Презентация Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ). Схема реализации обратной связи в АСМ онлайн

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 1 Темы лекции Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ). Схема реализации обратной связи в АСМ. Параметры кантилеверов в АСМ. Контактные и бесконтактные методики измерения.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 2 В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно определить силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 3 Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели используются оптические методы Оптическая система АСМ юстируется так, чтобы излучение полу-проводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 4 Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 5 Основные регистрируемые оптической системой параметры – это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. Если исходные значения фототока в секциях фотодиода I01, I02, I03, I04, а I1, I2, I3, I4 – значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ΔIi = Ii – I0i однозначно характеризуют величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Это следует из того, что разность токов вида (ΔI1 + ΔI2) – (ΔI3 + ΔI4) = ΔIZ пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца. А комбинация разностных токов вида (ΔI1 + ΔI4) – (ΔI2 + ΔI3) = ΔIL пропорциональна изгибу консоли под действием латеральных сил

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 6 Величина ΔIZ используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа. Система ОС обеспечивает ΔIZ = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ΔZ равным величине ΔZ0, за даваемой оператором АСМ. Схема реализации обратной связи

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 7 При сканировании образца в режиме ΔZ = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f(x,y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 8 Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль – кантилевер с острым зондом на конце. Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния: SiO2 или Si3N4. Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании - держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1 ÷ 50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда - 10 ÷ 20 º.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 9 Силу взаимодействия зонда с поверхностью F можно оценить следующим образом: F = k ΔZ, где k – жесткость кантилевера; ΔZ – величина, характеризующая его изгиб. Коэффициенты жесткости кантилеверов k варьируются в диапазоне 10-3-10 Н/м в зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрических размеров. При работе зондовых АСМ датчиков в колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов. Собственные частоты изгибных колебаний консоли длиной l прямоугольного сечения площадью S определяются следующей формулой , где Е – модуль Юнга; J – момент инерции консоли; ρ – плотность материала; λi – численный коэффициент (в диапазоне 1÷100), зависящий от моды изгибных колебаний.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 10 Резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод кантелеверов, используемых в АСМ, лежат в диапазоне 10÷1000 кГц. Добротность кантилеверов, в основном, зависит от той среды, в которой они работают. Типичные значения добротности при работе в вакууме составляют 103 – 104, на воздухе 300 – 500, а в жидкости 10 – 100. В атомно-силовой микроскопии применяются, в основном, зондовые датчики двух типов – с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 11 Зондовые датчики с треугольным кантилевером имеют при тех же размерах большую жесткость и, следовательно, более высокие резонансные частоты. Чаще всего они применяются в колебательных АСМ методиках. Общий вид зондового датчика

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 12 Методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ– контактные (квазистатический режим) и бесконтактные (колебательный режим). В контактных методиках остриё зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец. В квазистатическом режиме работы АСМ изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 13 При сканировании образца в режиме Fz = const система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом. При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца. При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const). В этом случае зондовый датчик движется на некоторой средней высоте Zср над образцом, при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ΔZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 14 Недостатком контактных АСМ методик является непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью (структуры на основе ряда органических материалов и многие биологические объекты). Для исследования таких образцов применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методики позволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 15 Точное описание колебаний кантилевера зондового датчика АСМ представляет собой весьма сложную математическую задачу. С целью упрощения задачи, рассмотрим процессы, происходящие при взаимодействии колеблющегося кантилевера с поверхностью, в рамках модели сосредоточенной массы. Пусть имеется кантилевер в виде упругой консоли с жесткостью k, с сосредоточенной массой m на одном конце. Другой конец консоли закреплен на пьезовибраторе ПВ

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 16 Если пьезовибратор совершает гармонические колебания u = u0cosωt с частотой ω, тогда уравнение движения такой колебательной системы имеет вид где член, пропорциональный первой производной по времени, учитывает силы вязкого трения со стороны воздуха, а посредством F0 обозначена сила тяжести и другие возможные постоянные силы. Как известно, постоянная сила лишь смещает положение равновесия системы и не влияет на частоту, амплитуду и фазу колебаний. Делая замену переменных z = z + F0/k (т.е. рассматривая колебания относительно нового состояния равновесия), можно привести уравнение движения кантилевера к виду:

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 17 Разделив уравнение на m и введя параметр добротности системы Q = 0m/γ, получим уравнение движения в следующем виде: Амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики кантилевера, отвечающие данному уравнению Величина rd, определяющая сдвиг относительно резонансной частоты 0 находится из соотношения rd2 = 02(1 – 1/2Q2).

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 18 В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца. При ван-дер-ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения. Появление такой дополнительной силы немного модифицирует вышеприведенные уравнения и в результате АЧХ и ФЧХ приобретают вид Дополнительный сдвиг фазы при наличии градиента силы

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 19 Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи. На практике чаще используется т.н. полуконтактный режим колебаний кантилевера. При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 – 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца. При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера.

Содержание слайда: Лекция 21 Слайд 20 Формирование АСМ изображения поверхности в режиме колебаний кантилевера происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте ω (близкой к резонансной частоте кантилевера) с амплитудой Аω. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне A0, задаваемом оператором (A0 < Аω). Напряжение в петле обратной связи (на z-электроде сканера) записывается в память компьютера в качестве АСМ изображения рельефа поверхности. Одновременно при сканировании образца в каждой точке регистрируется изменение фазы колебаний кантилевера, которое записывается в виде распределения фазового контраста.