микроскопия, атомно-силовая сокр., АСМ (англ. atomic force microscopy или scanning force microscopy сокр., AFM; SFM) — один из методов зондовой сканирующей микроскопии, применяемый для исследования локальных свойств поверхности, в котором анализируют силу взаимодействия иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца в процессе сканирования. АСМ также используется для направленного модифицирования поверхности вещества (материала) на уровне отдельных атомов.

Описание

Атомно-силовой микроскоп был изобретен Биннигом, Квоутом и Гербером (Binnig, Quate, Gerber) в 1986 г. В отличие от сканирующей туннельной микроскопии, АСМ позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного уровня по горизонтали и существенно превышает его по вертикали. Обычно под взаимодействием понимают притяжение зонда и поверхности под действием сил Ван-дер Ваальса и отталкивание за счет электростатических сил (однако существует целый ряд модификаций метода для анализа иных взаимодействий, например, электростатических, магнитных, сил трения). Когда игла находится на достаточно большом расстоянии от образца, зонд слабо притягивается к образцу. С уменьшением расстояния это притяжение усиливается до тех пор, пока электронные облака иглы и атомов поверхности не начнут испытывать электростатическое отталкивание. Сила притяжения и отталкивания уравновешиваются на расстоянии порядка длины химической связи (несколько десятых нм); при меньших расстояниях доминирует отталкивание.

В зависимости от расстояний от иглы до образца, используемых для получения АСМ-изображений, возможны следующие режимы (моды) работы АСМ:

  • контактный режим (contact mode);
  • бесконтактный режим (non-contact mode);
  • полуконтактный режим (tapping mode).

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нанометра. Таким образом, игла АСМ 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 АСМ обычно получают в одном из двух режимов:

  • режим постоянной высоты;
  • режим постоянной силы.

При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. По изменению амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение поверхности.

Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца.

При использовании АСМ в нанолитографии работа ведется в контактном режиме с контролируемым перемещением острия зонда по заданной схеме.

При использовании специальных кантилеверов можно также изучать электрические и магнитные свойства поверхности.

Иллюстрации

Квантовая гетерострук
Квантовая гетероструктура GaAlAs: светлые вертикальные поверхности высотой ~15 нм представляют собой оксид, созданный на поверхности GaAlAs анодным окислением с помощью атомно-силового микроскопа и образующий барьер для движения двумерного электронного газа. Автор: Dr. Andreas Fuhrer (Цюрих, Швейцария). Цитируется с портала SPMage Prize, www.icmm.csic.es/spmage/

Авторы

  • Гусев Александр Иванович
  • Саранин Александр Александрович

Источники

  1. Binnig G., Quate and Gerber Ch. Atomic Force Microscope // Phys. Rev. Lett. 56, 1986. P. 930–933.
  2. Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.
  3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2007. — 416 с.

Напишите нам