и по этим данным восстанавливается морфология исследуемой поверхности.