Бесконтактный режим колебаний кантилевера АСМ

В бесконтактном режиме, известном также как режим притяжения, расстояние между иглой и поверхностью образца составляет обычно величину 50 ÷ 100 Å. На таком расстоянии электронные орбиты атомов иглы начинают взаимодействовать с электронными орбитами атомов образца. Это взаимодействие проявляется в виде слабого притяжения, поскольку в любой момент времени атомы иглы и образца оказываются поляризованными в одном и том же направлении. Если бы атомы были свободными, они бы двигались навстречу друг другу вплоть до появления силы отталкивания.

Как видно из рисунка 27, в области расстояний, соответствующих бесконтактному режиму работы АСМ, наклон кривой меньше, чем в области сил отталкивания. Поэтому в этом режиме кантилевер отклоняется значительно меньше, чем в контактном режиме. Необходимо также использовать жесткий кантилевер, иначе игла будет притягиваться к образцу вплоть до появления силы отталкивания. Таким образом, в бесконтактном режиме работы используется очень чувствительная система регистрации отклонений кантилевера. С этой целью в упругом кантилевере возбуждаются механические колебания с частотой, близкой его собственной механической резонансной частоте (обычно 200 – 300 кГц), с амплитудой у зонда порядка нескольких десятков ангстрем. При сканировании регистрируют изменения резонансной частоты или амплитуды колебаний. Чувствительность такой схемы регистрации сил притяжения обеспечивает вертикальное разрешение менее одного ангстрема, такое же как и в контактном режиме.

Резонансная частота кантилевера изменяется из-за того, что внешняя сила – сила притяжения – имеет разную величину при минимальном и максимальном расстояниях колеблющейся иглы от поверхности образца. При сканировании в бесконтактном режиме измеряют частоту колебаний кантилевера и поддерживают её постоянной с помощью следящей системы, передвигающей кантилевер сканером вниз или вверх. При постоянной частоте колебаний сохраняется среднее расстояние между иглой и поверхностью образца. Сигнал, управляющий положением кантилевера по оси Z с помощью сканера, используется для построения топографического изображения поверхности.

В бесконтактном режиме сила взаимодействия между иглой и поверхностью очень мала, ~10^-12 Н [1]. Это очевидное преимущество при работе с мягкими и эластичными материалами. Это также важно для изучения объектов, свойства которых могу изменяться при касании зондом поверхности образца в контактном режиме, в частности при исследовании полупроводниковых кристаллов и наноструктур.

В случае достаточно жёстких образцов контактный и бесконтактный режимы работы АСМ позволяют получать практически одинаковые изображения поверхности.

Промежуточное положение между контактным и бесконтактным занимает режим периодического кратковременного контакта иглы с поверхностью в процессе сканирования, так называемый режим "постукивания" (tapping mode) или резонансный режим. В этом режиме кантилевер колеблется на собственной резонансной частоте с высокой амплитудой порядка 50-100 нм. При таких амплитудах игла соприкасается с поверхностью в момент максимального отклонения консоли вниз от положения равновесия, что существенно изменяет частоту, фазу и амплитуду его колебаний. Резонансный режим характеризуется более высоким разрешением в горизонтальной плоскости по сравнению с контактным режимом.