2.2.1 Потенциал взаимодействия зонда с образцом. Режимы работы АСМ.
Исследование образца возможно благодаря силам, возникающим между кантилевером и поверхностью. Они довольно разнообразны. При разных расстояниях преобладают те или иные силы.
- Во время контакта при деформации поверхности образца кантилевером преобладает сила упругого отталкивания, а соответствующее приближение называется задачей Герца и рассмотрено в пункте Упругие взаимодействия. Задача Герца.
- На расстояниях кантилевер-образец порядка нескольких десятков ангстрем главным является межмолекулярное взаимодействие, называемое силой Ван-дер-Ваальса (см. раздел Сила Ван-дер-Ваальса).
- На таких же масшабах в присутствии жидких пленок большое влияние могут оказывать капиллярные силы и адгезия (см. пункт Адгезионные силы). Радиус действия капиллярных сил, рассмотренных в пункте Капиллярные силы, определяется толщиной жидкой пленки.
- При дальнейшем удалении от поверхности преобладающим становится электростатическое взаимодействие, которому посвящен пункт Микроскопия электростатических сил.
- На масштабах порядка тысячи ангстрем преобладают магнитные силы, рассмотренные в Магнитно-силовой микроскопии.
Потенциал взаимодействия зонда с поверхностью.
"Склеивая" потенциалы сил, действующих на различных расстояниях между образцом и кантилевером, можно получить кривую вида рис.1, позволяющую классифицировать режимы работы атомно-силового микроскопа.
Рис. 1. Потенциал взаимодействия зонда с образцом.
Методы работы атомно-силового микроскопа.
В зависимости от расстояния зонд-образец при сканировании различают три метода работы атомно-силового микроскопа (рис. 1): 1) контактный, 2) бесконтактный, 3) "полуконтактный", который является промежуточным между контактным и бесконтактным.
В контактном методе острие зонда непосредственно соприкасается с поверхностью образца в процессе сканирования. В бесконтактном методе зонд находится достаточно далеко и не касается поверхности. Полуконтактный метод подразумевает частичный контакт. Последние два метода работы АСМ необходимы для реализации модуляционных (или колебательных) методик.
Каждый метод предназначается для решения определенного ряда задач. Причем некоторые исследования можно проводить различными методиками в разных методах. Это дает исследователю широкие возможности и позволяет работать в том методе, который наиболее уместен и эффективен в условиях эксперимента.
Например, существует три метода измерения рельефа с помощью АСМ:
- контактная атомно-силовая микроскопия – измерение топографии поверхности в контактном методе.
- бесконтактная атомно-силовая микроскопия – измерение топографии поверхности в бесконтактном методе, основанном на использовании вибрационной методики.
- "полуконтактная" атомно-силовая микроскопия (или прерывисто-контактная атомно-силовая микроскопия) – в данном случае используется вибрационная методика, при которой колеблющееся острие слегка стучит по поверхности образца.
Экспериментальные методики, основанные на различных методах АСМ, будут рассмотрены в соответствующих разделах. Работа прибора в контактной АСМ и "полуконтактной" АСМ является основой для других методик АСМ. Грамотное комбинирование измерений тремя методами позволяет получать новые интересные результаты.
Выводы.
- АСМ-исследование поверхностей происходит за счет регистрации сил между зондом и образцом. В зависимости от расстояния между поверхностью и зондом преобладают разные силы.
- Существует три основных метода измерения рельефа в зависимости от величины зазора зонд-образец.