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

В этом случае зондовый датчик движется на некоторой средней высоте Zср над образцом (рис. 3.18), при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ΔZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Рассмотрим пример работы АСМ при постоянном расстоянии между зондом и образцом. Недостаток контактных АСМ методик – непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов и биологические объекты.

Для исследования структуры на основе органических материалов и биологических объектов применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методики позволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методик существенно расширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с высокими коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец. В зависимости от объекта исследования выбирают кантилевер с большей или меньшей жесткостью.

Однако, в случае колебательной методики, система становится сверхчувствительна к внешним источникам вибраций. Чтобы исключить влияние посторонних источников, используют пассивную и активную антивибрационную защиту.

81

В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца. При Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения. Таким образом, наличие силы взаимодействия зонда с поверхностью образца приводит к дополнительному сдвигу АЧХ и ФЧХ системы (рис.3.19).

Амплитудно-частотная характеристика системы:

(3.9)

Фазово-частотная характеристика системы:

(3.10)

82

Рис. 3.19. Изменение АЧХ и ФЧХ кантилевера под действием силы

Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи. На практике чаще используется так называемый «полуконтактный» режим колебаний кантилевера (иногда его называют прерыви- сто-контактный, а в иностранной литературе – «intermittent contact» или «tapping mode» режимы). При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 – 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца (это соответствует области отталкивания на графике зависимости силы от расстояния (рис. 3.20)).

83

Рис. 3.20. Выбор рабочей точки при «полуконтактном» режиме колебаний кантилевера

При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаимодействие кантилевера с поверхностью в «полуконтактном» режиме состоит из ван-дер-ваальсового взаимодействия, к которому в момент касания добавляется упругая сила, действующая на кантилевер со стороны поверхности.

Характерные особенности данного режима сходны с особенностями бесконтактного режима – амплитуда и фаза колебаний кантилевера зависят от степени взаимодействия поверхности и зонда в нижней точке колебаний кантилевера. Поскольку в нижней точке колебаний зонд механически взаимодействует с поверхностью, то на изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера в этом режиме существенное влияние оказывает локальная жесткость поверхности образцов.

84

Формирование АСМ изображения поверхности в режиме колебаний кантилевера происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте кантилевера, с амплитудой А.. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне A0 . Напряжение в петле обратной связи (на z-электроде сканера) записывается в память компьютера в качестве АСМ изображения рельефа поверхности.

3.6. Наномодификация поверхности с помощью СЗМ

При СЗМ-диагностике стремятся минимизировать величину взаимодействия между нанозондом и образцом для того, чтобы исключить повреждение или разрушение исследуемого образца. Вместе с тем, в нанотехнологии стоят задачи создания на поверхности наноструктур с заданной топологией

исвойствами. Решить такие задачи можно путем перевода СЗМ из режима диагностики в режим модификации, увеличив величину взаимодействия между зондом и образцом в десятки

исотни раз. Воздействовать на поверхность образцов можно большим механическим давлением, высокими электрическими полями, потоками электронов или фотонов с высокой плотностью. При раздельном или одновременном действии этих факторов в области наноконтакта инициируется разнообразный спектр физико-химических процессов (пластическая деформация, диффузия, термодиффузия, поляризация, полевое испарение, окисление и т.п.), приводящих к локальной модификации структуры и физико-химических свойств материалов.

85