Управление АСМ при работе кантилевера в контактном режиме

Перед началом работы оператор юстирует оптическую схему системы регистрации отклонения кантилевера таким образом, чтобы ток с различных секторов фотодиода был равным, а его величина максимальной. Затем устанавливается напряжение, пропорциональное рабочему значению отклонения кантилевера ΔZ, которое будет поддерживаться постоянным системой обратной связи. После этого включается система сближения зонда и образца. При этом управляющее напряжение подается на шаговый двигатель. В начальном состоянии напряжение в петле обратной связи (пропорциональное разности токов между вертикальными секторами фотодиода) меньше, чем значение, установленное оператором, и сканер максимально вытянут в направлении зонда. При подходе образца к зонду кантилевер изгибается, появляется разностный ток с фотодиода, и система сближения переходит к процедуре точной установки образца. В этом режиме происходит дальнейшее движение образца к зонду с помощью двигателя и одновременное отодвигание его с помощью сканера (ОС поддерживает постоянным изгиб кантилевера) до тех пор, пока плоскость поверхности образца не достигнет положения, соответствующего середине динамического диапазона перемещений сканера. После этого микроскоп готов к работе.

Сканирование образца осуществляется при подаче напряжений пилообразной формы на внешние электроды трубчатого сканера. При этом в петле обратной связи поддерживается постоянным выбранное оператором значение разностного тока фотодиода, соответствующее определенной величине изгиба кантилевера. При сканировании образца в режиме F_z=const напряжение на Z-электроде сканера пропорционально рельефу поверхности. Это происходит следующим образом. Реальное мгновенное значение напряжения U, пропорциональное разностному току ФД, сравнивается с величиной U₀, задаваемой оператором. Разностный сигнал (U-U₀) усиливается и подается на внутренний Z-электрод сканера. Сканер отрабатывает данный сигнал до тех пор, пока разность (U-U₀) не станет равной нулю. Таким образом, при сканировании напряжение на Z-электроде сканера оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Сигнал с выхода схемы сравнения записывается как информация о рельефе поверхности.

В выбранной точке образца можно снять зависимость величины изгиба кантилевера от расстояния между зондовым датчиком и поверхностью: ΔZ=f(z). Для этого обратная связь разрывается, и на Z-электрод сканера подается напряжение пилообразной формы. Синхронно с изменением напряжения записывается напряжение, которое пропорционально отклонению кантилевера, а, следовательно, силе взаимодействия зонда с поверхностью. Полученные данные преобразуются в зависимость ΔZ=f(z), которая затем строится с помощью средств компьютерной графики.

Получение АСМ изображения при постоянном среднем расстоянии между зондовым датчиком и образцом Z_ср=const происходит следующим образом. Вначале снимается зависимость ΔZ=f(z) и определяется точное положение зонда над поверхностью. Затем обратная связь разрывается, и выставляется выбранное оператором значение расстояния зонд-поверхность. После этого производится сканирование образца, и величина напряжения, пропорциональная отклонению кантилевера, записывается в виде файла распределения силы вдоль поверхности образца F(x,y).

При использовании кантилеверов с проводящим покрытием возможна регистрация вольт-амперных характеристик контакта зонд-образец в выбранной точке поверхности. Для получения ВАХ напряжение пилообразной формы подается на кантилевер. Синхронно с этим напряжение, пропорциональное току через контакт, усиливается, записывается в память компьютера и визуализируется средствами компьютерной графики.

Колебательные методики АСМ

Как указывалось выше, 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. Кроме того, развитие колебательных методик существенно расширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов.