Сканирующая зондовая микроскопия
может быть рабочее расстояние, и тем большего разрешения можно
достичь (при удалениях, соизмеримых, или превы-шающих радиус кривизны
кантилевера), хотя при этом возрастает и сила взаимодействия. Возможна
также ситуация, когда градиент сил притяжения не превосходит жесткости
кантилевера вплоть до касания иглы и поверхности, т.е. вплоть до сближения
крайних атомов зонда и образца в область отталкивающего потенциала, и,
значит, рабочее расстояние может быть сколь угодно малым. Такая ситуация
является переходной между бесконтактным и полуконтактным режимом.
Полуконтактный режим
Характерной особенностью полуконтактного режима является то, что большую
часть периода колебаний кантилевер не касается поверхности и вообще
относительно слабо взаимодействует с образцом. И только при сближении иглы
с поверхностью вплоть до попадания в область отталкивающего потенциала
взаимодействие резко усиливается, и при этом соударении кантилевер теряет
избыток энергии, накопленный за остальную часть периода. В зависимости от
характера взаимодействия может меняться сдвиг фазы основной гармоники
колебаний относительно возбуждающего сигнала и амплитуда и фаза высших
гармоник. Базовым же эффектом является ограничение амплитуды колебаний на
уровне, примерно равном расстоянию между вершиной иглы в свободном
состоянии кантилевера и поверхностью образца. Т.е., грубо говоря,
кантилевер может растачиваться только до касания поверхности образца и не
дальше.В полуконтактном режиме, в отличие от бесконтактного, жесткость
кантилевера может быть меньше, чем максимальный градиент сил притяжения
вблизи поверхности. Избавиться же от "залипания" иглы можно путем
увеличения амплитуды колебаний кантилевера до такого значения при котором
сила со стороны балки кантилевера, отрывающая иглу от поверхности,
превышает притяжение иглы к поверхности. В бесконтактном режиме это
невозможно, поскольку там амплитуда должна быть мала по сравнению с
расстояниями, на которых заметно меняется градиент сил.
Режим измерения жесткости.
В режиме измерения локальной жесткости сигнал модуляции подается на 2-
обкладки пьезотрубки. При этом игла кантилевера касается поверхности, и
вибрация образца передается кантилеверу. Измеряемой величиной является
амплитуда колебаний балки кантилевера. Коэффициент передачи колебаний
образца в колебания балки кантилевера пропорционален отношению жесткости
системы игла- поверхность в данной точке к жесткости балки. В одном
предельном случае абсолютно гибкого кантилевера с жесткой иглой на жестком
образце, колебания пьезотрубки полностью передаются балке. В другом
предельном случае очень жесткого кантилеверана гибком или легко
деформируемом образце и/или при мягкой игле колебания трубки приводят лишь
к деформации поверхности и иглы, тогда как балка остается неподвижной.
Следует помнить, что жесткость системы игла-образец зависит не только от
модулей Юнга соприкасающихся поверхностей, но и от их геометрии, в
частности, от радиусов кривизны. Наибольшая жесткость в области контакта
достигается в случае поверхностей равных по величине кривизны, но
противоположного знака, т.е., в случаев контакта круглого острия иглы с
круглой впадиной того же радиуса.
Поэтому режим измерения локальной жесткости будет контрастировать ступеньки
на образце, показывать небольшие бугорки как области с пониженной
жесткостью, даже если они состоят из того же материала, что и весь образец.
2.2.4 Схема взаимодействия компонентов СЗМ
На (Рис.10) схематично изображены составляющие компоненты присущие СЗМ;
- исследуемый образец,
- игла ССМ,
- кантилевер ССМ,
- система регистрации отклонения кантилевера,
- сканер, чье перемещение в плоскости задает сканирование, а вертикальное
перемещение по оси Z управляется обратной связью,
- движитель с системой грубого подвода, обеспечивающий подведение образца к
зонду в зону рабочего диапазона сканера,
- процессор,
- блок питания,
- рабочая станция.
Рис. 10
2.2.5 Схема регистрации отклонения кантилевера
В ССМ корпорации МДТ использована оптическая схема регистрации отклонений
кантилевера (Рис.11), которая, являясь относительно несложной, позволяет
регистрировать суб-ангстремные отклонения кантилевера. Источником является
полупроводниковый лазер Lyambda=670 нм, Р = 0,9 мВт, луч которого
фокусируется на зеркальной поверхности кантилевера в районе острия.
Отраженный от кантилевера свет попадает на четырехсекционный фотодиод,
усиленный разностный сигнал от которого позволяет определять угловое
отклонение кантиклевера с точностью менее 0.1нм, что обеспечивает
разрешение по вертикали 0.1нм.
| |  скачать работу |
Сканирующая зондовая микроскопия |
