Атомно-силовая микроскопия

У СТМ есть одно важное ограничение, а именно, объектом исследования могут быть только металлы и полупроводники, или тонкие диэлектрические слои на проводящей основе, поскольку принцип действия СТМ основан на измерении туннельного тока между зондом и образцом. Исследовать диэлектрические объемные объекты с помощью СТМ нельзя. Для исследования таких объектов разработчиками СТМ был предложен другой метод, названный сканирующей атомно-силовой микроскопией. Первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретен Г. Биннингом, К. Куэйтом и К. Гербером в 1986 году в Цюрихе (Швейцария). С его помощью можно проводить измерения не только в вакууме, но и в атмосфере, заранее заданном газе и даже сквозь пленку жидкости, что стало несомненным успехом для развития биологической микроскопии. Так была положено начало эры сканирующей зондовой микроскопии.

Принцип действия АСМ иллюстрирует рис. 1.37а. Образец, закрепленный в трехкоординатном пьезоманипуляторе, управляемом от компьютера, подводится к зонду на расстояние, при котором между атомами зонда и образца возникают межатомные силы. Зонд, в качестве которого в первых микроскопах использовалась заостренная крошка алмаза размером в несколько микрометров, закреплен на свободном конце кантилевера (упругого кронштейна), длина которого порядка 1 – 3 мм, а толщина и ширина примерно 50 и 200 мкм соответственно. Радиус острия зонда-иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5 – 50 нм, лабораторных – порядка 1 нм (рис. 1.37б). Межатомные силы между зондом и атомами поверхности образца заставляют кантилевер изгибаться. При сканировании образца относительно зонда перемещение свободного конца кантилевера повторяет рельеф поверхности (точнее картину распределения межатомных сил, возникающих при перекрытии электронных оболочек поверхностных атомов образца и зонда). Для воспроизведения этой картины и представления изображения поверхности на экране монитора необходимо измерять чрезвычайно малые отклонения кантилевера в вертикальном направлении. Это можно сделать, используя различные методы.

а) б)

Рис. 1.37. Принцип действия АСМ (а) и увеличенное изображение зонда в АСМ (б)

В своей оригинальной работе Биннинг с сотрудниками использовали в качества датчика перемещений зонд сканирующего туннельного микроскопа и измеряли туннельный ток между зондом и кантилевером. В других методиках используется измерение электрической емкости между кантилевером и электродом, расположенным вплотную к верхней поверхности кантилевера. Часто используют оптические методы, основанные на интерференции или отражении лазерного луча от верхней зеркальной поверхности кантилевера. В оптических методах удается детектировать отклонения кантилевера на уровне 0,001 нм.

В схеме АСМ, представленной на рис. 1.38, для детектирования отклонения используется полупроводниковый лазер, луч от которого направляется на край зеркально отражающей поверхности кантилевера. Отраженный луч попадает в специальный четырехсекционный фотодиод. Таким образом, отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, изменение разностного сигнала с фотодиода будет показывать амплитуду смещения кантилевера в ту или иную сторону.

Система управления включает в себя цифровую часть, реализованную на базе персонального компьютера, и аналоговую часть, выполняемую обычно в виде отдельного блока. Цифровая часть содержит, в основном, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Двухканальные цифро-аналоговые преобразователи «ЦАП-X» и «ЦАП-У» служат для формирования строчных и кадровых разверток. Петля обратной связи состоит из фотодиода (ФД), предварительного усилителя ПУ, конструктивно расположенного в измерительной головке АСМ, схемы сравнения (СС), высоковольтного усилителя У2 и пьезопреобразователя, регулирующего величину изгиба кантилевера, а следовательно, и силу взаимодействия зонда с поверхностью образца.

Рис. 1.38. Упрощенная схема системы управления атомно-силового микроскопа

В зависимости от расстояния между зондом и образцом различают несколько режимов работы, а именно, контактный, бесконтактный и полуконтактный (рис. 1.39). В контактном режиме расстояние от зонда до поверхности составляет десятые доли нанометра (обычно от 0,2 до 0,3 нм). Таким образом, зонд АСМ находится в мягком физическом контакте с поверхностью и подвержен действию сил отталкивания. Чтобы избежать повреждения исследуемой поверхности, кантилевер не должен быть слишком жестким. В этом случае межатомные силы заставят кантилевер изгибаться, повторяя рельеф поверхности. Топографическое изображение в АСМ обычно получают в одном из двух режимов: в режиме постоянной высоты или в режиме постоянной силы.

Рис. 1.39. Различные режимы работы атомно-силового микроскопа АСМ: 1.- контактный, 2. - полуконтактный 3. – бесконтактный

В режиме постоянной высоты (рис. 1.40) положение сканера в вертикальном направлении фиксировано, а отклонения кантилевера служат для построения топографического изображения поверхности. Данный режим предпочтителен для получения изображений атомарно гладких объектов, а также для записи в реальном масштабе времени быстро протекающих процессов на поверхности, когда необходимо обеспечить высокую скорость сканирования. В режиме постоянной силы (рис. 1.41) поддерживается постоянным отклонение кантилевера путем непрерывной подстройки высоты сканера с помощью системы слежения. Изображение строится на основе сигналов, обеспечивающих вертикальное перемещений кантилевера. Данный режим применяется наиболее часто, но у него есть недостаток – ограниченная скорость сканирования из-за конечной скорости функционирования системы слежения.

Рис. 1.40. Формирование АСМ-изображения при постоянном расстоянии между зондом и образцом

Рис. 1.41. Формирование АСМ-изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом

В бесконтактном режиме расстояние между зондом и поверхностью образца порядка единиц или десятков нанометров и между зондом и объектом действуют силы притяжения. В этом режиме жесткий кантилевер заставляют колебаться вблизи его резонансной частоты. Обычно значение частоты находится в диапазоне от 100 до 400 кГц, а амплитуда колебаний порядка единиц нанометров. Действие межатомных сил вызывает изменение резонансной частоты и фазы колебаний кантилевера. Если резонансная частота колебаний поддерживается постоянной с помощью следящей системы (цепи обратной связи), которая контролирует положение сканера, то траектория движения конца зонда будет соответствовать атомному рельефу поверхности.

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). 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.

Таким образом, отличительной особенностью метода атомно-силовой микроскопии является то, что он позволяет исследовать на атомарном уровне не только поверхности проводящих образцов, но и образцов диэлектрических. С помощью АСМ можно исследовать силовые характеристики поверхностных атомов путем регистрации зависимости силы взаимодействия от расстояния между зондом и образцом. При исследовании легко разрушаемых образцов, например, биологических, пространство между зондом и поверхностью заполняют специальной жидкостью, что позволяет на порядок уменьшить силы взаимодействия.

Режим атомно-силовой спектроскопии основан на измерении и анализе зависимости силы от расстояния между зондом и образцом. По наклону силовой кривой в области контакта определяется локальная упругость образца, а по величине скачка кантилевера в момент отрыва – величина адгезии, которые затем можно вывести в виде карты. В этом режиме можно также осуществить химическую идентификацию отдельных атомов на поверхности образца.

Примеры изображений поверхности различных образцов, полученные с помощью АСМ, представлены на рис. 1.42.

а) б) в) г)

Рис. 1.42. АСМ-изображения различных образцов: а) оксид кремния (размер скана 3×3 мкм²);

б) графит (3×3 мкм²); в) фуллерен С₆₀; г) однослойная УНТ на поверхности слюды (2×2 мкм²)