Принцип работы и применение атомно-силовой микроскопии.
Атомно-силовая микроскопия — это сканирующий зондовый микроскоп, разработанный на основе основного принципа сканирующей туннельной микроскопии. Появление атомно-силовой микроскопии, несомненно, сыграло движущую роль в развитии нанотехнологий. Сканирующая зондовая микроскопия, представленная атомно-силовой микроскопией, представляет собой серию микроскопов, в которых для сканирования поверхности образца используется небольшой зонд, обеспечивающий наблюдение с большим увеличением. Сканирование атомно-силовой микроскопией может предоставить информацию о состоянии поверхности различных типов образцов. По сравнению с обычными микроскопами преимуществом атомно-силовой микроскопии является то, что с ее помощью можно наблюдать поверхность образца при большом увеличении в атмосферных условиях и ее можно использовать практически для всех образцов (с определенными требованиями к гладкости поверхности), без необходимости других процессы подготовки проб для получения трехмерного изображения морфологии поверхности образца. И может выполнять расчет шероховатости, толщины, ширины шага, блок-схему или анализ размера частиц на трехмерных морфологических изображениях, полученных в результате сканирования.
Атомно-силовая микроскопия может обнаружить множество образцов и предоставить данные для исследования поверхности, контроля производства или разработки процессов, которые не могут предоставить обычные сканирующие измерители шероховатости поверхности и электронные микроскопы.
Основные принципы
Атомно-силовая микроскопия использует силу взаимодействия (атомную силу) между поверхностью образца и кончиком тонкого зонда для измерения морфологии поверхности.
Наконечник зонда находится на небольшой кантилевере, и взаимодействие, возникающее при контакте зонда с поверхностью образца, обнаруживается в форме отклонения кантилевера. Расстояние между поверхностью образца и зондом составляет менее 3-4 нм, а сила, фиксируемая между ними, составляет менее 10-8 Н. Свет лазерного диода фокусируется на задней части кантилевера. Когда кантилевер изгибается под действием силы, отраженный свет отклоняется, и для определения угла отклонения используется позиционно-чувствительный фотодетектор. Затем собранные данные обрабатываются на компьютере для получения трехмерного изображения поверхности образца.
Полный кантилеверный зонд размещается на поверхности образца, контролируемой пьезоэлектрическим сканером, и сканируется в трех направлениях с шириной шага 0,1 нм или менее по точности. Обычно при детальном сканировании поверхности образца (ось XY) ось Z, управляемая обратной связью смещения кантилевера, остается фиксированной и неизменной. Значения оси Z, которые являются обратной связью с откликом сканирования, вводятся в компьютер для обработки, в результате чего получается наблюдаемое изображение (3D-изображение) поверхности образца.
Характеристики атомно-силовой микроскопии
1. Возможности высокого разрешения намного превосходят возможности сканирующей электронной микроскопии (SEM) и оптических измерителей шероховатости. Трехмерные данные на поверхности образца отвечают все более микроскопическим требованиям исследований, производства и контроля качества.
2. Неразрушающий, сила взаимодействия между зондом и поверхностью образца ниже 10-8Н, что намного ниже, чем давление традиционных щупов для измерения шероховатости. Следовательно, это не повредит образец, и в сканирующей электронной микроскопии нет проблем с повреждением электронным лучом. Кроме того, сканирующая электронная микроскопия требует нанесения покрытий на непроводящие образцы, а атомно-силовая микроскопия этого не требует.
3. Он имеет широкий спектр применения и может использоваться для наблюдения за поверхностью, измерения размера, измерения шероховатости поверхности, анализа размера частиц, статистической обработки выступов и ямок, оценки условий формирования пленки, измерения шага размера защитных слоев, оценки плоскостности межслойные изоляционные пленки, оценка VCD-покрытий, оценка процесса трения ориентированных пленок, анализ дефектов и т. д.
4. Программное обеспечение обладает мощными возможностями обработки, а его отображение 3D-изображений позволяет свободно устанавливать его размер, перспективу, цвет отображения и блеск. Можно выбрать сеть, контурные линии и линии отображения. Управление макросами при обработке изображений, анализе формы и шероховатости поперечного сечения, морфологическом анализе и других функциях.
