Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Физические основы метода атомно-силовой микроскопии. Потенциал Ленарда-Джонса как критерий оценки силы взаимодействия зонда с образцом

1. Физические основы атомно-силовой микроскопии

Работа атомно-силового микроскопа (АСМ) основана на использовании сил межатомного взаимодействия, возникающих в процессе сканирования между атомами поверхности исследуемого образца и атомами кантилевера, представляющего собой упругую консоль с основанием служащим для крепления на одном конце и острым зондом на другом (рис. 1).

Рис. 1 Схематическое изображение зондового датчика

При сканировании в результате взаимодействия зонда с поверхностью образца консоль кантилевера отклоняется от равновесного положения в ту или иную сторону в зависимости от рельефа, величина этого отклонения регистрируется системой детектирования, которая посылает в систему управления сигнал, пропорциональной величине отклонения. Система управления перемещает образец в вертикальном направлении таким образом, чтобы вернуть систему образец-зонд в равновесное положение. Одновременно перемещения зонда регистрируют и в дальнейшем интерпретируют как рельеф поверхности.

Поскольку измерение рельефа поверхности проводят за счёт силового взаимодействия, то электрическая проводимость образцов никакой роли не играет.

На рис. 2 представлена кривая зависимости силы межатомного взаимодействия F от расстояния между атомами зонда и поверхности образца R. Правый край кривой характеризует ситуацию, когда атомы зонда и поверхности разделены большим расстоянием. По мере приближения зонда к образцу они сначала слабо, а затем всё сильнее притягиваются друг к другу 6 благодаря наличию притягивающих сил (сил Ван-дер-Ваальса). Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы зонда и образца не сблизятся настолько, что их электронные оболочки начнут перекрываться, что приведёт к появлению отталкивающей электростатической силы. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально возрастает и ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами около 0,2 нм.

Рис. 2. Схематическое изображение зависимости силы (а) и ее производной (б) по координате z от расстояния зонд-поверхность.

На взаимодействие зонда с поверхностью большое влияние оказывает наличие адсорбционного слоя на поверхности образца. При проведении исследований на воздухе поверхность, в зависимости от свойств материала образца, может покрываться слоем атомов. Этот слой, как правило, состоит из различных компонентов воздуха, в том числе воды, а также из веществ, которые попадают на поверхность образца в процессе изготовления или транспортировки в камеру атомно-силового микроскопа. Толщина слоя может меняться в широких пределах (от нескольких до десятков нм) и значительно влияет на разрешающую способность микроскопа. При подведении зонда к поверхности образца в момент соприкосновения зонда с адсорбционным слоем возникает дополнительная притягивающая составляющая силы вследствие капиллярного притяжения. Эффект капиллярного притяжения также проявляется при отведении образца. В этих условиях на экспериментальной кривой F(R) может иметь место гистерезис, обусловленный тем, что при одном и том же расстоянии R сила взаимодействия зонда и образца оказывается различной при приближении зонда или его удалении. В таких случаях проведение исследований затрудняется.

Характер взаимодействия зонда и адсорбционного слоя сильно зависит от формы острия зонда. Силы капиллярного взаимодействия сильнее проявляются в случае использования зондов с большим радиусом закругления острия вследствие большей площади контакта с адсорбционным слоем.

Материал образца также оказывает большое влияние на характер сил взаимодействия между зондом и поверхностью. Образцы с малой жёсткостью могут деформироваться в области контакта в процессе движения зонда над поверхностью образца - сканирования. Кроме того, различные материалы имеют разные константы адсорбции и склонность к образованию адсорбционного слоя. Некоторые материалы склонны накапливать статическое электричество, которое также может оказывать значительное влияние на зависимость F(R).

В общем случае данная сила имеет как нормальную, так и касательную (лежащую в плоскости образца) составляющие. Поэтому реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако, основные черты данного взаимодействия сохраняются: зонд испытывает притяжение со стороны атомов поверхности образца на больших расстояниях и отталкивание - на малых.

Получение изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли кантилевера. В настоящее время существует большое количество методов регистрации изгиба и параметров колебаний зонда.

Оптическую систему АСМ юстируют таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли датчика, а отражённый пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприёмника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприёмников применяют четырёхсекционные полупроводниковые фотодиоды. Основные регистрируемые оптической системой параметры - это величина деформации изгиба консоли под действием нормальной составляющей сил притяжения или отталкивания и величина деформации кручения под действием касательных составляющих сил взаимодействия зонда с поверхностью. Отражённый пучок лазера смещается из центра фотодиода и создаёт разность токов ДI с различных секций фотодиода, которая пропорциональна изгибу консоли. Рассчитав этот изгиб и, зная жёсткость консоли, можно определить силы, действующие между зондом и поверхностью, а также относительную высоту рельефа поверхности (z-координату) в точке контакта.

Для измерения высоты рельефа поверхности в других точках зонд сканирует поверхность. При этом величина ДI используется в качестве входного параметра в петле обратной связи АСМ. Если система обратной связи должна обеспечивать ДI = const, то необходимо за счёт перемещения образца по z - координате поддерживать постоянной величину изгиба консоли Дz = const.

При сканировании образца в режиме Дz = const зонд перемещают вдоль поверхности, при этом величину перемещения образца по zкоординате записывают в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (X, Y). Высокая чувствительность зондов и разрешение регистрирующих устройств позволяет АСМ контролировать силы от 10-6 до 10-12 Н, что принципиально отличает их от обычных профилометров. В настоящее время реализованы конструкции высоковакуумных АСМ, позволяющие получать атомное разрешение при исследовании поверхности образца.

2. Потенциал Леннарда-Джонса

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дерВаальса. На малых расстояниях (приблизительно 1Е) между атомами двух тел действуют силы отталкивания, а на несколько больших - силы притяжения. В сканирующем АСМ такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над ней острие зонда. Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией - потенциалом Леннарда-Джонса:

атомный микроскоп зондовый датчик

Качественный вид потенциала Леннарда-Джонса представлен на рис. 3. Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r0 - равновесное расстояние между атомами, U0 - значение энергии в минимуме. Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом (рис. 3.3). Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов образца и зонда. Тогда энергия взаимодействия может быть вычислена следующим образом:

где nS (r) и nP(r') - плотности атомов в материале образца и зонда (рис. 4.).

Рис. 3. Качественный вид потенциала Леннарда - Джон

Рис. 4. К расчету энергии взаимодействия зонда и образца

Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена:

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Размещено на Allbest.ru