Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы
«атомная» энергия (m и e – масса и заряд электрона). Воспользовавшись тем, что α · ρ – величина безразмерная и для многих элементов имеет порядок 1/10, получим оценку для константы Гамакера: A Eатом/10 10−19 Дж. Экспериментально измеренные значения константы Гамакера для различных материалов по порядку величины совпадают с выписанной оценкой: Aэксп (0,4–4)10−19 Дж.
Проводя оценки для типичных условий АСМ-эксперимента в режиме контакта, получаем для величины вандерваальсового притяже-
ния: FВдВ 10−8–10−9 Н.
а |
б |
Рис. 6.15. Обобщенная геометрия зонда атомно-силового микроскопа (а): h – высота зонда; R – радиус кривизны кончика; d – расстояние между зондом и образцом; баланс силового взаимодействия зонда и образца (б): силы, действующие на зонд: дисперсионные FВдВ, капиллярные Fкап, силы трения Fтр, упругие силы, обусловленные прямым или обратным изгибом кантилевера
Fупр, а также контактными деформациями образца Fкон
Стоит отметить, что предположение об аддитивности дисперсионного взаимодействия, сделанное Гамакером, вообще говоря, необоснованно. Другие существующие теории (например, подход Лифшица, связывающий интенсивность дисперсионного взаимодействия с диэлектрическими проницаемостями материалов взаимодействующих тел и среды исследования) позволяют объяснить экспериментально наблюдаемые в ряде случаев силы дисперсионного отталкивания. Однако, не-
256
смотря на то, что природа дисперсионного взаимодействия достаточно понятна, разработать точный подход к описанию явления оказалось трудно, и поэтому современные теории являются приблизительными или модельными; вследствие этого совпадение в реальном исследовании расчетных и экспериментальных данных по порядку величины считается вполне удовлетворительным.
|
|
|
Таблица 6.1 |
|
Параметры основных типов промышленных кантилеверов |
||||
|
|
|
TESP(W) |
|
Модель |
NP-S |
FESP(W) |
|
|
Жесткость |
0,06 Н/м, 0,12 Н/м |
1–5 Н/м |
20–100 Н/м |
|
|
0,38 Н/м, 0,58 Н/м |
|
200–400 КГц |
|
Резонансная частота |
5–50 КГц |
60–100 КГц |
|
|
Радиус кривизны кончика иглы |
5–40 нм |
5–10 нм |
5–10 нм |
|
Высота иглы |
3 мкм |
10–15 мкм |
10–15 мкм |
|
Отражающее покрытие |
Золото |
нет |
нет |
|
Длина кантилевера |
120 мкм, 200 мкм |
225 мкм |
125 мкм |
|
Ширина кантилевера |
15 мкм, 40 мкм |
30 мкм |
30–40 мкм |
|
Толщина кантилевера |
0,4–0,6 мкм |
2–3 мкм |
3,5–5 мкм |
|
Форма кантилевера |
V-образная |
прямая |
прямая |
|
Капиллярные силы. Ввиду наличия адсорбированной пленки воды на исследуемой поверхности (в случае ее достаточной гидрофильности) при проведении АСМ-экспериментов на воздухе между зондом и образцом формируется мениск, что приводит к возникновению дополнительной силы притяжения между контактирующими поверхностями:
F = 4πRγ cos θ |
, |
(6.8) |
||
кап |
1 |
+ D d |
|
|
|
|
|
||
где R – радиус кривизны зонда (около 10 нм); γ – поверхностное натяжение пленки адсорбата (для воды γ 0,073 Дж/м); θ – контактный угол для материала зонда (образца) и пленки; D – расстояние зондобразец; d – глубина погружения зонда в пленку.
Приведенные значения позволяют по порядку величины оценить величину капиллярных сил в режиме контакта АСМ-исследований:
Fкап 10−8 Н.
Гидрофобный эффект. Сущность этого эффекта – в возникновении интенсивных сил притяжения между двумя гидрофобными поверх-
257
ностями, находящимися в водной среде. В настоящее время считается, что этот эффект носит сложный характер и при различных условиях может быть обусловлен различными механизмами, проявляющимися, тем не менее, одинаково. Согласно имеющимся представлениям вклад в эффект могут давать энтропийные процессы, связанные со структурным упорядочиванием молекул воды вблизи гидрофобной поверхности, термодинамические процессы, связанные с возрастанием роли субкритических флуктуаций в зазоре и пр.
Принцип работы атомно-силового микроскопа. Деление АСМ по способу измерения и фиксации силового взаимодействия зонда и образца позволяет выделить два основных случая: контактная атомносиловая микроскопия и АСМ прерывистого контакта.
Контактная атомно-силовая микроскопия. Для измерения ве-
личины силового взаимодействия в контактном режиме используется следующая схема, включающая в качестве миниатюрного динамометра упругую консоль (называемую левером или кантилевером), имеющую на свободном конце зонд (другой конец кантилевера заделан в держателе). При сканировании баланс сил взаимодействия зонда и образца приводит к изгибу кантилевера (т.е. сумма всех сил уравновешивается упругой силой изогнутого кантилевера (см. рис. 6.15, б); величина изгиба детектируется прецизионным датчиком. В большинстве атомносиловых микроскопов для этого используют оптические датчики, реализованные по следующей схеме: луч лазерного диода падает под углом на поверхность кантилевера и отражается в центр четырехсекционного фотодиода (рис. 6.16). При изгибе кантилевера в нормальном направлении или при его кручении возникает разница в сигналах соответствующих участков фотодиода: верхние сегменты/нижние сегменты или правые сегменты/левые сегменты. Первый сигнал несет информацию о балансе сил притяжения и отталкивания, а второй – о латеральных силах взаимодействия зонда и образца (рис. 6.17).
В процессе сканирования система обратной связи поддерживает на заданном уровне величину изгиба кантилевера (следовательно, и силы воздействия зонда на образец) посредством вариации Z-координаты точки закрепления кантилевера. Сигнал обратной связи несет, таким образом, информацию о топографии поверхности Z|F=const(X,Y).
258
Рис. 6.16. Основные узлы |
Рис. 6.17. Основные элементы атомно- |
механической части атомно- |
силового микроскопа |
силового микроскопа |
|
Упругая сила изгиба кантилевера, действующая на зонд, может быть направлена как в сторону образца, так и в обратную сторону (прямой и обратный изгиб кантилевера) (см. рис. 6.15, б); в первом случае она увеличивает давление зонда на образец, во втором уменьшает. Как правило, при сканировании стремятся уменьшить воздействие на образец, для чего выбирают минимальную величину прямого изгиба кантилевера или, по мере возможности, максимальную величину обратного изгиба кантилевера, при которой еще сохраняется механический контакт. Сканирование при обратном изгибе может быть нестабильным. Если силы притяжения (капиллярные, дисперсионные) действуют на зонд неодинаково на всем участке сканирования, то в тех местах, где они меньше, зонд может «оторваться» от поверхности (выйти из контакта), если величина упругих сил обратного изгиба превысит силы притяжения. Это обстоятельство является основным препятствием при минимизации силы воздействия зонда.
Разница сигналов правых и левых сегментов фотодиода отображает величину сил трения, действующих на зонд при сканировании, что позволяет исследовать распределение локальных фрикционных свойств поверхности. Информацию о градиенте к исследуемой поверхности несет сигнал отклонений Φоткл (X,Y), детектируемый при сканировании как разностный сигнал верхних и нижних сегментов фотодиода
259
(рис. 6.17). Оказывается, что в эксперименте зависимости Fтр(X,Y) и Φоткл(X,Y) часто характеризуются большей латеральной разрешающей
способностью, чем топографический сигнал Z|F=const(X,Y), в силу чего оказываетсявозможным детектирование более мелких деталей поверхности.
Некоторые ограничения. Используемая схема измерения силового взаимодействия в АСМ проста и удобна, но в некоторых случаях силы трения между зондом и образцом могут искажать «топографический» сигнал (рис. 6.18).
Рис. 6.18. Объяснения влияния поверхностного распределения фрикционных свойств на топографическое АСМ-изображение
Вслучае когда направление сканирования совпадает с осью кантилевера, карта поверхностного распределения сил трения будет напрямую накладываться на карту измеряемой «топографии» поверхности, поскольку действие сил трения будет варьировать разностный сигнал верхних и нижних сегмента фотодиода (именно этот сигнал фиксируется системой обратной связи).
Вслучае когда направление сканирования перпендикулярно оси кантилевера, действие сил трения сведется к вариации крутильного изгиба кантилевера и проявится в разностном сигнале правых и левых
сегментов фотодиода, что позволяет различать вклад нормальных и латеральных сил. Однако в реальности и в этом случае фрикционный сигнал может накладываться на топографический, что может быть обусловлено асимметрией фокусировки лазерного луча относи-
260