загрузка...
загрузка...
На головну

Пристрій і принцип роботи АСМ

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Наприкінці 1986 року той же Бінніг запропонував конструкцію приладу нового покоління, який дозволяє досліджувати поверхні з безпрецедентною детальністю, але вже зовсім не обов'язково електропровідні. Новий прилад був названий атомним силовим мікроскопом, і сьогодні саме він представляє найбільший інтерес для дослідників.

Мал. 1. Принцип дії атомного силового мікроскопа (АСМ).

Принцип дії атомного силового мікроскопа (АСМ) заснований на використанні сил атомних зв'язків, що діють між атомами речовини. На малих відстанях між двома атомами (близько одного ангстрема) діють сили відштовхування, а на великих - сили тяжіння. Абсолютно аналогічні сили діють і між будь-якими зближуються тілами. У сканирующем атомному силовому мікроскопі такими тілами служать досліджувана поверхня і ковзне над нею вістря. Зазвичай в приладі використовується алмазна голка, яка плавно ковзає над поверхнею зразка (як кажуть, сканує цю поверхню). При зміні сили F, що діє між поверхнею і вістрям, пружинка П, на якій воно закріплене, відхиляється, і таке відхилення реєструється датчиком D. Як датчик в АСМ можуть використовуватися будь-які особливо точні і чутливі - прецизійні - вимірювачі переміщень, наприклад оптичні, ємнісні або тунельні датчики. На малюнку показаний саме останній тип датчика, - фактично це така ж голка, яка застосовується в скануючому тунельному мікроскопі.

Величина відхилення пружного елемента (пружинки) несе інформацію про висоту рельєфу - топографії поверхні і, крім того, про особливості міжатомних взаємодій. Можна сказати, що в атомному силовому мікроскопі сканування досліджуваного зразка відбувається за «поверхні постійної сили», тоді як в СТМ - по поверхні постійного тунельного струму. Принципи ж прецизійного управління, заснованого на зворотному зв'язку і вловлює найнікчемніші зміни рельєфу поверхні, в СТМ і АСМ практично однакові.

Мал. 2. Схема скануючого атомного силового мікроскопа.

Атомний силовий мікроскоп з оптичним датчиком деформації кантелівера.

На малюнку зображена схема атомного силового мікроскопа. Про - вістря (голка), П - пружина, на якій воно закріплене; P, Px, Py, Pz - п'єзоелектричні перетворювачі. При цьому Px і Py служать для сканування зразка під голкою, а Pz управляє відстанню від вістря до поверхні, D - тунельний датчик, який реєструє відхилення пружинки з вістрям.

Атомний силовий мікроскоп може використовуватися для визначення мікрорельєфу поверхні будь-яких речовин, як проводять, так і непровідних, з його допомогою можна спостерігати всілякі недосконалості структури, локалізовані на досліджуваних поверхнях, наприклад, дислокації або заряджені дефекти, а також всілякі домішки. Крім того, АСМ дозволяє виявити межі різних блоків в кристалі, зокрема доменів. Останнім часом за допомогою атомного силового мікроскопа фізики стали інтенсивно вивчати біологічні об'єкти, наприклад молекули ДНК і інші макромолекули, головним чином для цілей народжується і, судячи з усього, надзвичайно перспективний напрям - біомолекулярної технології. Цікаво, що АСМ дозволяє вирішувати не тільки прикладні завдання, а й глобальні проблеми фундаментальної фізики. Зокрема, визначивши з його допомогою поведінку міжатомних сил і константи взаємодій між атомами поверхні і вістря, можна зробити досить точні висновки про існування або відсутність нових фундаментальних взаємодій і навіть про структуру фізичного вакууму.

Зазвичай під взаємодією розуміється тяжіння або відштовхування зонда кантільовери, викликане силами Ван-дер-Ваальса. При використанні спеціальних консолей можна вивчати електричні і магнітні властивості поверхні. На відміну від скануючого тунельного мікроскопа, за допомогою АСМ можна досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні. Крім того, АСМ здатний вимірювати рельєф зразка, зануреного в рідину, що дозволяє працювати з органічними молекулами, включаючи ДНК.

Просторова роздільна здатність атомно-силового мікроскопа залежить від радіуса кривизни кінчика зонда. Дозвіл досягає атомарного по вертикалі і істотно перевищує його по горизонталі.

Основні технічні складності при створенні мікроскопа:

· Створення голки, загостреною дійсно до атомних розмірів.

· Забезпечення механічної (в тому числі теплової та вібраційної) стабільності на рівні краще 0,1 ангстрема.

· Створення детектора, здатного надійно фіксувати настільки малі переміщення.

· Створення системи розгортки з кроком в частки ангстрема.

· Забезпечення плавного зближення голки з поверхнею.

Таким чином, в порівнянні з растровим електронним мікроскопом (РЕМ) атомно-силовий мікроскоп має низку переваг. Так, на відміну від РЕМ, який дає двох з половиною вимірний опис об'єкта зображення поверхні зразка, АСМ дозволяє отримати істинно тривимірний рельєф поверхні. Крім того, непроводящая поверхню, розглянута за допомогою АСМ, не вимагає нанесення проводить металевого покриття, яке часто призводить до помітної деформації поверхні. Для нормальної роботи РЕМ потрібно вакуум, в той час як більшість режимів АСМ можуть бути реалізовані на повітрі або навіть в рідини. Дана обставина відкриває можливість вивчення біомакромолекул і живих клітин. В принципі, АСМ здатний дати більш високу роздільну здатність ніж РЕМ. Так було показано, що АСМ в змозі забезпечити реальне атомне дозвіл в умовах надвисокого вакууму. Сверхвисоковакуумних АСМ з дозволу порівняємо зі скануючим тунельним мікроскопом і просвічує електронним мікроскопом.

К нестачі АСМ при його порівнянні з РЕМ також слід віднести невеликий розмір поля сканування. РЕМ в стані просканувати область поверхні розміром в кілька міліметрів в латеральної площині з перепадом висот в декілька міліметрів у вертикальній площині. У АСМ максимальний перепад висот становить кілька мікрон, а максимальне поле сканування в кращому випадку близько 150 ? 150 мікрон?.

Інша проблема полягає в тому, що при високій роздільній здатності якість зображення визначається радіусом кривизни кінчика зонда, що при неправильному виборі зонда призводить до появи артефактів на вихідному зображенні.

Звичайний АСМ не в змозі сканувати поверхню так само швидко, як це робить РЕМ. Для отримання АСМ-зображення, як правило, потрібно кілька хвилин, в той час як РЕМ після відкачування здатний працювати практично в реальному масштабі часу, хоча і з відносно невисокою якістю.

Через низьку швидкість розгортки АСМ одержувані зображення виявляються перекрученими тепловим дрейфом, що зменшує точність вимірювання елементів об'єкту сканування рельєфу. Для збільшення швидкодії АСМ було запропоновано кілька конструкцій, серед яких можна виділити зондський мікроскоп, названий відеоАСМ. ВідеоАСМ забезпечує отримання задовільної якості зображень поверхні з частотою телевізійної розгортки, що навіть швидше, ніж на звичайному РЕМ.

Крім термодрейфа АСМ-зображення можуть також бути перекручені гистерезисом пьезокерамического матеріалу сканера і перехресними паразитними зв'язками, які діють між X, Y, Z-елементами сканера. Для виправлення викривлень в реальному масштабі часу сучасні АСМ використовують програмне забезпечення або сканери, забезпечені замкнутими стежать системами, до складу яких входять лінійні датчики положення. Деякі АСМ замість сканера у вигляді пьезотрубкі використовують XY і Z-елементи, механічно незв'язані один з одним, що дозволяє виключити частину паразитних зв'язків.

АСМ можна використовувати для визначення типу атома в кристалічній решітці. Маніпулятор АСМ і СТМ дозволяє при габаритах в кілька сантиметрів пересувати голку з дозволом краще 0,1 ?. Якби промисловий робот мав подібної точністю переміщень при габаритах близько метра, то голкою, затиснутою в маніпуляторах, він міг би намалювати коло діаметром в декілька нанометрів.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення більшості матеріалів близько . При розмірах маніпулятора в кілька сантиметрів зміна температури на 0,01 ° призводить до переміщення голки внаслідок теплового дрейфу на 1 ?.

кантилевер(Англ. Cantilever - кронштейн, консоль) - усталене назва найбільш поширеною в скануючої атомно-силової мікроскопії конструкції мікромеханічного зонда.

Кантилевер є масивне прямокутну основу, розмірами приблизно 1,5 ? 3,5 ? 0,5 мм, з виступаючою з нього балкою (власне кантільовери), шириною близько 0,03 мм і довжиною від 0,1 до 0,5 мм. Одна зі сторін балки є дзеркальною (іноді для посилення відбитого лазерного сигналу на неї напилюють тонкий шар алюмінію), що дозволяє використовувати оптичну систему контролю вигину кантільовери. На протилежному боці балки на вільному кінці знаходиться голка, що взаємодіє з вимірюваним зразком. Форма голки може значно змінюватися в залежності від способу виготовлення. Радіус вістря голки промислових консолей знаходиться в межах 5-90 нм, лабораторних - від 1 нм.

Як правило, вся конструкція, за винятком, можливо, голки, є кремнієвим монокристалом. Також кантілевери виготовляють з нітриду кремнію (Si3N4) або полімерів. Процес виробництва схожий з виробництвом кремнієвого електронного обладнання, і включає сухе або Жидкофазное витравлювання підкладки. Таким чином, кантілевери зручні для масового виробництва.

При розробці консолей використовують такі два рівняння, які є ключовими для розуміння принципу роботи консолей.

Перше - так звана формула Стоуні (англ. Stoney's formula), яке пов'язує відхилення кінця балки кантільовери ? з доданим механічним напругою ?:

де ? - коефіцієнт Пуассона, E - модуль Юнга, L - довжина балки, і t - товщина балки кантільовери. Відхилення балки реєструється чутливими оптичними і ємнісними датчиками.

Друге рівняння встановлює залежність коефіцієнта пружності кантільовери k від його розмірів і властивостей матеріалу:

де F - прикладена сила, і w - ширина кантільовери.

Коефіцієнт пружності пов'язаний з резонансною частотою кантільовери ?0 за законом гармонійного осцилятора:

.

Зміна сили, яка додається до кантільоверамі може привести з зрушенню резонансної частоти. Зрушення частоти може бути виміряний з великою точністю за принципом гетеродина.

Однією з важливих проблем при практичному використанні кантільовери є проблема квадратичної і кубічної залежності властивостей кантільовери від його розмірів. Ці нелінійні залежності означають, що кантілевери досить чутливі до зміни параметрів процесу. Контроль залишкової деформації також може представляти складність.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

Скануючий СКВІД-мікроскоп

ефект Штарка

Вимірювальна частина СКВИДа

Методи, які використовують датчики на основі консолей

Приклади застосувань ССМ-77

Растровиий едектронний мікроскоп

Оптичні иммуносенсор

Фізичні основи електронної мікроскопії Електронний мікроскоп

СХЕМА ЕКСПЕРИМЕНТУ

пропріоцептори

Резонатори на ПАР

сенсорне сприйняття

Сенсорні системи людини

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua