Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

тельно оси кантилевера или асимметрией ориентации кантилевера (и зонда) относительно подложки. Эти артефакты могут искажать результаты АСМ-измерения высот объектов. Отследить их возникновение можно, анализируя зависимость измеряемых высот от направления сканирования.

Разрешающая способность АСМ. При сканировании обратная связь фиксирует разностный сигнал верхних и нижних сегментов фотодиода, нормированный на величину суммарного сигнала всех сегментов фотодиода. Это исключает влияние шумов лазерного диода на точность измерения изгиба кантилевера. Влияние сейсмических шумов в достаточной степени исключается использованием простейших антисейсмических фильтров: например, демпфирующей каучуковой прокладкой под гранитным основанием, на котором устанавливается прибор. Поэтому разрешающая способность атомно-силового микроскопа по нормали (в направлении Z) ограничена другими шумами: пьезоманипулятора, кантилевера и электронного блока (предусилителя, цепи обратной связи и высоковольтных усилителей, задающих сигналы на электродах пьезоманипулятора (рис. 6.17).

Критерием разрешающей способности по нормали может служить минимальное изменение Z-координаты иглы при сканировании, детектируемое на уровне шумов. Последний существенно зависит от параметров сканирования (скорости, параметров пропорционального и интегрального звеньев цепи обратной связи, размера кадра), а также от вязкоупругих свойств исследуемого образца. Обычно предел разрешения по нормали составляет доли единицы ангстрем (в зависимости от параметров эксперимента).

Процедура определения разрешающей способности в латеральном направлении не устоялась. Представляется возможным определить ее следующим образом (рис. 6.19). Пусть зондирующее острие характеризуется радиусом кривизны R, а разрешаемые особенности поверхности – r (см. рис. 6.19). Тогда возможность латерального разрешения поверхностных особенностей будет связана с пределом разрешения по нормали z: критерием разрешения является условие возможности детектирования разницы в значениях вертикальной координаты иглы над объектами и между ними. Геометрический анализ (см. рис. 6.19) позволяет получить соотношение для минимального расстояния между разрешаемыми поверхностными особенностями, при котором «провал»

261

между ними на АСМ-изображении еще может быть детектирован (т.е. когда он равен пределу z):

Рис. 6.19. К определению латеральной разрешающей способности АСМ

Поскольку достижимое пространственное разрешение должно являться инвариантной характеристикой прибора (не зависящей от объекта исследования), то его следует определить, рассматривая условие детектирования двух точечных объектов (r = 0). Тогда соотношение (6.9) примет вид

связывая предел разрешения в латеральном направлении d с пределом разрешения по нормали z и радиусом кривизны зондирующего острия R.

Стоит отметить, что введенная процедура определения латерального пространственного разрешения упрощена и не учитывает, например, влияния зонда на структуру объекта (за счет контактных деформаций). Введенная процедура, по-видимому, неприменима при определении разрешающей способности в исследованиях молекулярной (атомной) структуры поверхности.

Отдельно следует подчеркнуть отличие предложенного подхода от процедуры определения разрешающей способности оптических приборов, когда используют критерий Релея, соответствующий освещенности между изображениями детектируемых точек, которая составляет 74 % максимальной. Другими словами, для оптического прибора берут в расчет относительную величину провала между изображениями объектов. В случае АСМ важна абсолютная глубина провала – она должна

262

быть детектируемой на уровне шумов. Это различие является следствием того, что оптические изображения формируются путем сложения интенсивностей изображений отдельных объектов (принцип и), напротив, АСМ-изображение формируется путем исключения вклада в изображение более «низких» поверхностных особенностей (принцип или).

АСМ прерывистого контакта. Для измерения и фиксации при сканировании интенсивности силового взаимодействия зонда и образца в АСМ прерывистого контакта (tapping mode) используется резонансная схема. Дополнительный пьезоэлемент возбуждает вынужденные колебания левера на его резонансной частоте (вдали от поверхности образца). При сближении зонда и образца возникновение дополнительного градиента сил их взаимодействия приводит к сдвигу резонансной частоты (изменению эффективной жесткости) и частичному выходу системы из резонанса. Наряду с этим при соударениях зонда и образца увеличивается демпфирование колебаний за счет неупругих процессов. Следствием обоих механизмов является уменьшение амплитуды колебаний.

При сканировании АСМ в режиме прерывистого контакта система обратной связи поддерживает на заданном уровне именно величину амплитуды колебаний: z = const. В силу высокой чувствительности амплитуды колебаний к среднему значению расстояния между зондом и образцом можно получать информацию о топографии поверхности (Z| z=const(X,Y)) с достаточно высоким пространственным разрешением.

Информация о тонкой структуре (и локальных вязкоупругих свойствах) исследуемой поверхности может быть получена из измерений

зависимости: Δϕ| z=const(X,Y), где Δϕ – сдвиг фаз между колебаниями кантилевера и внешней вынуждающей силы. Вдали от поверхности ко-

лебательная система настраивается в резонанс (ϕ = π/2), однако при сближении зонда и образца она частично выходит из резонанса, и вклад в сдвиг фаз будут обеспечивать упругие (изменение резонансной частоты) и диссипативные (увеличение декремента затухания) механизмы.

Оказывается, что в ряде случаев сигнал Δϕ| z=const(X,Y) характеризуется большей латеральной разрешающей способностью, чем топографический

Z| z=const(X,Y), позволяя разрешить более мелкие детали поверхности. Стоит отметить, что в настоящее время не существует законченной

теории АСМ прерывистого контакта, которая позволяла бы количест-

263

венно связать параметры эксперимента (величину амплитуды и сдвига фаз колебаний кантилевера) с интенсивностью силового воздействия зонда на образец и с локальными вязкоупругими свойствами образца. Это обстоятельство осложняет количественную интерпретацию фазо-

вых АСМ-изображений (Δϕ| z=const(X,Y)) микроскопии прерывистого контакта.

АСМ модуляции силы. Метод модуляции силы рассмотрим применительно к атомно-силовой микроскопии контакта. В этом случае общая схема измерений такова. Как и в микроскопии прерывистого контакта, в экспериментальную схему введен дополнительный пьезоэлемент (биморф), который возбуждает колебания кантилевера, но в этом случае не на его резонансной частоте, а на резонансной частоте самого биморфа (существенно более массивного). Данное обстоятельство приводит к тому, что, в отличие от АСМ прерывистого контакта, в этом случае силовое взаимодействие зонда и образца не влияет на собственную резонансную частоту системы (система не выходит из резонанса в случае, когда проявляется взаимодействие зонда и образца).

Как и в контактной АСМ в процессе сканирования система обратной связи поддерживает на заданном уровне изгиб кантилевера. Но в этом случае фиксируется среднее за период значение изгиба, поскольку кантилевер совершает вынужденные колебания. Величина амплитуды колебаний будет зависеть от упругих свойств поверхности: более жесткие участки поверхности будут «продавливаться» в меньшей степени, и там амплитуда колебаний будет меньше.

Как и для микроскопии прерывистого контакта, в настоящее время не существует удовлетворительной теории, позволяющей проводить количественный анализ упругих свойств поверхностей на основании анализа АСМ-изображений, полученных в режиме модуляции силы.

Поэтому в литературе по АСМ модуляции силы при интерпретации экспериментальных результатов ограничиваются лишь качественным анализом, привлекая некоторые модельные представления.

Возможность проведения неразрушающих исследований с по-

мощью АСМ. Приведем аргументы, объясняющие возможность проведения неразрушающих исследований методом АСМ.

• Вблизи области контакта имеет место перераспределение локально приложенного контактного давления по трем пространственным направлениям.

264

• При неразрушающих исследованиях время воздействия зонда на локальный участок поверхности образца мало в сравнении с характерными временами процессов разрушения поверхности.

Действительно, во-первых, значения пределов прочности определяют приложением разрушающего давления к некоторой поверхности образца в заданном направлении (одном). В нашем случае мы имеем дело с приложением к образцу локального давления, которое перераспределяется по трем направлениям.

Во-вторых, при сканировании зонд оказывает воздействие на локальный участок образца в течение промежутка времени τ a/Vскан a/Lf, где a – латеральный размер области контакта; L – длина скана (строки сканирования); f – частота строчной развертки; Vскан – скорость сканирования. Приведем оценку границ диапазона характерного времени взаимодействия. Согласно табл. 6.2 типичные значения a 1 нм. Для частоты сканирования 10 Гц при размере кадра 15 мкм имеем для времени взаимодействия оценку τ 10−5 с, а при размере кадра 100 нм – τ 10−3 с. Полученные оценки и определяют границы диапазона типичных значений времен взаимодействия зонда и локального участка образца при сканировании.

Поскольку известен экспериментальный факт, что в результате замедления скорости сканирования (увеличенияот τ значения 105 с до 103 с при достаточной величине силы воздействия зонда) ряд исследуемых поверхностей может разрушаться, то можно предположить, что характерные времена процессов разрушения этих поверхностей под локальным воздействием зонда попадают в указанный диапазон.

Таблица 6.2

Сравнительный анализ контактных деформаций, возникающих при АСМ-исследовании материалов с различными упругими свойствами

265