Обзорная статья по AFM зондам.

 

Г.А.Киселев

 

Студент 3 –го курса физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Данная статья представляет собой краткий обзор методов сканирующей зондовой микроскопии и знакомит читателя с различными видами кантилеверов и их свойствами.

 

Важнейшей составляющей AСM (Атомно-силового микроскопа) являются сканирующие зонды – кантилеверы, свойства микроскопа напрямую зависят от свойств кантилевера.

Кантилевер представляет собой гибкую балку(175х40х4 мкм - усредненные данные) с определенным коэффициентом жесткости k (10-3 – 10 Н/м), на конце которой находится микро игла (рис 1). Диапазон изменения радиуса закругления R наконечника иглы с развитием  AFM изменялся от 100 до 5 нм. Очевидно, что с уменьшением R микроскоп позволяет получать изображения с более высоким разрешением. Угол при вершине иглы a - также немаловажная характеристика зонда, от которой зависит качество изображения. a в различных кантилеверах меняется от 200 до700, не трудно предположить, что чем меньше a, тем выше качество получаемого изображения.

 

Рис 1. Изображение кантилевера NCS16, полученное в лаборатории МГУ физического факультета.

 

Качество и достоверность изображений зависят от физических и химических свойств зонда. Как правило, зонды изготавливаются из Si, SiO2 иSi3N4, также существуют зонды с различными химическими покрытиями, о цели которых будет сказано ниже. Например, при сканировании в кантилевере могут возникнуть собственные механические колебания из-за возвратно-поступательных движений относительно образца. Для того чтобы этого избежать, необходимо повысить частоту собственных колебаний зонда w0. Это, в свою очередь, достигается посредством уменьшения эффективной массы зонда meff и увеличения коэффициента жесткости системы k. Резонансная частота w0 определяется формулой:

,

поэтому для повышения w0 длина кантилевера (от которой зависит коэффициент жесткости) составляет порядка нескольких микрон, а масса не превосходит 10-10 кг. Резонансные частоты различных кантилеверов колеблются от 8 до 420 kГц.

Метод сканирования при помощи AFM следующий (рис 2): игла зонда находится над поверхностью образца, при этом зонд относительно образца совершает движения, подобно лучу в электроннолучевой трубке телевизора (построчное сканирование). Лазерный луч, направленный на поверхность зонда (которая изгибается в соответствии с ландшафтом образца), отразившись, попадает на фотоприемник, фиксирующий отклонения луча. При этом отклонение иглы при сканировании вызвано межатомным взаимодействием поверхности образца с ее наконечником. При помощи компьютерной обработки сигналов фотоприемника удается получать трехмерные изображения поверхности исследуемого образца.

 

Рис 2. Схема общего принципа работы атомно-силового микроскопа.

1 - кантилевер с иглой, 2 - лазер, 3 – пьезоманипулятор точных перемещений, 4 - четырехсекционный фотодиод, 5 – острие, зондирующее образец.

 

Существуют контактный режим сканирования, когда игла зонда касается поверхности образца, прерывистый – зонд при сканировании периодически касается поверхности образца и бесконтактный, когда зонд находится в нескольких нанометрах от сканируемой поверхности (последний режим сканирования редко используется, т. к. силы взаимодействия зонда с образцом практически трудно зафиксировать).

Немаловажным свойством AСM является чувствительность, которая напрямую зависит от резонансных характеристик зонда. Особенно при прерывистом режиме сканирования необходимо учитывать такую характеристику зонда, как добротность Q. Для одного и того же кантилевера добротность может быть разной, многое зависит от среды, в которой осуществляется сканирование. Например, в вакууме Q порядка104, на воздухе – 500 и в жидкости около 30.

При сканировании некоторых образцов возникают побочные силы – силы трения, в результате чего возникает деформация кручения балочной части зонда, это сильно влияет на ход отраженного лазерного луча. Избежать трудности можно изменением жесткости системы относительно скручивающих деформаций, например, вместо палочной балки создать балку треугольной формы (рис 3).

Рис 3. а) визуализация процесса деформации кручения при наличии сил трения, б) предложенный вариант балки треугольной конструкции.

 

Для получения магнитного профиля образца используются иглы со специальным напылением тонких пленок ферромагнитных материалов (Fe, Ni, Co, CoPtCr). Для получения электрических свойств поверхности используют зонды из низкоомного кремния или на зонд напыляют слой металла (Pt, Au, Ti) толщиной порядка 10нм, использование таких зондов вызывает некоторые трудности, так как после нескольких сеансов сканирования напыленный слой разрушается, к тому же при напылении происходит заметное увеличение радиуса острия иглы R. Этого пытаются избежать, используя также алмазные иглы с внедренными в них ионами В+ и Р+.

Рассмотренные затруднения возникающие при работе с AСM зондами этим обзором не исчерпываются , здесь упомянуты лишь наиболее часто встречающиеся из них.