Физические основы работы атомно-силового микроскопа

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретен в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 1). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рис. 1 Схематическое изображение зондового датчика ACМ

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса. Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии друг от друга, аппроксимируют степенной функцией — потенциалом Леннарда-Джонса:

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь-дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр — равновесное состояние между атомами, — значение энергии в минимуме. На рис. 2 представлен качественный вид потенциала Ленарда-Джонса.

Рис. 2. Качественный вид потенциала Ленарда-Джонса

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца.

Тогда для энергии взаимодействия получаем (рис. 3):

где и — плотности атомов в материале образца и зонда.

Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом.

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются — зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис. 4).

Рис. 4. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 5. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Основные регистрируемые оптической системой параметры — это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4, — значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 5 а), а комбинация разностных токов вида характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 5 б). Величина используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 6). Система обратной связи (ОС) обеспечивает с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли? Z, равным величине? Z0, задаваемой оператором.

При сканировании образца в режиме? Z = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z=f (x, y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль — кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце.

атомный силовой микроскоп зондовый.

(рис. 7). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO2 или Si3N4.

Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании — держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 150 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда — 1020°. Силу взаимодействия зонда с поверхностью F можно оценить следующим образом:

где — жесткость кантилевера; ?Z — величина, характеризующая его изгиб. Коэффициенты жесткости кантилеверов варьируются в диапазоне 10−310 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.

Si.

Рис. 7. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Собственные частоты изгибных колебаний консоли прямоугольного сечения определяются следующей формулой:

.

где — длина консоли, — модуль Юнга, — момент инерции сечения консоли, — плотность материала, — площадь поперечного сечения, — численный коэффициент (в диапазоне 1100), зависящий от моды изгибных колебаний (рис. 8).

Как видно из выражения, резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат в диапазоне 101 000 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, в основном, зондовые датчики двух типов — с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками. Общий вид зондового датчика с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения представлен на рис. 9.

Рис. 9. Общий вид зондового АСМ датчика с одиночной консолью прямоугольного сечения

На рис. 10. показаны электронно-микроскопические изображения выпускаемых серийно зондовых датчиков NSG11 с консолью прямоугольного сечения (компания «НТ-МДТ»).

Иногда зондовые датчики АСМ имеют несколько кантилеверов различной длины (а значит, и различной жесткости) на одном основании. В этом случае выбор рабочей консоли осуществляется соответствующей юстировкой оптической системы атомно-силового микроскопа.

Зондовые датчики с треугольным кантилевером имеют при тех же размерах большую жесткость и, следовательно, более высокие резонансные частоты. Чаще всего они применяются в колебательных АСМ методиках. Общий вид и габариты зондовых датчиков с треугольной консолью представлены на рис. 11 и 12.

Рис. 11. Общий вид зондового датчика с треугольным кантилевером

Рис. 12. Электронно-микроскопическое изображение АСМ зонда, расположенного на треугольном кантилевере

1.1.