Атомно-силовой микроскоп был изобретен Биннигом, Квоутом и Гербером (Binnig, Quate, Gerber) в 1986 году [1]. В отличие от сканирующей туннельной микроскопии, АСМ позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного уровня по горизонтали и существенно превышает его по вертикали. Обычно под взаимодействием понимают притяжение или отталкивание зонда и поверхности под действием близкодействующих сил Ван-дер Ваальса, однако существует целый ряд модификаций метода для анализа иных взаимодействий, например, электростатических, магнитных, сил трения. Когда игла находится на достаточно большом расстоянии от образца, зонд слабо притягивается к образцу. С уменьшением расстояния это притяжение усиливается до тех пор, пока электронные облака иглы и атомов поверхности не начнут испытывать электростатическое отталкивание. Суммарная сила обращается в ноль на расстоянии порядка длины химической связи (несколько десятых нм); при меньших расстояниях доминирует отталкивание.
В зависимости от расстояний от иглы до образца, используемых для получения АСМ-изображений, возможны следующие режимы (моды) работы АСМ:
При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла АСМ находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. Топографические изображения в АСМ обычно получают в одном из двух режимов:
При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. По изменению амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение поверхности.
Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца.
При использовании АСМ в нанолитографии работа ведется в контактном режиме с контролируемым перемещением острия зонда по заданной схеме.
При использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности.
Квантовая гетероструктура GaAlAs: светлые вертикальные поверхности высотой ~15 нм представляют собой оксид, созданный на поверхности GaAlAs анодным окислением с помощью атомно-силового микроскопа и образующий барьер для движения двумерного электронного газа. Источник: Объект и его изображение получил Dr. Andreas Fuhrer (ETH, Z?rich, Switzerland), предоставлено http://www.icmm.csic.es/spmage/ |