Безконтактний режим роботи

Вступ

Роздільна здатність людського ока - близько 100 мікрометрів (0,1 мм), що приблизно відповідає товщині волосини. Щоб побачити більш дрібні предмети, потрібні спеціальні пристрої. Винайдений в кінці XVII століття мікроскоп відкрив людині нові світи, і в першу чергу світ живої клітини. Але у оптичного мікроскопа є природний фізичний межа дозволу - довжина хвилі світла, і ця межа (приблизно дорівнює 0,5 мкм) було досягнуто до кінця XIX століття. Наступним етапом занурення в глиб мікросвіту став електронний мікроскоп, в якому в ролі променя світла виступає пучок електронів. Його роздільна здатність досягає декількох ангстрем (0,1 нм), завдяки чому вченим вдалося отримати зображення вірусів, окремих молекул і навіть атомів. Але і оптичний і електронний мікроскоп дають лише плоску картинку.

Побачити тривимірну структуру мікросвіту вдалося тільки тоді, коли на зміну оптичному променю прийшла найтонша голка. Спочатку принцип механічного сканування за допомогою мікрозонду знайшов застосування в скануючій тунельній мікроскопії, а потім на цій основі було розроблено більш універсальний метод атомно-силової мікроскопії. Атомно-силова мікроскопія дозволяє аналізувати на атомному рівні структуру самих різних твердих матеріалів - скла, кераміки, пластиків, металів, напівпровідників. Вимірювання можна проводити не тільки у вакуумі, але і на повітрі, в атмосфері будь-якого газу і навіть у краплі рідини. Цей метод незамінний і для дослідження біологічних об'єктів

1.Атомно силова мікроскопія

1.1 Історія створення АСМ

Атомно-силовий мікроскоп був створений в 1982 році Гердом Биннигом, Кельвіном Куэйтом і Крістофером Гербером в США, як модифікація винайденого раніше скануючого тунельного мікроскопа.

Для визначення рельєфу поверхонь непровідні тел використовувалася пружна консоль (кантілевер), відхилення якої, у свою чергу, визначалося за зміни величини тунельного струму, як у скануючому тунельному мікроскопі[1]. Однак такий метод реєстрації зміни положення кантілевера виявився не дуже вдалим, і двома роками пізніше була запропонована оптична схема: промінь лазера направляється на зовнішню поверхню кантілевера, відображається і потрапляє на фотодетектора. Такий метод реєстрації відхилення кантілевера реалізований у більшості сучасних атомно-силових мікроскопів.

Спочатку атомно-силовий мікроскоп фактично являв собою профілометр, тільки радіус закруглення голки був порядку десятків ангстрем. Прагнення поліпшити латеральне дозвіл призвело до розвитку динамічних методів. Пьезовибратором порушуються коливання кантілевера з певною частотою і фазою. При наближенні до поверхні на кантілевер починають діяти сили, які змінюють його частотні властивості. Таким чином, відстежуючи частоту і фазу коливань кантілевера, можна зробити висновок про зміну сили, що діє з боку поверхні і, відповідно, про рельєф.

Подальший розвиток атомно-силової мікроскопії призвів до виникнення таких методів, як магнітно-силова мікроскопія, силова мікроскопія пьезоотклику, електро-силової мікроскопії.

Принцип роботи АСМ

Принцип роботи атомно-силового мікроскопа заснований на реєстрації силового взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка і зондом. Як зонда використовується нанорозмірне вістря, розташоване на кінці пружною консолі, званої кантилевером. Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до вигину консолі. Поява пагорбів або западин під вістрям призводить до зміни сили, що діє на зонд, а значить, і зміни величини вигину кантілевера. Таким чином, реєструючи величину вигину, можна зробити висновок про рельєф поверхні (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема роботи атомно силового мікроскопа

Під силами, що діють між зондом і зразком, в першу чергу мають на увазі дальнодействующие сили Ван дер--Ваальса, які спочатку є силами тяжіння, а при подальшому зближення переходять у сили відштовхування.

Залежно від характеру дії сили між кантилевером і поверхнею зразка виділяють три режими роботи атомно-силового мікроскопа:

- контактний (англ. contact mode);

- напівконтактний (англ. semi-contact mode або tapping mode);

- безконтактний (англ. non-contact mode);

Тут необхідно пояснити, що саме береться за нуль відстані щоб уникнути плутанини. На наведеному малюнку нуль відповідає нульовому відстані між ядрами атома на поверхні і найбільш виступаючого атома кантілевера. Тому нуль сили знаходиться на певній відстані, відповідному кордоні електронних оболонок цих атомів (при перекритті оболонок виникає відштовхування). Якщо взяти за нуль кордону атомів, то сила звернеться в нуль в нулі відстані.

Контактний режим роботи

При роботі в контактному режимі атомно-силовий мікроскоп є аналогом профілометра. Вістрі кантілевера знаходиться в безпосередньому контакті між зразком і поверхнею.

Сканування здійснюється, як правило, в режимі постійної сили, коли система зворотного зв'язку підтримує постійну величину вигину кантілевера. При дослідженні зразків перепадами висот порядку одиниць ангстрем можливо застосовувати режим сканування при постійному середньому відстані між зондом і поверхнею зразка. У цьому випадку кантілевер рухається на деякій середній висоті над зразком. Вигин консолі ΔZ,пропорційний силі, діючої на зонд з боку поверхні записується для кожної точки. Зображення в такому режимі являє собою просторовий розподіл сили взаємодії зонда з поверхнею. На рисунку 2 показаний графік залежності сили Ван-Дер-Ваальса від відстані кантілівера і поверхні зразка.

Рисунок 2 Графік залежності сили Ван-Дер-Ваальса від відстані кантілівера і поверхні зразка

Переваги методу:

- Найбільша, у порівнянні з іншими методами, завадостійкість

- Найбільша досяжна швидкість сканування

- Є єдиним методом АСМ, що дозволяє досягти атомарного дозволу

- Забезпечує найкращу якість сканування поверхонь з різкими перепадами рельєфу

Недоліки методу:

- Наявність артефактів, пов'язаних з наявністю латеральних сил, які впливають на зонд з боку поверхні

- При скануванні у відкритій атмосфері (на повітрі) на зонд діють капілярні сили, вносячи похибка в визначення висоти поверхні

- Практично непридатний для вивчення об'єктів з малою механічної жорсткістю (органічні матеріали, біологічні об'єкти)

Безконтактний режим роботи

При роботі в безконтактному режимі пьезовибратором порушуються коливання зонда на певній частоті (найчастіше, резонансної). Сила, що діє з боку поверхні, призводить зрушення амплітудно-частотної і фазово-частотної характеристики зонда, і амплітуда і фаза змінюють значення.

Система зворотного зв'язку, як правило, підтримує постійної амплітуду коливань зонда, а зміна частоти і фази в кожній точці записується. Однак можливе встановлення зворотного зв'язку шляхом підтримання постійної величини частоти або фази коливань.

Переваги методу:

- Відсутній вплив зонда на поверхню досліджувану

Недоліки методу:

- Надзвичайно чутливий до всіх зовнішніх шумів

- Найменше латеральне дозвіл

- Найменша швидкість сканування

- Функціонує лише в умовах вакууму, коли відсутній адсорбированный на поверхні шар води

- Попадання на кантілевер під час сканування частинки з поверхні зразка змінює його частотні властивості і настройки сканування "йдуть"

У зв'язку з безліччю труднощів і недоліків методу, його застосування в АСМ вкрай обмежені.

1.5 Напівконтактний режим роботи

При роботі в безконтактному режимі пьезовибратором порушуються коливання зонда на певній частоті (найчастіше, резонансної). Сила, що діє з боку поверхні, призводить зрушення амплітудно-частотної і фазово-частотної характеристики зонда, і амплітуда і фаза змінюють значення.

Система зворотного зв'язку, як правило, підтримує постійної амплітуду коливань зонда, а зміна частоти і фази в кожній точці записується. Однак можливе встановлення зворотного зв'язку шляхом підтримання постійної величини частоти або фази коливань.

Переваги методу:

-Відсутній вплив зонда на поверхню досліджувану

Недоліки методу:

- Надзвичайно чутливий до всіх зовнішніх шумів

- Найменше латеральне дозвіл

- Найменша швидкість сканування

- Функціонує лише в умовах вакууму, коли відсутній адсорбированный на поверхні шар води

- Попадання на кантілевер під час сканування частинки з поверхні зразка змінює його частотні властивості і настройки сканування "йдуть"

У зв'язку з безліччю труднощів і недоліків методу, його застосування в АСМ вкрай обмежені.

2.Багатоперехідні електросилові методи атомно-силової мікроскопії

Багатопрохідні методики зазвичай використовуються в задачах, де необхідно визначати інші, ніж рельєф дані, і при цьому необхідно виключити вплив рельєфу поверхні. Як приклад наведено зображення (рисунок 3) ліній сканування поперек одного магнітного домену для різних початкових відстаней зонд-зразок. Аналогічні методики використовувалися для визначення товщини плівки рідини на твердій поверхні підкладки, для наноманіпуляций (тобто для переміщення окремих атомів), при проведенні нанолітографіческіх операцій.

Рисунок 3 Лінії сканування уздовж одиночного магнітного домену при постійних градієнтах сил, що відповідають різним початковим відстаням зонд-зразок

Перший прохід може бути проведений з застосуванням контактного або перервно-контактного методів. На другому проході можна проводити вимірювання електричних сил або потенціалів, магнітних полів, диссипаций, розподілів ємності. У деяких випадках може бути необхідним і третій прохід для виключення впливу не тільки рельєфу, але і поверхневого електричного поля.

У загальному випадку електро-силова мікроскопія (ЕСМ) може бути використана в декількох варіантах, в залежності від типу досліджуваного зразка та виду необхідної інформації.

Найпоширеніша з них безконтактна ЕЗЗ, заснована на двухпроходной методикою. На другому проході кантілевер приводиться в коливальний стан на резонансної частоті, при цьому кантілевер заземлений або перебуває при постійному зсуві V.

Ємна сила взаємодії зонд-зразок (або швидше її похідна) призводить до зрушення резонансної частоти. Відповідно амплітуда коливань кантілевера зменшується і фаза його коливань зрушується. При цьому і амплітуда і фаза коливань можуть бути виміряні і використані для відображення розподіл електричного потенціалу поверхні зразка.

Цей метод ССМ має певні переваги в порівнянні з методом Зонда Кельвіна (МЗК). Відображення відхилень амплітуди й фази визначаються ємнісний зонд-зразок силовий похідної, тобто другої похідної ємності зонд-зразок. В результаті Безконтактна ЕЗЗ призводить до більш високого дозволу оскільки ставлення паразитногї ємності конуса зонда і плоскій частині кантілевера до корисної ємності кінчик зонда-зразок мінімізується.

Перший мікроскоп подібного типу було сконструйовано Р.Биннигом, Х.Гербером і З.Квайтом в 1986 року, коли протягом року Р. Бінніг показав принципову можливість неруйнуючого контакту зонда з поверхнею зразка.

3.Силова мікроскопія зонда Кельвіна

Технологія мікрочіпів широко застосовується в генетичних і молекулярно-біологічних дослідженнях. В даний час в микрочипах взаємодія між цільової ДНК (що цікавить нас ДНК) і іммобілізованим ДНК-зондом (пришитою до поверхні чіпа одноланцюжкові молекулою ДНК з відомою послідовністю) виявляють за допомогою флуоресцентної мітки. Сучасні методи створення мікрочіпів дозволяють наносити різні ДНК-зонди на підкладку з фотолітографії точністю, однак методи зчитування подібної точністю не мають, тому на практиці використовуються комірки розміром близько 10 мкм.

Технологія візуалізації поверхні, відома як метод зонда Кельвіна (Kelvin probe force microscopy, KPFM), дає можливість вивчати взаємодії між біомолекули, а в поєднанні з методом dip-репнанолитографии (DPN) являє собою аналог технології ДНК-мікрочіпів. KPFM дозволяє надійно детектувати сигнал при розмірах комірки 250 нм. Таким чином, мова йде вже про наночипах, в яких щільність осередків в тисячу разів більше, ніж у сучасних микрочипах.

У методі KPFM вимірюється розподіл поверхневого потенціалу в досліджуваному субстраті. Багато біологічні молекули мають у своїй структурі заряджені ділянки, наприклад такі, як негативно заряджений сахарофосфатная основа молекули ДНК. При формуванні высокоспецифичных комплексів між молекулами відбувається перерозподіл щільності заряду. Вивчаючи зміна потенціалу поверхні зразка, можна детектувати взаємодія між біомолекули.

Asher Sinensky і Angela Belcher з Massachusetts Institute of Technology (США) продемонстрували, що KPFM є зручним і надійним методом зчитування сигналу з білкових або ДНК-наночипів. До переваг методу відносяться: висока роздільна здатність (< 10 нм), висока чутливість (< 50 нМ), висока швидкість сканування зразка (> 1100 мкм/с), можливість розрізняти специфічні та неспецифічні взаємодії між молекулами. Безконтактний метод і не вимагає використання міток, що особливо важливо для біологічних систем.

Представимо дві модельні системи, що імітують основні типи біологічних чіпів. У першому випадку вивчали взаємодія молекули біотину і глікопротеїну авідіна, аналогічне взаємодії «антитіло-антиген». Біотин був іммобілізований на золотий підкладці методом DPN. Зміна потенціалу поверхні після додавання авідіна чітко показує, що сталося зв'язування (рисунок 4).

Рисунок 4 Зміна потенціалу поверхні після додавання авідіна.

У другому випадку вчені досліджували застосування методу KPFM для детектування ДНК-гібридизації - явища, що лежить в основі ДНК-чіпів. Як ДНК-зондів вчені використовували 15-нуклеотидні одноланцюжкові ДНК, що містять фрагменти генів сибірської виразки в одному випадку і малярії в іншому. Згідно очікуванням, в обох випадках спостерігалося подвоєння сигналу при додаванні зразка ДНК, комплементарного ДНК-зонду (рисунок 5), і не спостерігалося у разі некомплементарного (рисунок 6).

За результатами цих досліджень ми можемо спостерігати візуальну форму поверхні тих чи інших матеріалів яка відповідає геометричним розмірам та рельєфу досліджуваного зразка з мінімальними спотвореннями. Цей метод є провідним методом при дослідженні мікроорганізмів або вірусів манометричних розмірів, де вирішальною задачею мікроскопії є дослідження найменших особливостей мікроорганізмів.

Рисунок 6 Випадок не комплементарних зв’язків

Рисунок 5 Подвоєння сигналу при комплементарному зв’язуванні зрвзка та ДНК-зонда

Застосовуємий в даний час Метод Зонда Кельвіна ґрунтується на двухпрохідній методиці. У першому проході визначається рельєф поверхні зразка з використанням преривисто-контактного методу (коливання кантілевера порушуються механічно). На другому проході цей рельєф відстежується, при проходженні над зразком на певній висоті, для визначення поверхневого електричного потенціалу Ф(x). Протягом цього другого проходу коливання кантілевера порушуються не механічно, а електрично шляхом застосування до зонду напруги зсуву Vtip яке містить статичні і динамічні компоненти:

Vtip=Vdc + Vac sin(wt)

Результуюча ємна сила Fcap між зондом і поверхнею, що знаходиться при Vs дорівнює:

Fcap =(1/2) (Vtip - Ф(x))2(dC/dz),

де C(z) є ємністю зонд-зразок.

Сила Fcap w = (dC/dz(Vdc- Ф(x)Vac)sin(wt), діюча на першій гармоніці призводить до відповідних коливань кантілевера. Система зворотного зв'язку змінює змінну складову потенціалу зонда Vdc поки w компонента коливань кантілевера (і, відповідно, w компонента сили зонд-зразок) не зникне, тобто поки Vdc (x) не стане рівною Ф(x). В результаті розподіл Vdc (x) буде відображати розподіл поверхневого потенціалу поверхні зразка. Якщо на зонд не подається постійне переміщення, то це розподіл представляє розподіл Контактної Різниці Потенціалів.

Рисунок 7. Зображення графіту отримане методом зонда Кельвіна

На рисунку 7 показана опографія та зображення поверхні высокоориентированного піролітичного графіту (ВОПГ), отриманий методом зонда Кельвіна. Розміру скана 6 мкм.

4.Електростатична силова мікроскопія

Метод електростатичної силової мікроскопії є ефективним засобом досліджень магнітних структур на субмикронном рівні. Отримувані з допомогою ЕССМ зображення є просторового розподілу деякого параметра, що характеризує магнітна взаємодія зонд-зразок, наприклад, силу взаємодії, амплітуду коливань магнітного зонда і т.д. Магнітний зондовий датчик є стандартним кремнієвим (або виготовленим з нітриду кремнію) зондові датчиком, покритих плівкою з магнітного матеріалу. ЕССМ вимірювання дозволяють проводити дослідження магнітних центр структур з високою просторовою роздільною здатністю, запис і зчитування інформації з магнітної середовищі, процесів перемагнічування і т.д.

При проведенні магнітних досліджень на субмікронному рівні насамперед необхідно відокремити «магнітні» зображення від зображень рельєфу. Для вирішення цієї проблеми магнітні вимірювання проводяться за двопроходною методикою. На першому проході визначається рельєф поверхні по контактному або преривисто-контактним ("пролуконтактному") методів. На другому проході кожної лінії сканування (або зображення в цілому) кантілевер піднімаються над поверхнею і сканування здійснюється відповідно до запомненным рельєфом. В результаті на другому проході відстань між сканується поверхнею і закріпленим кінцем кантілевера підтримується постійним. При цьому відстань зонд-поверхня має бути достатньо великим, щоб зневажити силами Ван дер--Ваальса, так що на другому проході кантілевер піддається впливу тільки далі магнітної сили. Згідно з цим методом і зображення рельєфу і магнітне зображення можуть бути отримані одночасно.

В ЕССМ на другому проході реєструється відхилення неподвижного кантілевера. Це відхилення обумовлено магнітним взаємодією зонда з зразком (подібно взаємодії, яка реєструється в Контактному Метод). Величина магнітної сили, що діє на зонд, може бути визначена шляхом множення відхилення кантілевера на величину його жорсткості. Внаслідок малої величини магнітного зонда його можна розглядати як точковий магнітний диполь. У цьому наближенні сила F, діюча на кантілевер на другому проході, може бути представлена у вигляді:

F = (m grad) H,

де m - ефективний магнітний момент зонда, H - поле розсіювання зразка. Це вираз є похідною від енергії Зеемана, взятої з зворотним знаком.

Даний метод, що дозволяє обходитися без втручання в структуру нанооб'єктів при дослідженні їх внутрішніх властивостей і станів, а також виявляє зв'язок цих властивостей з функціонуванням нанооб'єктів, стане незамінним інструментом в самих різних областях наукових досліджень. Він виявився особливо важливим для наномедицини у сфері біомедичної діагностики, оскільки відкриває доступ до безпомилковому розпізнавання біологічних макро-молекул. До того ж, наш метод помітно полегшить вивчення наночасток в дослідженнях навколишнього середовища і сприятиме отриманню нових способів захисту від самого небезпечного типу забруднювачів – наночастинок.

На рисунку 8 ми можемо побачити зображення багатошаровії вуглецевої нанотрубки, отримане за домопогою методу електростатичної силової мікроскопії а також зразка графену отримане тим самим методом.

а б

Рисунок 8 а- зображення багатошаровії вуглецевої нанотрубки

б- зображення зразка графену

Зараз технологій електростатичної силової мікроскопії застосовується до вивчення мікроскопічних організмів, зокрема, вірусів. З'ясувавши їх діелектричні характеристики, що залишалися до справжнього моменту невідомими, вони зможуть остаточно розібратися в важливих аспектів життєдіяльності шкідливих мікроорганізмів. Наприклад, завдяки новій методиці вдалося швидко відокремити віруси, що містять власну ДНК, ділянки якої можуть бути впроваджені в ДНК господаря, від простих вірусів.

Ці результати також є проривом у фундаментальних дослідженнях дiелектричних матерiалiв, що лежать в основі нового покоління наноелектронних пристроїв. Технологія може пролити світло на діелектричні параметри нещодавно винайдених нанокомпозитів і гібридних нанопристроїв і відповісти на питання, який же мінімальний розмір діелектрика, при якому він здатний зберігати необхідні властивості - іншими словами, наскільки далеко в плані зменшення розмірів електронних компонентів ми можемо зайти.

5.Скануюча ємнісна мікроскопія

Зазначені методики базуються на контактному методі АСМ вимірювань. Для проведення с-АСМ вимірів між зразком і провідним зондом (як правило, це кремнієвий зонд вкритий плівкою Au, Pt, Pt-Ir) прикладається напруга зміщення. Засобами мікроскопу вона варіюється в межах ± 12В. В той час як по одному із каналів проводиться звичайне картографування рельєфу, по іншому каналу реєструється струм, що проходить через зразок. Для цього використовується лінійний підсилювач з діапазоном від 1pA до 1мкА. Таким чином, топографія зразка та карта провідності вимірюються одночасно, що дозволяє проводити порівняння ділянок поверхні з їх електричним властивостями. Коли зупинити зонд у вибраній точці поверхні і проводити варіювання напруги зміщення, можна отримати локальні вольт-амперні характеристики елементів поверхні.

Скануюча Ємнісна Мікроскопія реєструє двовимірні профілі розподілу носіїв у напівпровідникових приладах та матеріалах, базуючись на вимірюваннях малих змін ємності з високою просторовою роздільною здатністю. При скануванні в контактному режимі металізований зонд та зразок формують нано-конденсатор (метал-діелектрик-напівпровідник) в точці контакту. Значення ємності контролюється за допомогою високочастотного резонансного контуру (УВЧ від 880 до 1050MГц). Підтримуючи постійну силу взаємодії між зондом і зразком СЄМ одночасно генерує топографічне та ємнісне зображення.

Прикладання змінної напруги до металевого покриття зонду викликає поперемінне збагачення і збіднення приконтактних шарів носіями струму, викликаючи зміну ємності зонд-зразок. Величина цих змін ємності з прикладанням напруги дає інформацію про концентрацію носіїв (амплітудний канал СЄМ), а різниця фаз між зміною ємності і прикладеною напругою несе інформацію про тип легування (фазовий канал СЄМ). Чутливість методу складає 10-22 Ф/Гц1/2.

За допомогою даної технології можна наприклад дослідити розріз транзистора центрального процесора комп’ютера (рисунок 9).

Рисунок 9. Переріз транзистора мікросхеми пам'яті ПК. Топографія та профіль легування.

Скануюча Ємна Мікроскопія є різновидом Електро-силової Мікроскопії. У загальному випадку в ЕЗЗ на кантілевер подається зсув Vtip=Vdc + Vac sin(wt), де Vac відповідально за порушення коливань. Сканування проводиться на певній висоті h над поверхнею зразка згідно з рельєфом, визначеним на першому проході з використанням Intermittently-контактного Методу. Ємна сила Fcap(z) взаємодії між зондом і поверхнею зразка, яка перебуває при потенціалі Vs , дорівнює:

Fcap(z) =(1/2) (Vtip - Vs)2(dC/dz)

де C(z) - ємність зонд-зразок, що залежить від геометрії зонда, рельєфу поверхні і величини зазору зонд-зразок z.

Друга гармоніка ємнісний сили залежить тільки від (dC/dz) і Vac:

Fcap2w(z) =(1/2)(dC/dz) Vac2sin(2wt)

і може бути використана для отримання додаткової інформації, наприклад, розподілу поверхневої ємності за зразком. Для збільшення амплітуди коливань на другий гармоніці частота w вибирається дорівнює половині резонансної частоти кантілевера wr.