4.1 Режимы работы

В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы атомно-силового микроскопа:

· контактный режим (contact mode);

· бесконтактный режим (non-contact mode);

· полуконтактный режим (tapping mode).

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

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

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. Топографические изображения в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов:

· режим постоянной высоты

· режим постоянной силы.

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 ?Z,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

Недостатки метода:

§ Возможно механическое повреждение как зонда, так и образца

§ Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

§ Наименьшее латеральное разрешение

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит 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:

§ Возможность достижения атомарного разрешения (в условиях вакуума)

§ Обеспечивает наилучшую сохранность зонда и образца

Недостатки метода:

§ Крайне чувствителен ко всем внешним шумам

§ Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

Этот режим используется 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.

Несмотря на то, что при описании работы атомно-силового микроскопа, очень часто упоминаются лишь силы Ван-дер-Ваальса, в реальности со стороны поверхности также действуют упругие силы и силы адгезии. Их вклад особенно очевиден при работе в полуконтактном режиме, когда вследствие "прилипания" кантилевера к поверхности возникает гистерезис которые могут существенно усложнять процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Кроме того со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды можно узнать их распределение по поверхности.

Наглядное трёхмерное изображение поверхности получается лишь после соответствующей математической обработки цифровой информации, в качестве которой выступают двумерные массивы целых чисел, например, отклонения кантилевера. Существует множество разных алгоритмов обработки, необходимость использования которых зависит от цели экспериментатора и от конкретной ситуации. Ведь процесс сканирования идеальным не бывает - обязательно появляются различные флуктуационные выбросы, которые надо как-то сглаживать или фильтровать. Приходится также учитывать тепловой дрейф образца или нелинейности пьезокерамического манипулятора. Разумеется, всю вычислительную работу выполняет компьютер и выдаёт в качестве результата уже готовое изображение.

Важную роль в получении хорошего изображения в АСМ играет приготовление образцов. В ряде случаев особого приготовления образцов не требуется (например, при наблюдении поверхности графита). Однако при работе с (био)химическими веществами и молекулами, их обычно каким-то образом адсорбируют на подложке. Например, для наблюдения ДНК, её наносят на поверхность слюды, модифицированной ионами двухвалентных металлов.

Хорошее качество изображения молекул получается, когда они погружены в жидкость (обычно воду). Это происходит потому, что в воде заметно снижаются силы взаимодействия между зондом и образцом, а, следовательно, не происходит “залипания”. Наблюдение в водных средах позволяет исследовать процессы in vitro, например, самосборку актиновых филаментов.

Большой интерес представляет собой изучение с помощью атомно-силового микроскопа живых биологических объектов - бактерий, вирусов, клеток. Уже есть работы, в которых напрямую наблюдали динамику того или иного процесса, например, образование микропор в бактериальной стенке при воздействии ионов кальция. Такое использование АСМ также перспективно в медицине, например, для получения экспресс-анализов и диагностики заболеваний. На рисунке представлено изображение бактерий Klebsiella.