| следующая статья ==>
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является сравнительно новым методом
исследования объектов с высоким пространственным разрешением. Первым зондовым
микроскопом стало изобретение швейцарских ученых Герхарда Биннига и Хайнриха
Рорера, предложивших 1981 г. использовать эффект туннелирования электронов для
визуализации атомарной структуры проводящей поверхности графита, в результате чего
их изобретение было названо сканирующим туннельным микроскопом (СТМ) [1]. С
появлением атомно-силового микроскопа (АСМ) в 1986 г. [2] область применения СЗМ
значительно расширилась и АСМ занял прочные лидирующие позиции в исследовании с
атомным разрешением свойств непроводящих поверхностей. Метод стал настолько
привлекательным, что через пять лет с момента открытия микроскопа уже существовали
22 его основные вариации [3], которые были разработаны для решения широкого спектра
задач материаловедения. До сих пор атомно-силовая микроскопия по темпам развития и
информативности получаемых данных существенно опережает альтернативные методы
электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа вещества.
Основным функциональным элементом любого сканирующего зондового
микроскопа является зонд. В атомно-силовом микроскопе зонд представляет собой
гибкую консольную балку, на свободном конце которой находится микроострие. Такая
система называется кантилевером, который определяет основные свойства АСМ. В самом
простом случае АСМ напоминает обычный граммофон, который осуществляет
скольжение иглы по грампластинке и воссоздает ее рельеф в виде модулированного
звукового сигнала. В атомно-силовом микроскопе кантилевер построчно сканирует
поверхность образца ультратонкой иглой (рис 1.1).
Рис. 1.1. Схема атомно-силового микроскопа.
В результате межатомного взаимодействия острия иглы с поверхностью гибкая
балка кантилевера деформируется, что в самом простом случае служит полезным
сигналом. Для того чтобы минимизировать изменения силы изгиба кантилевера в
процессе сканирования, используют систему обратной связи, благодаря которой образец
отводится от острия, если сила превышает определенное значение и, наоборот, в случае
уменьшения силы обратная связь с использованием пьезоманипулятора (рис. 1.1)
позволяет стабилизировать ее значение. Такой режим сканирования называется режимом
постоянной силы. Сигналы отклонения кантилевера и системы обратной связи
записываются в цифровом виде в двумерный массив точек, который впоследствии
обрабатывается в специализированных графических редакторах. На фоне
многочисленных модификаций АСМ, позволяющих измерять адгезионные [113], упругие
[114], контактные электрические (кельвин-микроскопия) [115], проводящие [116],
электромагнитные [117] и другие свойства поверхности выделяют основные три режима
сканирования образцов: контактный, прерывистого контакта и бесконтактный (рис. 1.2.).
Рис. 1.2. Основные режимы сканирования атомно-силового микроскопа.
Метод прерывистого контакта заключается в том, что в кантилевере возбуждаются
колебания, в частности на его собственной частоте. После того, как кантилевер начинает
взаимодействовать с поверхностью, у него уменьшаться амплитуда колебаний и
происходит смещение резонансной частоты. В зависимости от того, что именно
выбирается в качестве полезной информации – изменение амплитуды или частоты
физического сигнала возможны два режима работы микроскопа в прерывистом контакте.
Описанный режим называется прерывистым контактом (tapping mode) и применяется при
сканировании объектов с пониженной жесткостью, так как в данной моде исключен
фактор адгезионных и капиллярных сил [118], приводящих к искажениям при
сканировании биополимеров и бактериальных клеток.
Бесконтактный режим сканирования применяется в атомно-силовой микроскопии
при исследовании электростатического или магнитного профиля поверхности [119]. В
данном случае процесс сканирования состоит из следующей последовательности:
кантилевер в контактном режиме сканирования проходит одну строку, при этом
микроскоп запоминает рельеф поверхности, затем кантилевер начинает двигаться в
обратном направлении, находясь на той же строке при сохранении постоянного зазора
между кантилевером и поверхностью. Во время обратного прохода локальные
электромагнитные поля образца оказывают силовое воздействие на намагниченный
кантилевер [119]. Таким образом, в момент получения искомого профиля поверхности
отсутствует межатомное взаимодействие зонда с образцом.
| следующая статья ==>