Атомно-силовая микроскопия

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) относится к классу сканирующих зондовых методов и основана на регистрации взаимодействий между остроконечным зондом и поверхностью образца на нанометровых и субнанометровых масштабах. Основным элементом является кантилевер — упругая микромеханическая балка, на конце которой закреплён острый зонд с радиусом закругления вершины порядка 1–10 нм. При приближении зонда к поверхности возникают силы взаимодействия, приводящие к отклонению кантилевера. Эти отклонения измеряются с высокой точностью и преобразуются в карту рельефа и свойств поверхности.

Взаимодействие зонда с поверхностью обусловлено различными типами сил:

  • Силы Ван-дер-Ваальса — дальнодействующие дисперсионные взаимодействия между атомами зонда и поверхности.
  • Электростатические силы — при наличии зарядов или локальных разностей потенциалов.
  • Капиллярные силы — в условиях влажности, за счёт образования мениска воды.
  • Ковалентные и химические связи — при сверхблизком контакте зонда с атомами поверхности.

Чувствительность метода достигается за счёт регистрации отклонений кантилевера, часто с применением лазерного отражения: на поверхность кантилевера направляют лазерный луч, отражение которого фиксируется фотоприёмником с четырьмя секторами, позволяющим измерять вертикальные и горизонтальные компоненты отклонений.

Режимы работы АСМ

АСМ может работать в нескольких режимах, отличающихся характером взаимодействия зонда с поверхностью:

  1. Контактный режим

    • Зонд постоянно находится в непосредственном контакте с поверхностью.
    • Силы взаимодействия в основном репульсивные.
    • Достоинства: высокая пространственная разрешающая способность.
    • Недостатки: возможное повреждение мягких образцов, значительное трение и износ зонда.

  2. Полуконтактный (tapping) режим

    • Кантилевер возбуждается на резонансной частоте, зонд периодически касается поверхности.
    • Уменьшает механическое воздействие и повышает качество изображения мягких и биологических объектов.
    • Сигнал определяется изменением амплитуды колебаний кантилевера.

  3. Бесконтактный режим

    • Зонд колеблется на малом расстоянии от поверхности, взаимодействуя с ней только через силы Ван-дер-Ваальса.
    • Подходит для изучения очень мягких или легко повреждаемых структур.
    • Требует высоких требований к стабильности и чистоте среды, так как в воздухе часто возникают капиллярные силы.

Конструкция и калибровка кантилевера

Кантилевер изготавливается из кремния или нитрида кремния, часто с покрытием из золота для улучшения отражающей способности. Основные параметры кантилевера:

  • Длина — от 100 до 500 мкм;
  • Ширина — 20–50 мкм;
  • Толщина — порядка 1 мкм;
  • Постоянная упругости — от 0,01 до 100 Н/м, в зависимости от типа исследований.

Калибровка жёсткости кантилевера необходима для точного количественного измерения сил. Один из методов — тепловой метод калибровки, основанный на анализе тепловых флуктуаций кантилевера.

Пространственное разрешение

Разрешение АСМ определяется главным образом радиусом кривизны зонда и шумами измерительной системы. В вертикальном направлении достигается разрешение порядка 0,1 нм, что позволяет наблюдать атомную структуру кристаллических поверхностей. В латеральном направлении разрешение хуже и обычно составляет 1–10 нм.

Применение в физике конденсированного состояния

  1. Исследование топографии поверхности

    • Получение карт рельефа кристаллов, полимеров, тонких плёнок.
    • Контроль качества микро- и наноструктур.

  2. Измерение локальных механических свойств

    • Определение модуля Юнга, упругости и вязкости материалов.
    • Метод nanoindentation с использованием АСМ-зонда.

  3. Картирование распределения сил

    • Получение карт сил Ван-дер-Ваальса, электростатических и магнитных взаимодействий.
    • Использование модифицированных зондов для химического картирования.

  4. Нанолитография

    • Механическая, анодная или химическая модификация поверхности с помощью зонда.
    • Создание наноструктур для электроники и фотоники.

Модификации метода

Существуют многочисленные варианты АСМ, расширяющие его возможности:

  • Магнитная силовая микроскопия (MFM) — зонд с магнитным покрытием для изучения магнитных доменов.
  • Электростатическая силовая микроскопия (EFM) — измерение распределения зарядов и потенциалов.
  • Кельвин-зондовая силовая микроскопия (KPFM) — картирование работы выхода электрона.
  • Термальная АСМ — измерение локальной теплопроводности и температуры.
  • Химически функционализированные зонды — для выборочного взаимодействия с определёнными молекулами.

Ограничения метода

Несмотря на исключительную разрешающую способность, АСМ имеет ряд ограничений:

  • Ограниченная скорость сканирования — получение изображения высокого качества может занимать минуты и даже часы.
  • Ограниченный диапазон сканирования по высоте и площади.
  • Возможность повреждения образца или зонда при работе в контактном режиме.
  • Необходимость высокоточной виброизоляции и контроля среды.
Оглавление