Атомно-силовая микроскопия и микроскопы (АСМ). Часть 1

Атомно-силовой микроскоп (АСМ)

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. АСМ используют для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного (и даже субатомарного).

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) используются для исследования следующих материалов: твердотельные, полимерные, биологические, измерения в жидкости, нанолитография. 

Принцип работы АСМ

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом (рис. 1). Зонд представляет собой наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли (кантилевер). На зонд со стороны поверхности действует сила, которая приводит к изгибу кантилевера. Изменение топологии поверхности образца под зондом приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и к изменению величины изгиба кантилевера.

Регистрируя величину изгиба, можно получить изображение рельефа поверхности. Силы Ван-дер-Ваальса – короткодействующие силы, которые используют в первую очередь для описания взаимодействия зонда и образца [1]. Они включают в себя составляющие разного знака и на больших расстояниях обеспечивают притяжение, а на малых – отталкивание.

Режимы работы АСМ

Существует три режима работы атомно-силового микроскопа:

• контактный (англ. contact mode),
• «полуконтактный» (англ. semi-contact mode или tapping mode),
• бесконтактный (англ. non-contact mode).

Расстояния, на которых действуют силы Ван-дер-Ваальса, составляют до несколько нанометров (рис. 2). Весь спектр сил Ван-дер-Ваальса вплоть до сил Казимира описывается теоретической моделью, предложенной Дзялошинским, Лифшицем и Питаевским в 1961 году [2].

АСМ FM-Nanoview 1000 AFM 

Современный рынок предоставляет большую номенклатуру атомно-силовых микроскопов, ориентированных на различные ценовые сегменты и исследовательские задачи. Для измерений шероховатости поверхности существует недорогое решение от китайского производителя SUZHOU FLYINGMAN PRECISION INSTRUMENTS CO., LTD. (FSM-PRECISION) - атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000 AFM (рис.3). 

Применение АСМ FM-Nanoview 1000 AFM 

Атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000 AFM используется для анализа шероховатости, как в контактном, так и в полуконтактном режиме. Использование микроскопа в полуконтактном режиме позволяет анализировать образцы как твердотельные, так и порошкообразные.  

Рисунок 3 - Атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000

Данный микроскоп хорошо продемонстрировал свои возможности при работе с различными поверхностями (рис. 4-6). Помимо конструктивных особенностей, он также обладает быстрой скоростью сканирования и прост в использовании (посмотрите демонстрационное видео исследовательской лаборатории ООО "Серния Инжиниринг").

Рисунок 4 – Поверхность алюминия на сапфире

Рисунок 5 – Исследование поверхности кварцевой линзы

Рисунок 6 (а) – Исследование наноалмаза на поверхность кремния  

Рисунок 6 (б) – Исследование наноалмаза на поверхность кремния

Особенности работы на АСМ FM-Nanoview 1000 AFM 

Требование к подготовке образцов для эффективной работы FM-Nanoview 1000 AFM - локальный перепад высоты не должен превышать 2/3 высоты иглы зонда АСМ (может быть различной). 

Использование кантилевера для образцов с большими перепадами высот (свыше 500 нм) приводит к затуплению острия кантилевера, что не позволяет в дальнейшем приблизиться к нижней части топографической структуры образца. 

Данный эффект вносит искажение в анализ параметров поверхности. Соответственно, по мере увеличения радиуса закругления кантилевера значение шероховатости уменьшается. По этой причине во время измерений шероховатости необходимо сохранять остроту кантилевера.

1. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89
2. I. D. Dzyaloshinskii, E. M. Lifshitz, and L. P. Pitaevskii, Usp. Fiz. Nauk 73, 381 (1961)

Если Вам необходима консультация специалиста по атомно-силовой микроскопии, заинтересовал АСМ FM-Nanoview 1000 AFM  -  обращайтесь в ООО "Серния Инжиниринг":  +7 (495) 204 13 17, info@sernia.ru. 

1. Цикл статей об атомно-силовой микроскопии и микроскопах (АСМ). Часть 2 – «Применение АСМ в анализе отказов» >>>