СЗМ Раман Нано ИК системы
Модульные СЗМ
Автоматизированные СЗМ
Специализированные СЗМ
 
 

2.2.6 Электростатическое взаимодействие

2.2.6.3 Взаимодействие, обусловленное контактной разностью потенциалов

Даже если между двумя проводниками не приложено внешнее напряжение, между ними может существовать электрическое поле. Когда работы выхода и (разность потенциалов уровня Ферми и уровня вакуума) двух материалов не равны, при электрическом контакте проводников уровни Ферми выравниваются (рис. 1б), и возникает разность потенциалов . Её значение может быть порядка одного вольта и приводит к возникновению силы, которой в условиях АСМ пренебречь нельзя. Чтобы компенсировать эту контактную разность потенциалов, можно приложить соответствующее внешнее напряжение (рис. 1в, 1г).

Рис. 1а.  Зонная структура двух металлов, не находящихся в контакте друг с другом. Рис. 1б.  Зонная структура двух металлов, находящихся в контакте друг с другом, в состоянии теплового равновесия.
 
Рис. 1в.  Зонная структура двух металлов, находящихся в контакте друг с другом, в случае, когда положительный потенциал приложен к правому металлу. – разность потенциалов. Рис. 1г.  Зонная структура двух металлов, находящихся в контакте друг с другом, в случае, когда компенсирующая разность потенциалов приложена к левому металлу.

Однако даже после корректировки разности потенциалов между зондом и образцом на систему продолжают влиять природные электрические поля, которые могут быть связаны с тем, что работа выхода на исследуемой поверхности не одинакова. Дело в том, что работа выхода очень чувствительна к особенностям поверхности. Подготовка образца, неоднородное распределение адсорбатов, ориентация кристаллической решетки, наличие на поверхности ступенек, выступов, углублений или дефектов могут влиять на работу выхода, делая ее разной от точки к точке.

Рис. 2.  Пятно адсорбата с работой выхода на металлической поверхности
с работой выхода .

Представим себе металлическую поверхность, на которой есть некое пятно адсорбата (рис. 2). Пусть работа выхода адсорбата равна , а работа выхода рассматриваемого металла – . Области с отличной от окружающей поверхности работой выхода сопровождаются "компенсирующим" электрическим полем. Оно выходит из пятна адсорбата, которое можно представить в виде дипольного пласта, создающего подобную конфигурацию силовых линий. При этом на образце индуцируется поверхностный заряд. Силы, возникающие между заряженным зондом и дипольным пластом на образце, известны как локальные электростатические силы.

Вычислить локальные электростатические силы довольно сложно, во-первых, из-за нетривиальной природы электрического поля, связанного с дипольным пластом, а во-вторых, из-за того, что распределение зарядов изображения, наведенных на соседних телах, сильно зависит от геометрии этих тел. На больших расстояниях сила может быть как отталкивающей, так и притягивающей, однако с уменьшением расстояния всегда становится притягивающей (рис. 3).

Проведем оценку для адсорбционного пятна (дипольного диска) круглой формы с радиусом . Нормальная компонента электрического поля вдоль центральной оси дипольного диска радиуса с удельным дипольным моментом равна [1]:

(1)

 

В пределе, при бесконечно большом диске либо при бесконечном расстоянии от пятна, . Величина электрического поля максимальна при . Предположим, что на кончике зонда находится дополнительный электрон. Тогда сила, которая действует на этот электрон, находящийся на расстоянии 10 нм от образца, со стороны пятна на поверхности диаметром 10 нм с удельным дипольным моментом , равна , а сила изображения равна . Когда зонд заглубляется в образец, силы изображения растут, а локальные электростатические силы уменьшаются. Также будут возникать заряды-изображения на зонде, связанные с полем пятна, которые будут к нему притягиваться.

На рисунке 3 приведены зависимости электростатических сил и сил Ван-дер-Ваальса от расстояния зонд-образец. Емкостная электростатическая сила (возникающие между зондом и образцом при приложении напряжения) спадает по закону , силы Ван-дер-Ваальса – по закону . Рассмотренные локальные электростатические силы могут быть отталкивающими, становясь притягивающими.

Рис. 3.  Зависимость электростатических сил и
сил Ван-дер-Ваальса от расстояния зонд-образец.

Выводы.

  • Контактная разность потенциалов приводит к дополнительному притяжению зонда к образцу.
  • Вариация по поверхности работы выхода приводит к образованию пятен индуцированного заряда и появлению локальных электростатических сил.
  • Точное нахождение локальных электростатических сил является сложной задачей, однако качественные оценки показывают, что на малых расстояниях она является притягивающей.

Литература.

  1. Handbook of Micro/Nanotribology / Ed. by Bhushan Bharat. – 2d ed. – Boca Raton etc.: CRC press, 1999. – 859 c.
 
 
Copyright © 2015 - 2017, NT-MDT SI