Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

Контактный режим заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере прохождения поверхности.

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм (0,2…0,3 нм). Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания, величиной порядка 10^-9Н.

В таком режиме обычно используются тонкопленочные V-образные кантилеверы из Si₃N₄ c пирамидальными зондами (рис.4а). Кантилеверы имеют упругую константу k =0,03 ÷1 Н/м.

Достоинства метода:

· Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость

Недостатки метода:

· Возможно механическое повреждение, как зонда, так и образца

· Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

· Низкое разрешение

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). В этом режиме работы зонд находится достаточно далеко (5-15 нм) от поверхности образца в области действия сил притяжения. Сила, действующая со стороны поверхности, приводит сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. По изменению амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение поверхности.

Достоинства метода:

· Возможность достижения атомарного разрешения (в условиях вакуума), т.е. повышение разрешения

· Обеспечивает наилучшую сохранность зонда и образца

Недостатки метода:

· Крайне чувствителен ко всем внешним шумам

· Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"

· Малы измеряемые сигналы

Обычно в этом режиме используются жесткие I-образные кремниевые кантилеверы с цилиндрическими зондами (рис.4б). Кантилеверы имеют упругую константу k =10 ÷100 Н/м.

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в полуконтактном режиме (прерывистого контакта) также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. При передвижении сканирующей иглы (или образца) отслеживается изменение резонансной амплитуды кантилевера (она зависит от внешней силы). В этом режиме кантилевер как бы постукивает на резонансной частоте по поверхности. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.

Вследствие кратковременности контакта воздействие зонда на поверхность минимально, а измеряемые сигналы достаточны для их надежного детектирования. Еще одним преимуществом данного режима является отсутствие сдвиговой составляющей силы воздействия на исследуемую поверхность, что существенно уменьшает искажения получаемых изображений.