Aтомно-силовая микроскопия

The experimental setup of the first Atomic Force Microscopy system under the paper Binning, Quate and Gerber

Рис 1. Схематическое изображение первого АСМ из статьи Binnig, Quate and Gerber (Phys.Rev.Lett.56,930 (1986))

Несмотря на большие успехи Cканирующей Туннельной Микроскопии было понятно, что СТМ обладает фундаментальным недостатком - с помощью СТМ можно исследовать только проводящие или покрытые проводящими пленками образцы.

Этот недостаток был преодолен с изобретением Биннигом атомно-силового микроскопа [1].

Он был первым, кто догадался, что при взаимодействии с поверхностью образца макроскопическая гибкая консоль (кантилевер) с острой иглой под действием атомных сил может быть изогнута на достаточно большую величину, чтобы быть измеренной с помощью обычных средств. В первом варианте для измерения изгиба кантилевера использовался СТМ (см. рис. 1) [2].

Schematic sketch of Atomic Force Microscope from Patent US RE37,299

Рис. 2 Схематическое изображение АСМ по патенту "Atomic Force Microscope" (US RE37,299)

В дальнейшем для регистрации изгиба кантилевера было использовано много методов, но в настоящее время наиболее удобным и широко используемым является метод, предложенный Амером и Мейером (см. Рис. 2) [3]. В соответствии с предложенным методом атомно-силовой микроскоп включает иглу, установленную на микромеханический кантилевер. В процессе сканирования исследуемой поверхности межатомные силы взаимодействия кончика иглы и поверхности образца вызывают смещение иглы и , соответственно, изгиб кантилевера.

Луч лазера направляется на кантилевер и отражается от него для измерения изгиба кантилевера. Отраженный лазерный луч детектируется позиционно-чувствительным (двухсекционным) фотоприемником. Выходной сигнал с двухсекционного фотоприемника подается на компьютер для выработки данных, отражающих рельеф поверхности образца с атомарным разрешением. Используемые в настоящее время позиционно-чувствительные фотодетекторы являются четырехсекционными и позволяют измерять не только продольные, но также и торсионные изгибы кантилевера.

Кантилевер может изгибаться не только под действием непосредственно контактных сил, но также и под действием сил, действующих на расстоянии – относительно короткодействующих Ван дер Ваальсовых и более дальнодействующих электрических и магнитных сил. В процессе сканирования кантилевер может совершать колебания, как это впервые было предложено Биннигом [1]. Колебания могут происходит в непосредственном контакте иглы с поверхностью образца, без касания поверхности образца в процессе колебаний и с частичным касанием поверхности (с прерывистым контактом). Сканирование может осуществляться в несколько проходов, каждый новый проход может давать дополнительную информацию относительно исследуемого образца.

Все эти возможности позволяют реализовать множество много различных методов и методик проведенияССМ исследований. Ниже мы рассмотрим различные статические и динамические контактные, прерывисто-контактные, бесконтактные и многопроходные методы и методики.

Ссылки

US Pat. 4724318.
Phys.Rev.Lett.56,1986,930-933.
US Pat. RE37,299 (Reissued Pat. No. 5,144,833).