Материал: Диагностика наноматериалов и наноструктур. Акулинин С.А., Проскурина И.С

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 3.15. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Основные регистрируемые оптической системой параметры – это деформации изгиба консоли под действием Z- компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозна-

76

чить исходные значения фототока в секциях фотодиода через

I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4 - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных

секций фотодиода &Dela;Ii = Ii - I0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида

(3.7)

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 15 (а)). А комбинация разностных токов вида

(3.8)

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 3.15 (б)). Величина IZ используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 3.16). Система обратной связи (ОС) обеспечивает IZ = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ΔZ . равным величине ΔZ0.

77

Рис. 3.16. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

При сканировании образца в режиме Z = const. зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z- электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z= f(x,y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

78

3.5. Контактная атомно-силовая микроскопия

Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две большие группы – контактные квазистатические и бесконтактные колебательные. В контактных квазистатических методиках остриё зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.

В квазистатическом режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца. При сканировании образца в режиме FZ = const система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом (рис. 3.17). При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца.

79

Рис. 3.17. Формирование АСМ изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом

Рассмотрим пример работы АСМ при постоянной силе взаимодействия с образцом.

Рис. 3.18. Формирование АСМ изображения при постоянном расстоянии между зондовым датчиком и образцом

При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const).

80