2.2.2.4 Влияние упругих деформаций в эксперименте

Разрушение материалов при сканировании.

Оценив давление в месте контакта по формуле (4) пункта 2.2.2.2, нетрудно установить, разрушение каких материалов может происходить при сканировании. Достаточно сравнить предел прочности материалов (который измеряется в Па) и возникающее напряжение (давление ). См. приложение 1.

Впрочем, даже если превышен порог прочности, разрушение материала зонда или образца при сканировании может не произойти. Дело в том, что давление сверх критического должно воздействовать дольше, чем продолжается процесс разрушения (время релаксации упругих деформаций составляет примерно сек). При достаточно быстром сканировании больших площадей это условие может и не выполняться. См. приложение 2.

Восстановление формы поверхности по снимаемому профилю.

Изменение вертикального положения зонда при сканировании в контактном режиме дает профиль, который может сильно отличаться от реального рельефа изучаемой поверхности. Одна из причин тому – упругая деформация образца и острия зонда. Например, на опыте было замечено существенное занижение вертикальных размеров органических молекул. Причина этого в том, что подобные материалы очень мягкие, и зонд "проминает" выступающие фрагменты таких образцов. (Подробнее см. приложение 3 и пункт 2.5.1).

Вторая причина отклонения результатов сканирования от реальной формы поверхности – это конволюция зонда и образца. Ее рассмотрение важно при исследовании мелких (порядка радиуса кривизны зонда) особенностей образца. Конечные размеры острия приводят к тому, что он может не "пролезть" в узкие впадины на поверхности образца, занижая их реальную глубину и ширину. Аналогично уширяются выпуклые детали рельефа. Явление конволюции несложно понять, взглянув на рис. 1.

Рис. 1. Конволюция зонда при сканировании. Измеряемая траектория может существенно
отличаться от реального профиля поверхности исследуемого образца.

Видно, что для объекта с реальным радиусом экспериментальные размеры оказываются значительно больше реальных, причем они зависят от радиуса зонда (более подробно см. пункт 2.5.2).

Если представить себе одновременно наличие конволюции и деформаций, то можно понять насколько разными могут быть снимаемый профиль и истинная топография. Приложение 4 наглядно показывает, что полученное изображение требует анализа, и, возможно даже, дальнейшей компьютерной обработки, чтобы выделить реальный рельеф исследуемого образца.

Неупругие консервативные силы при контакте.

Помимо упругости при контакте зонда с образцом возникают и другие силы. Например, взаимодействие Ван-дер-Ваальса (которое действует не только в соприкосновении, но и на некотором расстоянии) приводит к отрицательной добавке к давлению, так как силы Ван-дер-Ваальса, в отличие от сил упругости, являются притягивающими, а не отталкивающими.

Рис. 2. Зависимость силы от глубины проникновения . Показан график решения задачи Герца,
а также решение с петлей гистерезиса, учитывающее неконсервативные силы.

Это, наряду с другими притягивающими микроскопическими взаимодействиями, которые здесь не обсуждаем, приводит к смещению вниз графика (рис. 3 пункта 2.2.2.2) – решения задачи Герца. Видно, что при сила отрицательна. Это означает, что при незначительном касании зондом образца действует притягивающая сила.

Неконсервативные эффекты.

Кроме сил упругости и ВдВ, существуют еще неконсервативные силы: от трения и капиллярной силы до рассеивания энергии возникающими упругими волнами – фононами. Их наличие приводит к еще большему искажению решения задачи Герца. Рассмотрим, к каким экспериментальным следствиям могут привести подобные контактные взаимодействия.

Благодаря неконсервативным силам, в частности, возникает адгезия (или прилипание) зонда к поверхности. При этом прикосновение и отрыв происходят по-разному, т.е. в системе появляется гистерезис.

Зонд, прилипший к поверхности, при движении вверх увлекает за собой небольшой "приклеившийся" участок образца, который в течении некоторого времени, пока не произойдет отрыв, поднимается, образуя шейку (рис. 3).

Рис. 3. "Прилипание" участка поверхности образца к зонду обусловлено
неконсервативными силами и приводит к гистерезису.

Таким деформациям будем приписывать отрицательные значения глубины проникновения . Это означает, что при обратном движении кантилевера вверх рассмотренный график (рис. 2) может уйти левее вертикальной оси, пока не произойдет скачкообразный отрыв. На рисунке 2 стрелками показана траектория в координатах при перемещении зонда вниз и вверх.

Для описания левой части графика используются более сложные (по сравнению с задачей Герца) аналитические модели. Они рассмотрены, например, в [1].

Наличие петли гистерезиса на графике говорит о том, что чтобы прижать зонд к поверхности образца и затем его оторвать, вернув в первоначальное положение, необходимо затратить работу. Другими словами, если кантилевером ударить по поверхности образца, то столкновение будет неупругим. В полуконтактном колебательном режиме подобное неупругое залипание становится одним из факторов затухания.

Выводы.

Учет упругих свойств необходим для определения критических параметров эксперимента, при которых возможно разрушение образца или кантилевера.
При сканировании образец проминается, поэтому для восстановления топографии необходимо учитывать упругие деформации.
При контакте, помимо упругих сил, возникают и другие, в том числе и неконсервативные силы, такие как адгезия.

Литература.

Handbook of Micro/Nanotribology / Ed. by Bhushan Bharat. – 2d ed. – Boca Raton etc.: CRC press, 1999. – 859 с.