Атомно-силовая микроскопия

АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ, метод изучения строения и свойств поверхности твёрдых тел с субнанометровым пространственным разрешением. Атомно-силовой микроскоп (ACM) изобрёл Г. Бинниг с сотрудниками в 1986 году, используя принцип устройства сканирующего туннельного микроскопа. Существенное различие между этими микроскопами состоит в типе применяемого зонда. В туннельном микроскопе — это проводящая игла (регистрируется величина туннельного тока), в ACM - микроостриё (зонд), закреплённое на упругой консоли (измеряемая величина - сила взаимодействия между остриём и исследуемой поверхностью). В простейшем случае ACM можно рассматривать как профилометр сверхвысокого разрешения, который работает в воздухе, вакууме и жидкости и позволяет увидеть трёхмерный профиль поверхности. ACM даёт возможность визуализировать атомную решётку на поверхности графита, слюды, ряда полупроводников, металлов и других материалов.

Схема ACM приведена на рисунке. Исследуемый образец расположен на пьезокерамическом манипуляторе (пьезосканере), который перемещает образец по трём координатам с точностью до долей ангстрема. Диапазон перемещений зависит от конструкции манипулятора и составляет 1-250 мкм по горизонтали и 1—10 мкм по вертикали. Зонд представляет собой остриё пирамидальной формы с радиусом закругления 3-5 нм или менее, закреплённое на микроконсоли длиной 50-400 мкм. Прибор может работать в режиме постоянного или прерывистого контакта. В режиме постоянного контакта зонд приводится в соприкосновение с поверхностью, а затем поверхность сканируется так, чтобы сила взаимодействия зонда с образцом была постоянной. Сила взаимодействия определяется по изгибу микроконсоли в соответствии с законом Гука: F=k δΖ, где δΖ - сме­щение (прогиб) зонда, к - его механическая жёсткость (типичные значения 0,01-1 Н/м для контактного режима).

Для регистрации изгиба микроконсоли и, соответственно, перемещения зондирующего острия используются различные схемы. Наибольшее распространение получил оптический метод угловых перемещений: сфокусированный лазерный луч направляется на незакреплённый конец зонда. Угловое перемещение отражённого луча, пропорциональное перемещению острия, регистрируется фотоприёмником, например четырёхсекционным фотодиодом. В режиме прерывистого контакта при сканировании поверхности возбуждают резонансные механические колебания микроконсоли. Метод применяется для изучения объектов пониженной жёсткости (полимеров, биообъектов, адсорбатов). При исследованиях поверхности образцов в жидкости удаётся дополнительно снизить силовое воздействие со стороны зонда до уровня 10-12 Н.

Методы атомно-силовой микроскопии позволяют измерять не только профиль поверхности, но и её локальные свойства, получать информацию о коэффициенте трения, механической упругости, диэлектрической проницаемости, работе выхода электронов, электрического сопротивлении и др. Различаются методы в основном видом используемого зонда. Так, для изучения магнитных свойств материалов используется зонд с покрытием из магнитного материала. С помощью ACM можно направленно модифицировать поверхность, т. е. осуществлять нанолитографию. Таким образом, ACM является инструментом нанотехнологий. Перспективными материалами для записи информации являются полимеры и тонкие магнитные плёнки.

ACM используют для технологического контроля изделий микроэлектроники, магнитных носителей информации, в материаловедении и научных исследованиях, а также при решении задач микробиологии, молекулярной биологии и медицины.

Лит.: Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. М., 1997.