Атомно-силовая микроскопия АСМ. Метод АСМ применяется для измерения топографии поверхности твердых тел в нанометровом диапазоне и анализа особенностей ее строения.
Изображение поверхности в АСМ получают при помощи сканирования образца в горизонтальной плоскости с использованием иглы с радиусом кривизны острия порядка десятков-сотен нанометров, укрепленной на консоли колеблющейся с известной жесткостью. При сканировании измеряется отклонение сдвиг резонансной частоты колебаний консоли под действием сил между иглой и поверхностью. Таким образом, при регистрации сил взаимодействия градиента сил проводят картографирование поверхности. 15 Аналитический узел сканирования АСМ представляет собой открытую конструкцию для работы на воздухе с хорошим доступом при установке образца и смене сканирующего зонда.
Обзор места подвода острия зонда к исследуемой поверхности может обеспечиваться использованием длиннофокусного оптического микроскопа. Аналитический зонд АСМ представляет собой Г-образную консольно закрепленную балку с острием радиус закругления -0,1мкм на свободном конце, изготовленную из вольфрамовой проволоки методом электро-химического травления и полирования.
Вторым, более длинным концом, бапка связана с биморфным пьезокерамическим элементом БД , который при подаче осциллирующих напряжений от генератора частот ГЧ приводит ее в колебания с собственной частотой 30-100кГц. При приближении зонда к поверхности образца О на расстояние порядка нескольких нанометров, амплитуда колебаний балки изменяется под влиянием молекулярных сил отталкивания возникающих между острием и поверхностью образца.
Рис.2. Принципиальная схема АСМ З- зонд БМ- биморфный элемент ГЧ- генератор частот О- образец ЛИ- люминисцентный источник ОВ- оптическое волокно БЭ- блок электроники ПК- персональный компьютер ПД1,2,3,4- пьезоэлементы двигателя. Изменение амплитуды колебаний зонда детектируется оптической системой, в которой пучок света от ЛИ проходя по ОВ, отражается, во-первых, от его скола на краю волокна подведенном с помощью регулируемого кронштейна на расстояние 10мкм к ґпятке зонда и, во-вторых, от полированного участка на поверхности балки. Разность отраженных оптических сигналов регистрируется и обрабатывается блоком электроники БЭ . По изменениям разницы сигналов судят об изменении амплитуды колебаний зонда и, следовательно, об изменении расстояния между сканирующим острием и исследуемой поверхностью.
С помощью системы обратной связи на базе управляющего компьютера ПК и блока электроники БЭ подаются соответствующие управляющие напряжения на Z-участок, пьезоэлементы двигателя ПД . ПД, удлиняясь или укорачиваясь, совершают перемещение острия или образца вдоль оси Z и тем самым поддерживают постоянным расстояние между острием зонда и поверхностью образца во время сканирования.
Системы детектирования и перемещений обеспечивают чувствительность по оси Z 0,1-0,2 нм, в плоскости ХОУ- разрешение до 5-10 нм. Сканирование острия зонда над измеряемой поверхностью осуществляется пьезодержателем ПД1. Для этого соответствующие квантовые напряжения на ХУ-участки трубчатого элемента подают, что приводит к их изгибу относительно осей ОХ и ОУ и, следовательно, к сканированию в плоскости ХОУ. В зависимости от состояния системы цифровой процессор управляет положением зонда.
Компьютер реализует растровую разветку пьезодвигателя. В заданных узлах растровой сетки производятся измерения положений. Данные накапливаются в ОЗУ компьтера. Сканирование. Подготовленный для исследований на САМ образец закрепляют на платформе держателя в аналитическом узле таким образом, что предполагаемый участок сканирования располагается под острием зонда.
Платформа устанавливается на направляющие. После чего, осуществляется подвод образца, выбор режима и производится сканирование. Обработка данных. В результате экспериментальных исследований были получены САМ-изображения, обработка производится на компьютере с использованием оригинальных программ. Первичная обработка включает вычисление общей плоскости наклона изображения и фильтрацию шумовых компонентов.
Затем методом многократной повторной фильтрации находят длинноволновые составляющие рельефа. Для полученных изображений производится статистический анализ высот топографии, углов наклона рельефа и ориентационных углов. Кроме того, выполняются профильные сочетания изображений, которые затем обрабатываются по специальной программе для определения параметров шероховатости. 2.4.