Принципи роботи зондувальних мікроскопів, що сканують.

У скануючих зондових мікроскопах дослідження мікрорельєфу поверхні та її локальних властивостей проводиться за допомогою спеціальним чином підготовлених зондів у вигляді голок. Робоча частина таких зондів (вістря) має розміри близько десяти нанометрів. Характерна відстань між зондом та поверхнею зразків у зондових мікроскопах по порядку величин становить 0,1 – 10 нм. p align="justify"> В основі роботи зондових мікроскопів лежать різні типи взаємодії зонда з поверхнею. Так, робота тунельного мікроскопа заснована на явищі перебігу тунельного струму між металевою голкою і зразком, що проводить; Різні типи силової взаємодії лежать в основі роботи атомно-силового, магнітно-силового та електросилового мікроскопів. Розглянемо загальні риси, властиві різним зондовим мікроскопам. Нехай взаємодія зонда з поверхнею характеризується деяким параметром Р. Якщо існує досить різка і взаємно однозначна залежність параметра Р від відстані зонд – зразок Р = Р(z), то цей параметр може бути використаний для організації системи зворотного зв'язку (ОС), що контролює відстань між зондом та зразком. На рис. 1 схематично показано загальний принцип організації зворотного зв'язку скануючого зондового мікроскопа.

Рисунок 1 – Схема організації системи зворотний зв'язок зондового мікроскопа

Система зворотного зв'язку підтримує значення параметра Р постійним, рівним величині Ро, що задається оператором. Якщо відстань зонд – поверхня змінюється (наприклад, збільшується), відбувається зміна (збільшення) параметра Р. У системі ОС формується різницевий сигнал, пропорційний величині ∆P = P - Po, який посилюється до потрібної величини і подається на виконавчий елемент ИЭ. Виконавчий елементвідпрацьовує даний різницевий сигнал, наближаючи зонд до поверхні або відсуваючи його до тих пір, поки сигнал не стане рівним нулю. Таким чином, можна підтримувати відстань зонд-зразок з високою точністю. У існуючих зондових мікроскопах точність утримання відстані зонд-поверхня досягає величини

0.01 Å. При переміщенні зонда вздовж поверхні зразка відбувається зміна параметра взаємодії Р обумовлена ​​рельєфом поверхні. Система ОС відпрацьовує ці зміни, тому при переміщенні зонда в площині X,Y сигнал на виконавчому елементі виявляється пропорційним рельєфу поверхні. Для отримання СЗМ зображення здійснюють спеціальним чином організований процес сканування зразка. При скануванні зонд спочатку рухається над зразком вздовж певної лінії (рядкова розгортка), причому величина сигналу на виконавчому елементі, пропорційна рельєфу поверхні, записується в пам'ять комп'ютера. Потім зонд повертається у вихідну точку і переходить на наступний рядок сканування (кадрова розгортка) і процес повторюється знову. Записаний таким чином при скануванні сигнал зворотного зв'язку обробляється комп'ютером, потім ЗЗМ зображення рельєфу поверхні Z = f(x,y) будується за допомогою засобів комп'ютерної графіки. Поряд із дослідженням рельєфу поверхні, зондові мікроскопи дозволяють вивчати різні властивості поверхні: механічні, електричні, магнітні, оптичні та багато інших.

В основі роботи АСМ лежить силова взаємодія між зондом і поверхнею, для реєстрації якого використовуються спеціальні зондові датчики, що є пружною консолью з гострим зондом на кінці (рис. 2). Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до згинання консолі.Реєструючи величину згину, можна контролювати силу взаємодії зонда з поверхнею.

Рисунок 2 – Схематичне зображення зондового датчика АСМ

Як правило роботу АСМ можна пояснити на прикладі сил Ван-дер-Ваальса [32]. Найчастіше енергію ван-дер-ваальсової взаємодії двох атомів, що знаходяться на відстані r один від одного, апроксимують статечною функцією - потенціалом Леннарда-Джонса:

Перше доданок у цьому виразі описує дальнодействующее тяжіння, зумовлене, переважно, диполь - дипольним взаємодією атомів. Другий доданок враховує відштовхування атомів на малих відстанях. Параметр ro – рівноважна відстань між атомами, U0 – значення енергії у мінімумі.

Рисунок 3 – Схематичне зображення зондового датчика АСМ

Потенціал Леннарда-Джонса дозволяє оцінити силу взаємодії зонда із зразком. Загальну енергію системи можна отримати, підсумовуючи елементарні взаємодії кожного з атомів зонда і зразка.

Рисунок 3 – До розрахунку енергії взаємодії зонда та зразка

Тоді для енергії взаємодії отримуємо:

Де ns(r) і np(r \ )- щільності атомів у матеріалі зразка та зонда. Відповідно, сила, що діє на зонд з боку поверхні, може бути обчислена наступним чином:

У випадку дана сила має як нормальну до поверхні, і латеральну (що лежить у площині поверхні зразка) складові. Реальна взаємодія зонда із зразком має складніший характер, проте основні риси даної взаємодії зберігаються - зонд АСМ відчуває тяжіння з боку зразка великих відстанях і відштовхування на малих.

Отримання АСМ зображень рельєфу поверхні пов'язані з реєстрацією малих вигинів пружної консолі зондового датчика. В атомно-силовій мікроскопії для цього широко використовуються оптичні методи (рис. 4).

Рисунок 4 – Схема оптичної реєстрації вигину консолі зондового датчика АСМ

Оптична система АСМ юстується таким чином, щоб випромінювання напівпровідникового лазера фокусувалося на консолі зондового датчика, а відбитий пучок потрапляв до центру фоточутливої ​​області фотоприймача. Як позиційно-чутливі фотоприймачі застосовуються чотирисекційні напівпровідникові фотодіоди.

Рисунок 5 – Відповідність між типом вигином деформації консолі зондового датчика та зміною положення плями засвічення на фотодіоді

Основні параметри, що реєструються оптичною системою - це деформації вигину консолі під дією Z-компонент сил тяжіння або відштовхування (FZ) і деформації крутіння консолі під дією латеральних компонент сил (FL) взаємодії зонда з поверхнею. Якщо позначити вихідні значення фотоструму в секціях фотодіода через I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4 - значення струмів після зміни положення консолі, то різницеві струми різних секцій фотодіода

∆Ii = Ii - I0i однозначно характеризуватимуть величину та напрямок вигину консолі зондового датчика АСМ. Справді, різниця струмів виду

пропорційна вигину консолі під дією сили, що діє нормалі до поверхні зразка (рис.5 (а)).

А комбінація різницевих струмів виду

характеризує вигин консолі під дією латеральних сил (рис. 5(б)).

Величина ∆Iz використовується як вхіднийпараметра у петлі зворотного зв'язку АСМ (рис. 6). Система зворотного зв'язку (ОС) забезпечує ∆Iz =const за допомогою п'єзоелектричного виконавчого елемента, який підтримує вигин консолі ∆Z рівною величиною ∆Z задається оператором.

Рисунок 6 - Спрощена схема організації зворотного зв'язку в АСМ

При скануванні зразка в режимі ∆Iz = const зонд переміщається вздовж поверхні, при цьому напруга на Z-електроді сканера записується в пам'ять

комп'ютера як рельєф поверхні Z = f(x, y). Просторова роздільна здатність АСМ визначається радіусом закруглення зонда та чутливістю системи, що реєструє відхилення консолі. В даний час реалізовані конструкції АСМ, що дозволяють одержувати атомарну роздільну здатність при дослідженні поверхні зразків.

---