Лекция №4 Атомно-силовая микроскопия

План:

1. Контактная, бесконтактная и полуконтактная АСМ.2. Сила взаимодействия между зондом и образцом. Зависимость силы

взаимодействия от расстояния. 3. Капиллярное и адгезионное взаимодействие в зондовой микроскопии. 4. Колебания кантилевера в поле внешних сил. Фазовая микроскопия. 5. Реализация АСМ в СЗМ «Nanoeducator».

Контактная, бесконтактная и полуконтактная АСМ

Различают три режима работы АСМ: контактный, бесконтактный и прерывисто-контактный (полуконтактный или режим «обстукивания»). Режим определяется областью на кривой взаимодействия зонд-образец, в которой производится измерение силы.

Кривая взаимодействия зонд-образец и режимы АСМ

12

0

6

00 2

r

r

r

rUU

Контактная АСМ: зонд упирается в образец и находится в области действия сил отталкивания (различают режим постоянной высоты и режим постоянной силы). Неконтактная АСМ: зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. Полуконтактная АСМ: зонд частично касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания (также используют режим фазового контраста). Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса. Энергию взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса (6-12):

Основной принцип работы атомно-силового микроскопа заключается в воздействии сил со стороны поверхности образца на острие сканирующей иглы.

Контактная, бесконтактная и полуконтактная АСМ

АСМ-профили при наличии на поверхности влаги: а – в бесконтактном; б – контактном

режиме

Во время контакта при деформации поверхности образца кантилевером преобладает сила упругого отталкивания, а соответствующее приближение называется задачей Герца.

• На расстояниях кантилевер - образец порядка нескольких десятков ангстрем главным является межмолекулярное взаимодействие, называемое силой Ван-дер-Ваальса.

• На таких же масштабах в присутствии жидких пленок большое влияние могут оказывать капиллярные силы и адгезия. Радиус действия капиллярных сил определяется толщиной жидкой пленки.

Влияние капиллярной силы на притяжение зонда к поверхности.

Сила взаимодействия между зондом и образцом. Зависимость силы взаимодействия от расстояния.

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца:

VdVdrnrnrrUW PS

VV

PS

SP

где n(r)S и n(r')P - плотности атомов в материале образца и зонда. Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

PSPS WgradF

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.

Сила взаимодействия между зондом и образцом. Зависимость силы взаимодействия от расстояния.

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) оставляющие.

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. Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы.

С помощью атомно-силового микроскопа можно изучать особенности локального силового взаимодействия зонда с поверхностью и на основании результатов данных исследований судить о свойствах поверхности различных образцов.

Сила взаимодействия между зондом и образцом. Зависимость силы взаимодействия от расстояния.

С этой целью снимаются так называемые кривые подвода зонда к поверхности и кривые отвода Z=f(z). При приближении к поверхности образца зонд попадает в область действия сил притяжения. Это вызывает изгиб кантилевера в направлении к поверхности вставка. В этой области наблюдается явление скачка зонда к поверхности, обусловленное наличием большого градиента сил притяжения вблизи поверхности. Для мягких (пластичных) образцов, а также для образцов, на поверхности которых находятся адсорбированные слои различных материалов, кривые имеют более сложный характер. В этом случае на вид зависимости существенное влияние оказывают эффекты капиллярности и пластичности.

Капиллярное взаимодействие в зондовой микроскопии.

В большинстве случаев на поверхности исследуемого образца присутствует жидкая пленка микроскопических масштабов. Это приводит к существенным эффектам при взаимодействии кантилевера с такой поверхностью, т.к. на столь малом масштабе большое значение приобретают силы поверхностного натяжения.

Ясно, что искривленная поверхность шейки будет стремиться выпрямиться, что возможно только за счет опускания кантилевера. Это означает возникновение притяжения кантилевера к образцу.

D - расстояние зонд−образец,d - «глубина погружения», h - толщина пленки, 1 - меньший радиус кривизны жидкой поверхности, 2 - радиус площадки соприкосновения кантилевера с жидкостью.

cos4max RF

d

hDR

Fкап

1

cos12

НF 98max 1010 Для воды:

Адгезионное взаимодействие в зондовой микроскопии.

Адгезия (от лат. adhaesio – прилипание) в физике – сцепление поверхностей разнородных твёрдых и(или) жидких тел.

Две разновидности адгезии: зонд-жидкая пленка на поверхности и зонд-твердый образец. Причина адгезионных сил между зондом и твердым образцом – молекулярное электростатическое взаимодействие. Адгезия – неконсервативный процесс. Силы при подводе кантилевера к образцу отличаются от сил при отрыве зонда от поверхности. На подобную операцию будет потрачена работа, называемая работой адгезии. Модель адгезии зонда к поверхностиАдгезия зонда к поверхности по

модели Маугиса (1992).

Колебания кантилевера в поле внешних сил. Фазовая микроскопия

Бесконтактная и полуконтактная АСМ являются так называемыми осцилляционными методиками (кантилевер колеблется на некотором расстоянии от поверхности при помощи специального пьезодрайвера.

tutu cos)( 0

tAzdt

dz

dt

zd cos2 0

202

2

22222

0

0

4

Az

20

2

2arctg

2200 2r резонансная частота колебаний

21Q добротность колебаний

z

r

При воздействии силы уменьшается амплитуда колебаний, а также изменяется резонансная частота и фаза колебаний:

112

20

0rkdz

dF

Реализация АСМ в СЗМ «Nanoeducator»

Конструкция датчика силового взаимодействия прибора

Nanoeducator

Принцип работы датчика силового взаимодействия прибора

Nanoeducator

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Чем отличаются контактная и полуконтактная методики? Оценните их достоинства и недостатки.

2. Чем определяется сила взаимодействия зонда с поверхностью?

3. Как используется для измерения силы взаимодействия зонда с поверхностью четырехсекционный фотодиод?

4. Какова причина гистерезиса на кривой подвода и отвода зонда от образца?

5. Каково влияние капиллярных и адгезионных взаимодействий в атомно-силовой микроскопии?

6. Как регистрируют силу взаимодействия зонда и образца в бесконтактной методике?

7. Что такое метод отображения азы и метод рассогласования обратной связи?

8. Как реализуется атомно-силовая микроскопия в СЗМ Nanoeducator? Какие из методик при этом могут использоваться?