4. Принцип работы

Рис1. Схема работы атомно-силового микроскопа

Рассмотрим подробнее, какие силы действуют между зондом и исследуемой поверхностью. Для начала обратимся к взаимодействию двух атомов (молекул).

На небольших расстояниях все атомы и молекулы притягиваются. Это притяжение имеет чисто квантовую природу. Оно связано с коррелированными, то есть согласованными колебаниями электронов в обоих атомах. Энергия пары атомов, где электроны смещены (поляризованы) одинаковым образом, -- чуть меньше, чем энергия пары неполяризованных атомов. И энергия эта спадает с расстоянием между атомами как 1/r⁶.

Общая энергия взаимодействия атомов приближённо описывается формулой Леннарда-Джонса (потенциал типа (6-12)):

U(r)=E₀((r_min/r)¹²-(r_min/r)⁶)

Здесь первое слагаемое отвечает за отталкивание, оно начинает “работать” при малых расстояниях, когда вторым, притяжением, уже можно пренебречь. При этом r₀ - это расстояние между атомами, соответствующее минимальной энергии системы, то есть наиболее выгодной, а r_min - расстояние, при котором энергия взаимодействия обращается в нуль.

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.

Рис 2. График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца

Силу взаимодействия зонда с образцом можно получить, если просуммировать все такие элементарные взаимодействия для каждого атома зонда.

Для зонда, характеризующегося некоторым радиусом кривизны R и абсолютно плоского образца, в приближении механики сплошных сред сила притяжения будет пропорционально R/z² (формула Гамакера), отталкивания примерно 1/z⁸.

Для того, чтобы “почувствовать” данное взаимодействие атома с атомом, необходимо, чтобы зонд был атомных размеров. Реальные зонды имеют размеры от десятка нанометров до размера одного атома! Их длина составляет 1-2 мкм.

Зонд (остриё, игла) расположен на свободном конце кантилевера. 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).

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.