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].
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).