Атомно силовой микроскоп

Введение

 
Атомный силовой микроскоп был разработан в 1986 году, через четыре года после изобретения сканирующего туннельного микроскопа. Первый промышленный АСМ был изготовлен в США фирмой Диджитал инструментс (Digital Instruments) в 1989 году. Сегодня в различных лабораториях имеется более 1000 таких приборов, в России - около 60. Атомный силовой микроскоп позволяет наблюдать рельеф поверхности с большим пространственным разрешением - несколько ангстрем вдоль поверхности и сотые доли ангстрема по высоте (1 ангстрем = 1 Å = 10-8 см). При таком разрешении удается увидеть отдельные молекулы, составляющие твердое тело. Первая работа, в которой с помощью АСМ изучался рост кристалла в растворе, опубликована в 1992 году. Так началась новая эра экспериментального исследования физики кристаллизации, эра изучения элементарных актов присоединения частиц к растущей поверхности [1].

АСМ (или AFM, другое название СЗМ - сканирующий зондовый микроскоп) служит для получения изображений поверхностей различного рода: металлов, керамики, полимеров или биомолекул и живых клеток. Кроме того, АСМ существенно расширяет возможности экспериментатора при изучении механических, магнитных и электрических свойств материалов.

1.Принцип работы АСМ

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания. 
В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа:

1. Контактный (англ. contact mode)

2. «Полуконтактный» (англ. semi-contact mode или tapping mode)

3. Бесконтактный (англ. non-contact mode)

Здесь необходимо пояснить, что именно берётся за ноль расстояния во избежание путаницы. На приведённом рисунке ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами атома на поверхности и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому ноль силы находится на конечном расстоянии, соответствующем границе электронных оболочек этих атомов (при перекрытии оболочек возникает отталкивание). Если взять за ноль границы атомов, то сила обратится в ноль в нуле расстояния.

2. Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью. 
Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли ΔZ,пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью. 
Достоинства метода:

• Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость

• Наибольшая достижимая скорость сканирования

• Обеспечивает наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа

Недостатки метода:

• Наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности

• При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности

• Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

3.Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. 
Система обратной связи, как правило, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний. 
Достоинства метода:

• Отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность

Недостатки метода:

• Крайне чувствителен ко всем внешним шумам

• Наименьшее латеральное разрешение

• Наименьшая скорость сканирования

• Функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды

• Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"

В связи с множеством сложностей и недостатков метода, его приложения в АСМ крайне ограничены.

4.Полуконтактный  режим работы атомно-силового  микроскопа

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом. 
Достоинства метода:

• Наиболее универсальный из методов АСМ, позволяющий на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1-5 нм

• Латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности, устранены - упрощает интерпретацию получаемых изображений

Недостатки метода:

• Максимальная скорость сканирования меньше, чем в контактном режиме

5.Прочие силы

Несмотря на то, что при описании работы атомно-силового микроскопа, очень часто упоминаются лишь силы Ван-дер-Ваальса, в реальности со стороны поверхности также действуют упругие силы и силы адгезии. Их вклад особенно очевиден при работе в полуконтактном режиме, когда вследствие "прилипания" кантилевера к поверхности возникает гистерезис которые могут существенно усложнять процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Кроме того со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды можно узнать их распределение по поверхности.

6.Конструкция  атомно-силового микроскопа

Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:

• Жёсткий корпус, удерживающий систему

• Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется

• Устройства манипуляции

В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда. Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для «грубого» регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая — для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон). В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещения на расстояния порядка ангстрем, однако им присущи такие недостатки, как термодрейф, нелинейность, гистерезис, ползучесть (крип).

• Зонд

• Система регистрации отклонения зонда. Существует несколько возможных систем:

• Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)

• Пьезоэлектрическая (использует прямой и обратный пьезоэффект)

• Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)

• Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)

• Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)

• Система обратной связи

• Управляющий блок с электроникой

На рисунке изображена схема атомного силового микроскопа: О – острие (игла),П – пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz – пьезоэлектрические преобразователи. При этом Px и Py служат для сканирования образца под иглой, аPz управляет расстоянием от острия до поверхности, D – туннельный датчик, который регистрирует отклонения пружинки с острием.

7.Преимущества и недостатки  атомного силового микроскопа

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдо трёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150*150 микрон2. Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-скана, как правило, требуется несколько минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Достаточно медленная скорость развёртки АСМ часто приводит к появлению на изображении искажений, вызываемых тепловым дрейфом ограничивая тем самым возможности микроскопа при точном измерении элементов сканируемого рельефа. Однако было предложено несколько быстродействующих конструкций, чтобы увеличить производительность сканирования микроскопа, включая зондовый микроскоп, который был впоследствии назван видеоАСМ (удовлетворительного качества изображения были получены на видеоАСМ с частотой телевизионной развёртки, т.е. быстрее, чем на обычном РЭМ). Для коррекции искажений от термодрейфа было также предложено несколько методов.

Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера, а также перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, что может потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют программное обеспечение, которое вносит исправления в реальном масштабе времени (например, особенность-ориентированное сканирование, особенность-ориентированное позиционирование, либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы. Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используют XY и Z элементы сканера механически несвязанные друг с другом, что также позволяет исключить часть паразитных связей.

АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке.

8.Усовершенствования атомного  силового микроскопа

Атомные силовые микроскопы существуют давно и, кажется, отработаны в совершенстве. Тем интереснее появление новинки, превосходящей прежние системы по всем параметрам и, к тому же, впервые способной снимать видео в наномасштабе.Атомные силовые микроскопы способны показывать поверхность образцов практически на молекулярном уровне. Существует несколько вариантов таких устройств, но всех их объединяет одно - сверхтонкая игла, сужающаяся на острие едва ли не до единственного атома. Эта игла, говоря упрощённо, ощупывает рельеф изучаемой поверхности.Она приводится в движение очень чувствительным и прецизионным приводом, который управляется компьютером.Дальше начинаются вариации - как именно снимать эти движения иглы (в частности, тут используется лазер и зеркала), и вообще - точно позиционировать её при движении вдоль образца.

Например, в ряде моделей игла управляется с помощью обратной связи по величине туннельного тока - потока электронов, проскакивающих между иглой и образцом при приближении иглы почти до касания поверхности.И всё же результат работы такой машины один: геометрия поверхности, построенная компьютером после сканирования (последовательного прохода иглой большого ряда "дорожек", словно луч в кинескопе телевизора).В 2006 году в США был продемонстрирован необычный атомный микроскоп, который не просто на голову превосходит прежние модели по ключевым параметрам, но в единственном проходе получает сразу: рельеф образца, его физические и некоторые химические свойства.Называется эта новая удивительная система "Интегрированный считывающий и активный чувствительный к усилию наконечник" (Force sensing and Integrated Readout Active Tip - FIRAT).FIRAT устраняет два главных неудобства прежних систем: в отличие от них он способен работать так быстро, что может даже снимать нановидеоролики, а кроме того, он одновременно выдаёт ещё и информацию о физико-химических особенностях поверхности.Как говорят авторы агрегата, FIRAT работает как помесь палки Пого (на которую встают и прыгают, отталкиваясь от земли) и микрофона.В одном варианте исследования мембрана с острым наконечником перемещается к образцу, но ещё до того, как касается его, испытывает с его стороны силу молекулярного притяжения. И как диафрагма микрофона новый сенсор чувствует эти свои отклонения ещё на дистанции.А когда наконечник дотрагивается до поверхности, её эластичность и прочность определяют прогиб материала под иглой - её колебания.В результате, обрабатывая сигнал о положении иглы во время сканирования, учёные могут получить массу данных. Не только рельеф образца, но и карту адгезии, прочности, эластичности, вязкости.

Интересно, что авторы FIRAT сумели уменьшить размер привода сканирующего наконечника до размеров иголки, вместо прежних очень крупных узлов. А снижение инерционности привода позволило новой машине проходить до 60 линий, идущих поперёк образца, каждую секунду.Новая технология окажется неоценимой для многих типов исследований, в особенности для измерения параметров микроэлектронных устройств и наблюдения в режиме реального времени за биологическими взаимодействиями в молекулярном масштабе.Самое примечательное в изобретении - новая система сканирования может быть добавлена без кардинальных переделок к существующим атомным силовым микроскопам.

9.Принцип действия атомного  силового микроскопа

На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема, 1 ? = 10-8 см) действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца (как говорят, сканирует эту поверхность). При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка П, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком D. В качестве датчика в АСМ могут использоваться любые особо точные и чувствительные - прецизионные - измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные датчики. На рисунке 1.8 показан именно последний тип датчика, - фактически это такая же игла, какая применяется в сканирующем туннельном микроскопе.

Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о высоте рельефа - топографии поверхности и, кроме того, об особенностях межатомных взаимодействий. Можно сказать, что в атомном силовом микроскопе сканирование исследуемого образца происходит по «поверхности постоянной силы».

Принципы же прецизионного управления основаны на обратной связи и улавливают самые ничтожные изменения рельефа поверхности.

Список использованной литературы

1. http://traditio-ru.org/

2. http://chem21.info/info/1624647/

3. http://n-t.ru/nj/nz/1989/0901.htm

4. http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=583752

5. http://www.nanometer.ru/2007/06/06/kantilever_2629.html

6. http://www.ntmdt.ru