ПРИНЦИПЫ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Сканирующая зондовая микроскопия возникла в начале 80-х годов и к настоящему времени развилась в самостоятельную область физики поверхности и материаловедения.

Общим принципом работы СЗМ является контроль взаимодействия очень острой иглы с исследуемой поверхностью. При этом, в зависимости от типа СЗМ, контролируются различные характеристики контакта: механическое взаимодействие (атомно-силовой микроскоп), туннельный или электрический ток между острием и поверхностью (туннельный или резистивный микроскоп), магнитное взаимодействие (магнитно-силовой микроскоп), емкость между поверхностью и острием (емкостной микроскоп) и т. д. Ниже рассмотрены различные модификации конструкций и принципов действия атомно-силовых микроскопов (АСМ) или сканирующих силовых микроскопов. Термин "атомно-силовой" подчеркивает, что эти микроскопы позволяют контролировать силы на уровне межатомных взаимодействий. Чувствительным элементом (зондом) АСМ является упругая консольная балка с закрепленной на ее свободном конце острой иглой. При контакте острия иглы с поверхностью происходит изгиб консоли под действием сил отталкивания или притяжения. Эти режимы называют соответственно контактным и бесконтактным. Измерив этот изгиб, можно определить силы, действующие между иглой и поверхностью, а также относительную высоту рельефа поверхности (Z-координату) в точке контакта. Широко используются также режимы работы АСМ, когда зонд колеблется в направлении нормали к поверхности образца с некоторой частотой. При этом информацией о контакте зонда с поверхностью служит изменение значений амплитуды, частоты или сдвига фазы колебаний зонда, и в некоторых случаях его усредненный статический изгиб. Из таких режимов наиболее часто применяется режим "обстукивания" поверхности, так называемый "Tapping Mode".

В настоящее время существует большое количество методов регистрации изгиба и параметров колебаний зонда. Наиболее распространены оптические схемы: интерферометрическая и дефлекторная. Также необходимо отметить емкостной и пьезоэлектрический датчик. Разрешение таких регистрирующих устройств может достигать 0.01 нм. Величина изгибной жесткости серийно выпускаемых на сегодняшний день зондов лежит в пределах от 0.1 Н/м до нескольких сотен Н/м. Высокая чувствительность зондов и разрешение регистрирующих устройств позволяет АСМ контролировать силы от 10^-6 до 10^-12 Н, что принципиально отличает их от обычных профилометров.

Подавляющее большинство СЗМ являются приборами сканирующего типа с построчной разверткой. В процессе сканирования контролируют один или несколько параметров взаимодействия острия зонда с поверхностью. В большинстве режимов работы СЗМ поддерживают постоянным один из контролируемых параметров (параметр регулирования) путем перемещения зонда в направлении нормали к поверхности. При этом происходит отслеживание высоты рельефа поверхности. Применение высокоточных пьезокерамических сканеров позволяет перемещать зонд над поверхностью с точностью до сотых долей нанометра.

Чувствительность зондов и точность сканеров позволили получать изображения поверхностей в СЗМ с предельным горизонтальным разрешением около 0.05 нм и вертикальным разрешением до 0,01 нм, что является основным преимуществом СЗМ перед оптическими микроскопами. По этому параметру СЗМ не уступают электронным микроскопам. Кроме того, СЗМ позволяют измерять высоту рельефа в большом диапазоне и с высоким разрешением. Простота использования СЗМ и их универсальность дают им значительные преимущества перед электронными микроскопами не только в научных исследованиях, но и в технологических применениях. В большинстве случаев СЗМ не нуждаются в вакууме. Это существенно ускоряет подготовку прибора к работе и облегчает процесс исследования. Кроме того, в последние годы найдены новые области применения этих приборов для измерения свойств поверхностей, микромодификации и нанолитографии. Большой интерес представляет использование СЗМ в биологии и медицине.

Применение СЗМ (в частности АСМ) для исследования механических свойств поверхностей и диагностики материалов с гетерофазной структурой активно развивается с конца восьмидесятых годов. В его основе лежит тот факт, что характер взаимодействия острия зонда с исследуемой поверхностью зависит от механических свойств этой поверхности. Методы контроля механических свойств с помощью СЗМ развиваются по двум направлениям:

1. Снятие "кривых подвода-отвода" и наноиндентирование. Эти методы позволяют определять такие "объемные" характеристики материалов как, например, модуль Юнга и твердость в очень тонком приповерхностном слое (толщиной от единиц до сотен нанометров). Кроме того, по кривым подвода-отвода определяют химические, электрические, адгезионные свойства поверхностей, капиллярные, Ван-дер-Ваальсовские силы и т. д.
2. Получение изображения псевдорельефа, соответствующего механическим параметрам поверхности в процессе ее сканирования (картографирование механических свойств). Подобные методы позволяют контролировать не только структуру поверхности, но и распределение составляющих в композиционных материалах путем исследования среза или шлифа.

Подобные методы контроля механических свойств с помощью СЗМ характеризуются высоким пространственным разрешением (от субмикронного до нанометрового), чувствительностью и относительной простотой. Их применение актуально для исследований и технологического контроля тонких пленок, ультрадисперсных твердых сплавов, современных композиционных материалов. Однако на сегодняшний день широкое распространение подобных методик сдерживается сложностью и относительно высокой стоимостью оборудования, а также отсутствием методов количественного анализа и интерпретации получаемых результатов.

вверх