Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.АКМУЛЛЫ»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра Прикладной физики и нанотехнологий

Электроника и наноэлектроника

Реферат

Атомно-силовая микроскопия. Принцип работы

Выполнил: Ахтаров Р.Р.

Уфа 2018

Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
• 1.1 Понятие об атомно-силовой микроскопии
• 1.2 Кантилевер
• 1.3 Принцип работы
• 1.4 Блок-схема атомно-силового микроскопа
• ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА
• 2.1 Контактный режим
• 2.2 Бесконтактный режим
• 2.3 Полуконтактный режим
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• ЛИТЕРАТУРА
• ВВЕДЕНИЕ
• Атомно-силовая микроскопия (АСМ) при своем возникновении рассматривалась как вариант сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), но по прошествии 25 лет своего развития, она стала основным методом сканирующей зондовой микроскопии. Этот метод, основанный на измерении сил взаимодействия между миниатюрным зондом, закрепленным на кантилевере и поверхностью образца, широко используется для изучения материалов и процессов с нанометровым разрешением. Геометрические или физические свойства поверхности измеряются по изменению отклика кантилевера на взаимодействие между зондом и поверхностью по мере движения зонда вдоль поверхности. В ранних версиях АСМ зонд прижимался к поверхности, а измерение силы и управление зондом производились по квазистатическому отклонению кантилевера. Этот режим сканирования (контактный) может использоваться для изучения рельефа поверхности и измерения механических и трибологических свойств. Однако его нельзя применять при исследовании слишком мягких материалов, поскольку перемещение прижатого зонда может приводить к заметным сдвиговым деформациям образца. Эта проблема была решена в динамических методиках, в которых зонд осциллирует и поэтому контактирует с поверхностью только некоторую часть времени измерения. В этих методиках используется амплитудная (АМ) или фазовая (ФМ) модуляция сигнала. Выбор типа модуляции определяется условиями проведения измерений. В большинстве процедур АСМ производится съемка рельефа поверхности. Пространственное разрешение получаемых изображений определяется как свойствами поверхности образца, так и геометрией зонда. При этом ответ на вопрос о точности измерений во многих случаях неочевиден, поскольку он зависит от многих аппаратурных и экспериментальных факторов. Во-первых, точность пьезоэлектрических сканеров составляет всего лишь 5 %, и их приходится калибровать с помощью тестовых решеток. Это не позволяет получить данные с точностью, присущей дифракционным методикам. Во-вторых, для серийной аппаратуры форма зонда и радиусы кривизны его острия известны с небольшой точностью, для улучшения которой требуется дополнительное исследование зонда (например, с помощью просвечивающей электронной микроскопии). Следует заметить, что изменение этой силы является одним из принципов, лежащих в основе АСМ. Съемка с малой силой прижима гарантирует от повреждения зонда и образца и дает высокое разрешение для изображения изолированных деталей профиля поверхности. При повышении силы прижима измеряемый сигнал становится чувствительнее к механическим свойствам поверхности, поскольку при этом увеличивается деформация образца под действием зонда. Однако из-за увеличения площади контакта при этом ухудшается пространственное разрешение. По этим причинам анализ АСМ изображений требует особой тщательности, особенно при проведении прецизионных измерений.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

1.1 Понятие об атомно-силовой микроскопии

Атомно-силовой микроскоп -- сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использованиии специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) может исследовать как проводящие так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает на атомарном уровне по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером в США. Атомно-силовой микроскоп применяется для фотографированя профиля поверхности и для изменения её рельефа, а также для манипулирования: перемещения, добавления, удаления микроэлементов на поверхности объекта.

1.2 Кантилевер

Основным элементом атомно-силового микроскопа является зондовый датчик (кантилевер), представляющий собой упругую консоль (пружину) с известной константой упругости и с острым зондом на свободном конце (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение кантилевера АСМ.

атомный силовой микроскоп

Кантилеверы изготавливаются из кремния и для лучшего отражения их обратную часть покрывают золотой пленкой.

К основным характеристикам зондового датчика относятся радиус закругления острия зонда, константу упругости консоли и резонансную частоту. Обычно используются зонды с радиусом закругления острия порядка 10 нм, но в последнее время появились зонды с выращенными на острие с радиусом закругления 1-3-нм, которые используются для получения высокого разрешения при исследовании объектов с размерами в несколько нанометров.

Константы упругости консоли должны быть меньше, чем константы упругости между атомами в твердом теле (порядка 10 Н/м), чтобы не разрушать при сканировании образец. Для контактного режима АСМ используются кантилеверы с низкими константами упругости (порядка 0.01-10 Н/м), т.к. они отклоняются при сканировании без деформации исследуемой поверхности.

Упругая деформация кантилевера (изгиб и кручение) регистрируется оптической системой, состоящей из лазера и четырехсекционного фотодиода (A,B,C,D). Луч полупроводникового лазера, закрепленного на измерительной головке, фокусируется на конце консоли кантилевера, а отраженный луч настраивается так, чтобы попадать в центр фотодиода.

Контролируемое позиционирование образца по X,Y,Z с точностью до 0.001нм осуществляется пьезодвигателями (пьезосканерами). Используемые в них пьезокерамические материалы (наиболее распространенный материал - цирконат-титанат свинца) изменяют свои размеры под действием приложенного к ним электрического напряжения (пьезоэлектрический эффект).

1.3 Принцип работы

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) представляет собой систему образец + игла. На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших -- силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, в частности используют оптические, ёмкостные или туннельные сенсоры. Добавив к этой системе устройство развёртки по осям X и Y, получают сканирующий АСМ. Принимая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, то при сканировании поверхности образца в направлении X или Y с одновременным измерением выходного аналогового сигнала по направлению Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне в системе координат XYZ, т.е. 3D виде.

Основные технические сложности при создании микроскопа:

1. Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

2. Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

3. Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

4. Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

5. Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

1.4 Блок-схема атомно-силового микроскопа

Зонд (остриё, игла) расположен на свободном конце кантилевера или консоли (рис.2). Зонды в основном изготавливают из таких материалов, как кремний Si и Si₃N₄. Чем меньше радиус кривизны и угол схождения острия, тем меньше его влияние на получающееся изображение исследуемого объекта. Консоль - это упругая пластинка, по отклонению которой в принципе можно судить о силе взаимодействия острия с образцом (закон Гука: F=kz).

Рис. 2. Блок-схема атомно-силового микроскопа.

Когда остриё приближается к образцу, между ними начинают действовать силы обменного взаимодействия. В зависимости от того, насколько мало расстояние между остриём и образцом, это будет сила либо притяжения либо отталкивания. Отсюда и возникают два разных режима сканирования - контактный и бесконтактный.

При контактном режиме, или режиме отталкивания, остриё настолько близко подходит к исследуемому образцу, что говорят о так называемом «физическом контакте». При этом сила отталкивания уравновешивается силой упругости консоли и капиллярной силой, которая с неизбежностью возникает, когда измерение проводят на воздухе: зонд «протыкает» тонкий слой влаги, который адсорбируется на образце. Константа упругости консоли в этом режиме должна быть достаточно маленькой, для того чтобы зонд деликатно отслеживал профиль поверхности, не разрушая её.

Рельеф исследуемой поверхности формируется, как правило, либо в режиме постоянной высоты, либо в режиме постоянной силы. В первом случае кантилевер передвигается в горизонтальной плоскости, и регистрируется его отклонение в каждой точке. Во втором случае с помощью системы обратных связей постоянным поддерживается отклонение (прогиб) кантилевера, т.е. сила взаимодействия его с образцом. Передвижение образца или кантилевера происходит с помощью пьезоэлектрического манипулятора.

Ещё один часто используемый режим - режим прерывистого контакта или tapping mode - во многих случаях (в основном, при исследовании мягких материалов, таких как полимерные цепи и различные биообъекты) позволяет повысить качество получаемого изображения. При таком способе сканирования с помощью ещё одного пьезоэлектрического манипулятора осуществляются вынужденные механические колебания кантилевера с частотой, близкой к резонансной (обычно это десятки и сотни килогерц) и с амплитудой порядка 100 нм. В нижней точке колебаний остриё “касается” образца. В этом режиме, как и в любом контактном режиме, возможно проминание образца иглой. При передвижении сканирующей иглы (или образца) отслеживается изменение резонансной амплитуды кантилевера (она зависит от внешней силы). Данный метод позволяет повысить разрешение микроскопа при наблюдении объектов с пониженной механической жёсткостью, поскольку здесь устранено влияние капиллярных сил. При таком методе также исключаются различные латеральные силы и силы трения, которые могут приводить к смещению структур на плоскости образца.

Бесконтактный режим работает на Ван-дер-Ваальсовом притяжении. Значит, расстояние между зондом и образцом должно быть не такое маленькое (чтобы отталкивание уже не играло большую роль) и не такое большое (это взаимодействие быстро спадает с расстоянием). Поскольку наклон кривой энергии Ван-дер-Ваальсового притяжения меньше, чем в области отталкивания, то и силы притяжения меньше сил отталкивания. А поскольку в этом режиме константа упругости консоли уже должна быть, наоборот, большая (чтобы не происходило залипания зонда к образцу), то для получения качественного изображения необходима более чувствительная схема детектирования вертикального перемещения кантилевера. Вертикальные отклонения измеряются, например, высокоточными оптическими методами (лазерный луч отражается в зеркале, закреплённом на кантилевере, и регистрируется фотодиодом). Данный режим по сравнению с предыдущими двумя используется не так часто.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА

2.1 Контактный режим

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью.

Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли ДZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности, записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства метода:

- наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость;

- наибольшая достижимая скорость сканирования;

- обеспечивает наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа.

Недостатки метода:

- наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности;

- при сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности;

- практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты).

2.2 Бесконтактный режим

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения.

Система обратной связи, как правило, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.

Достоинства метода:

- отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность.

Недостатки метода:

-крайне чувствителен ко всем внешним шумам;

-наименьшее латеральное разрешение;

-наименьшая скорость сканирования;

-функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды;

-попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования уходят.

В связи с множеством сложностей и недостатков метода, его приложения в АСМ крайне ограничены.

2.3 Полуконтактный режим

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.

Достоинства метода:

-наиболее универсальный из методов АСМ, позволяющий на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1-5 нм;

-латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности, устранены.

Недостатки:

-максимальная скорость сканирования меньше, чем в контактном режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе были рассмотрены основные режимы атомно-силового микроскопа и применение атомно-силовой микроскопии для изучения биологических объектов. Таким образом, атомно-силовая микроскопия в настоящее время активно используется для изучения структурных особенностей биологических макромолекул, поскольку позволяет получать изображения с разрешением в несколько нанометров. АСМ позволяет получать уникальные данные о структуре, свойствах и динамике материала и их комплексов.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А.Суслов и С.А. Чижик /Сканирующие зондовые микроскопы[Текст]/ Материалы, Технологии, Инструменты-- Т.2, М., 1997.,С.78-89.

2. В.Л.Миронов Основы сканирующей зондовой микроскопии[Текст]/ Российская академия наук, Институт физики микроструктур/ г. Нижний Новгород, 2004.,С.110.

3. D.Klinov and S. Magonov True molecular resolution in tapping mode atomic force microscopy[Текст]/ Appl. Phys. Lett/. 2004., 84, 2697-2699.

4. G.Binnig, C. F. Quate and Ch. Gerber /Atomic force microscope[Текст]/ Phys. Rev. Lett/.1986., 56, 930-933

5. T.Albrecht, P. Gruetter, D. Horne and D. Rugar Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscopy sensitivity[Текст]/ J. Appl. Phys./1991., 61, 668.

6. S.Belikov and S. Magonov True molecular-scale imaging in atomic force microscopy: Experiment and modeling[Текст]/ Jap. Jour. Appl. Phys/ 2006., 45, 2158-2165.

Размещено на Allbest.ru