Принцип работы и применение атомно-силовых микроскопов
Атомно-силовой микроскоп — это сканирующий зондовый микроскоп, разработанный на основе основных принципов сканирующего туннельного микроскопа. Появление атомно-силовой микроскопии, несомненно, сыграло движущую роль в развитии нанотехнологий. Сканирующая зондовая микроскопия, представленная атомно-силовой микроскопией, представляет собой серию микроскопов, в которых используется небольшой зонд для сканирования поверхности образца, обеспечивая наблюдение с большим увеличением. Сканирование атомно-силовой микроскопией может предоставить информацию о состоянии поверхности различных типов образцов. По сравнению с обычными микроскопами преимущество атомно-силовой микроскопии заключается в том, что с ее помощью можно наблюдать поверхность образцов при большом увеличении в атмосферных условиях и можно использовать практически для всех образцов (с определенными требованиями к гладкости поверхности) без необходимости других процедур подготовки образцов для получения трехмерных морфологических изображений поверхности образцов. Он также может выполнять расчет шероховатости, толщины, ширины шага, блок-схему или анализ размера частиц на трехмерном морфологическом изображении, полученном в результате сканирования.
Атомно-силовая микроскопия может обнаружить множество образцов, предоставить данные для исследования поверхности и контроля производства или разработки процессов, которые не могут быть предоставлены обычными сканирующими измерителями шероховатости поверхности и электронными микроскопами.
1. 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 небольшом гибком 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, обнаруживаемая 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 отклонения угла используется позиционно-чувствительный фотодетектор. Затем собранные данные обрабатываются на компьютере для получения трехмерного изображения поверхности образца.
Комплектный кантилеверный зонд размещается на поверхности образца, контролируемой пьезоэлектрическим сканером, и сканируется в трех направлениях с шириной шага 0,1 нм или менее с точностью по горизонтали. Обычно при детальном сканировании поверхности образца (ось XY) ось Z-, управляемая обратной связью смещения кантилевера, остается фиксированной и неизменной. Значения оси Z-, которые обеспечивают обратную связь по отклику сканирования, вводятся в компьютер для обработки, в результате чего получается изображение наблюдения (3D-изображение) поверхности образца.
