Методы АСМ. 
Методы визуализации поверхности

Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две группы — контактные статические и колебательные.

В контактных статических методах острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. Силу взаимодействия при этом зонда с поверхностью F можно оценить следующим образом:

F = kZ,.

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

При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости (10^-3 — 10 Н/м), что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.

В статическом режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца. При сканировании образца в режиме постоянной силы система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом (рис.15). При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z — электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца.

Рис. 15. Формирование АСМ изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом

При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const). В этом случае зондовый датчик движется на некоторой средней высоте над образцом (рис.16), при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли Z, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Недостаток контактных АСМ методов — непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Кроме того, контактные методы практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов и биологические объекты.

Колебательные методы АСМ. Эти методы позволяют существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методов существенно расширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов.

При работе зондовых АСМ датчиков в колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов. 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 бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца, что приводит к дополнительному сдвигу АЧХ и ФЧХ системы (рис.17). При Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения.

Рис. 17. Изменение АЧХ и ФЧХ кантилевера под действием градиента силы взаимодействия зонда с поверхностью

Полуконтактный режим. Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи. На практике чаще используется так называемый «полуконтактный» режим колебаний кантилевера. При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 — 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца (это соответствует области отталкивания на графике зависимости силы от расстояния (рис.18)).

Рис. 18. Выбор рабочей точки при «полуконтактном» режиме колебаний кантилевера

При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаимодействие кантилевера с поверхностью в «полуконтактном» режиме состоит из Ван-дер-Ваальсового взаимодействия, к которому в момент касания добавляется упругая сила, действующая на кантилевер со стороны поверхности.

Формирование АСМ изображения поверхности в режиме колебаний кантилевера происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте (близкой к резонансной частоте кантилевера) с амплитудой A. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянной амплитуду колебаний канилевера на уровне A₀, задаваемом оператором (A₀ < A). Напряжение в петле обратной связи (на z-электроде сканера) записывается в память компьютера в качестве АСМ изображения рельефа поверхности. Одновременно при сканировании образца в каждой точке регистрируется изменение фазы колебаний кантилевера, которое записывается в виде распределения фазового контраста.