9.3.2. Атомно-силовая микроскопия

В этом методе регистрируют изменение силы взаимодействия кон- чика зонда (иглы) с исследуемой поверхностью.

Игла (рис. 9.18) располагается на конце консольной балочки с из- вестной жесткостью, способной изгибаться под действием небольших сил, возникающих между поверхностью образца и вершиной острия. Эти силы в ряде вариантов метода могут быть Ван-дер-Ваальсовскими (молекулярными), электростатическими или магнитными. Балочка с иг- лой носит название кантилевера. Деформация кантилевера измеряется по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверх- ность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в ма- териале кантилевера при изгибе.

Рис. 9.18. АСМ зонды

На конце кантилевера расположен острый шип (радиус закругления от 1 до 10 нм). При перемещении микрозонда вдоль поверхности образ- ца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхно- сти, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фо- тодетектором. Данные фотодетектора используются в системе обратной связи, которая обеспечивает постоянную силу давления острия на обра- зец. Пьезоэлектрический преобразователь может регистрировать изме-

296

нение рельефа образца в режиме реального времени. В другом режиме работы регистрируется сила взаимодействия острия с поверхностью при постоянном положении шипа над образцом. Микрозонд обычно делают из кремния или нитрида кремния. Разрешающая способность метода со- ставляет примерно 0,1–1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. Смещая зонд по горизонтали, можно получить серию рельефов и с по- мощью компьютера построить трехмерное изображение.

С помощью атомного силового микроскопа исследуют любые ма- териалы. Поддерживая постоянную силу межатомного притяжения кан- тилевера и поверхности, можно построить атомный рельеф исследуемо- го образца.

Имеются две моды варианта метода атомно-силовой микроскопии. При контактной моде кончик иглы (алмазной, фулеритовой или

кремниевой с упрочняющим покрытием) в рабочем режиме непрерывно находится в контакте с исследуемой поверхностью. При простоте реа- лизации этой моды имеется и недостаток – возможность повреждения исследуемого материала или иглы.

При «квазиконтактном» или «неконтактном» режиме проводится измерение параметров собственных колебаний кантилевера (резонанс- ные частоты, затухания колебаний, сдвиг фаз между воздействующей силой и смещением). Игла кантилевера находится в этом случае на не- котором расстоянии от поверхности образца и взаимодействует с ней посредством относительно дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса.

В ряде современных приборов существует возможность измерения усилий трения иглы, снятие карт упругости изучаемых участков мате- риала, электрического импеданса, проведения испытаний нанотвердо- сти методом царапанья, а при использовании полупроводниковых ал- мазных игл – емкость поверхности образца, проводимость приповерх- ностного слоя, определение концентрации примесей по величине изме- нения емкости. Разрешение по плоскости (координаты x и y) составляет порядка 1 нм, а по высоте (координата z) – до 0,1 нм.

Атомно-силовой микроскоп позволяет измерять локальные силы трения, величину адгезии, упругие и вязкие свойства поверхности с субнанометровым пространственным разрешением.

АСМ позволяет анализировать на атомном уровне структуру самых разных твердых материалов – стекла, керамики, пластиков, металлов, полупроводников. Измерение можно проводить не только в вакууме, но и на воздухе, в атмосфере любого газа и даже в капле жидкости.

При использовании атомно-силовой микроскопии не требуется, чтобы образец проводил электричество. Благодаря этому АСМ нашла

297

широкое применение для анализа биологических объектов – кристаллов аминокислот, белков, клеточных мембран и многого другого.

Узким местом метода является стойкость материала иглы. Однако для большинства исследуемых материалов твердости алмазной или фуллеритовой иглы вполне хватает.