19856

Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ). Схема реализации обратной связи в АСМ

Лекция

Физика

Лекция 21 Принцип действия атомносилового микроскопа АСМ. Схема реализации обратной связи в АСМ. Параметры кантилеверов в АСМ. Контактные и бесконтактные методики измерения. Атомносиловой микроскоп АСМ был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом Кэлвином Куэйтом и Кри...

Русский

2013-07-18

878.5 KB

26 чел.

Лекция 21

Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ). Схема реализации обратной связи в АСМ. Параметры кантилеверов в АСМ. Контактные и бесконтактные методики измерения.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён 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. 21.1. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно определить силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рис. 21.1

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели используются оптические методы – рис. 21.1.

Рис. 21.2

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. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде показано на рис. 21.3.

Рис.21.3

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 исходные значения фототока в секциях фотодиода I01, I02, I03, I04, а I1, I2, I3, I4 – значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ΔIi = Ii  I0i однозначно характеризуют величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ.

Это следует из того, что разность токов вида

I1 + ΔI2) – (ΔI3 + ΔI4) = ΔIZ

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 21.3а). А комбинация разностных токов вида

I1 + ΔI4) – (ΔI2 + ΔI3) = ΔIL

пропорциональна изгибу консоли под действием латеральных сил (рис. 21.3б).

Величина ΔIZ используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа. Система ОС обеспечивает ΔIZ = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ΔZ равным величине ΔZ0, задаваемой оператором АСМ. Схема реализации обратной связи приведена на рис. 21.4.

Рис.21.4

При сканировании образца в режиме ΔZ = 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 с острым зондом на конце (рис. 21.5). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния: SiO2 или Si3N4.

   Рис. 21.5

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 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:

F = k ΔZ,

где k – жесткость кантилевера; ΔZ – 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 длиной l прямоугольного сечения площадью S определяются следующей формулой

,

где Е – модуль Юнга; J – момент инерции консоли; ρ – плотность материала; λi – численный коэффициент (в диапазоне 1÷100), зависящий от моды изгибных колебаний.

Как следует из данного выражения, резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод кантелеверов, используемых в АСМ, 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 300 – 500, а в жидкости 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 зондовых датчиков с обоими типами кантилеверов приведен на рис. 21.6.

Рис.21.6

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 зондового датчика показан на электронно-микроскопическом изображении, приведенном на рис. 21.7. Изготовление зондовых датчиков для АСМ представляет собой достаточно сложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии, ионной имплантации, химического и плазменного травления.

 Рис.21.7

Методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две большие группы – контактные (квазистатический режим) и бесконтактные (колебательный режим).

В контактных методиках остриё 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 позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.

В квазистатическом режиме работы 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 Fz = const система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом. При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца.

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 Zср над образцом, при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ΔZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

С помощью атомно-силового микроскопа можно изучать особенности локального силового взаимодействия зонда с поверхностью и на основании результатов данных исследований судить о свойствах поверхности различных образцов. С этой целью снимаются т.н. кривые подвода зонда к поверхности и кривые отвода – зависимости величины изгиба кантилевера ΔZ (а следовательно, и силы взаимодействия зонда с поверхностью) от координаты z при сближении зондового датчика и образца. Аналогичные измерения проводятся при удалении зонда от поверхности.

При приближении к поверхности образца зонд попадает в область действия сил притяжения. Это вызывает изгиб кантилевера в направлении к поверхности. В этой области может наблюдаться явление скачка зонда к поверхности, обусловленное наличием большого градиента сил притяжения вблизи поверхности образца. Для наблюдения эффекта скачка зонда к поверхности необходимо, чтобы жесткость выбранного кантилевера была меньше, чем максимум производной силы по координате z.

При дальнейшем сближении зондового датчика и образца зонд начинает испытывать отталкивание со стороны поверхности, и кантилевер изгибается в другую сторону. Наклон кривой ΔZ = f(z) на этом участке определяется упругими свойствами образца и кантилевера. Если взаимодействие зонда и образца абсолютно упругое, то зависимость изгиба кантилевера от расстояния датчик-поверхность, регистрируемая на обратном ходе, совпадает с зависимостью, получаемой на прямом ходе. Для мягких (пластичных) образцов, таких как пленки органических материалов, биологические структуры и др., а также для образцов, на поверхности которых находятся адсорбированные слои различных материалов, кривые ΔZ = f(z) имеют более сложный характер. В этом случае на вид зависимости существенное влияние оказывают эффекты капиллярности и пластичности.

Недостатком контактных АСМ методик является непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью (структуры на основе ряда органических материалов и многие биологические объекты). Для исследования таких образцов применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методики позволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования.

Точное описание колебаний кантилевера зондового датчика АСМ представляет собой весьма сложную математическую задачу. С целью упрощения задачи, рассмотрим процессы, происходящие при взаимодействии колеблющегося кантилевера с поверхностью, в рамках модели сосредоточенной массы. Пусть имеется кантилевер в виде упругой консоли с жесткостью k, с сосредоточенной массой m на одном конце. Другой конец консоли закреплен на пьезовибраторе ПВ – рис. 21.8.

     Рис.21.8

Если пьезовибратор совершает гармонические колебания u = u0cosωt с частотой ω, тогда уравнение движения такой колебательной системы имеет вид

,

где член, пропорциональный первой производной по времени, учитывает силы вязкого трения со стороны воздуха, а посредством F0 обозначена сила тяжести и другие возможные постоянные силы.

Как известно, постоянная сила лишь смещает положение равновесия системы и не влияет на частоту, амплитуду и фазу колебаний. Делая замену переменных z = z + F0/k (т.е. рассматривая колебания относительно нового состояния равновесия), можно привести уравнение движения кантилевера к виду:

.

Разделив уравнение на m и введя параметр добротности системы Q = 0m/γ, получим уравнение движения в следующем виде:

.

Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики кантилевера, отвечающие данному уравнению, приведены на рис. 21.9.

Величина rd, определяющая сдвиг относительно резонансной частоты 0 находится из соотношения rd2 = 02(1 –

Рис.21.9       1/2Q2).

Для типичных значений добротности кантилеверов в воздушной среде величина сдвига резонансной частоты вследствие диссипации мала. Влияние диссипации сводится, в основном, к существенному уменьшению амплитуды колебаний и уширению амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик системы.

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. При ван-дер-ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения. Появление такой дополнительной силы немного модифицирует вышеприведенные уравнения и в результате АЧХ и ФЧХ приобретают вид, который показан на рис. 21.10.

Рис.21.10

Дополнительный сдвиг фазы при наличии градиента силы определяется из условия

.

Как следует из этого выражения, чем выше добротность системы, тем больше фазовый сдвиг. Добротность будет выше, если измерительное устройство поддерживается при низком давлении, так как в этом случае получаются меньшие значения γ, поэтому "вакуумные" АСМ с точки зрения определения фазового сдвига являются более предпочтительными.

Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи. На практике чаще используется т.н. полуконтактный режим колебаний кантилевера (иногда его называют прерывисто-контактный, а в иностранной литературе - "intermittent contact" или "tapping mode" режимы). 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.

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 ω (близкой к резонансной частоте кантилевера) с амплитудой Аω. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне A0, задаваемом оператором (A0 < Аω). 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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56011. Шкідливі та корисні звички 664.49 KB
  Кожен із нас мріє прожити щасливе життя, мати міцне здоров’я, багато друзів, знаходити взаєморозуміння між членами родини і нашого суспільства, досягти успіху в роботі, навчанні. Але, на жаль, наші сподівання не завжди справджуються.
56012. Кохання та одруження 62.5 KB
  The topic of our lesson today is Love and Marriage. Let’s start our lesson from the small episode about a person who had all kinds of love in her life: people love, mother’s love, the love of the nation and who was a beloved woman.
56013. Запорізька Січ 70.5 KB
  Мета: з’ясувати становище Запорізької Січі у складі Гетьманщини ознайомити із життям та діяльністю І.Сірка та економічним розвитком Запорізької Січі ІІ половини XVII ст. Мета нашого уроку:з’ясувати становище Запорізької Січі у складі Гетьманщини ознайомитись з життям та діяльністю Івана Сірка та економічним розвитком Запорізької Січі цього періоду. Ми наближаємося до Запорізької Січі.
56015. Запорізька Січ у другій половині ХVІІ ст 42.5 KB
  Мета: Показати статус Запорізької Січі в нових історичних умовах ; підкреслити що на к. Опис Січі з висоти пташиного польоту карта схема.Якою була доля Січі після Андрусівського перемир’яробота з картою. Чи брали ви участь у національно-визвольній війні?
56016. Сім кольорів щастя. Виховна година в 4 класі 124.5 KB
  Бо у світі багато чого позначено числом сім: сім днів у тижні сім раз відміряй а раз відріж – каже народна мудрість; є сім смертних гріхів які посилаються людині щоб вона їх переборола; а ще є сім чудес світу; а ще від щастя людина буває на сьомому небі; і книга за сімома печатями є і мабуть ще багато чогось іншого позначається числом сім. А ще мені здається є сім кольорів щастя. Ви можете заперечити мені що мовляв щастя не має кольору.
56017. Симфонія перемоги 88.5 KB
  Перше завдання: обрати вірне твердження. музична форма що складається з теми та її модифікованих повторень Перевірка виконаного завдання. правильна відповідь оцінюється учнями Друге завдання: з поданих слів скласти схему за якою пишеться увертюра...
56018. Главный садовод Украины 58.5 KB
  Цель: познакомить учащихся с жизнью известного помолога, знаменитого ученого-селекционера Украины В.Л. Симиренко; воспитывать гордость за соотечественника, любовь к своей стране, стремление трудиться во имя процветания своей Родины.