Управление АСМ, ЭСМ, МСМ (колебательные методики)

На первом этапе измеряются амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики кантилевера в свободном состоянии (далеко от поверхности). Для этого синусоидальное напряжение с генератора подается на пьезовибратор и одновременно в качестве опорного напряжения на синхронный детектор. Колебания кантилевера приводят к тому, что ток фотодиода содержит переменную составляющую на частоте возбуждения. Амплитуда и фаза сигнала записываются в память компьютера. Затем АЧХ и ФЧХ характеристики визуализируются на экране монитора средствами компьютерной графики.

АСМ изображения поверхности в бесконтактном и "полуконтактном" режимах колебаний кантилевера формируются следующим образом. С помощью генератора задается частота вынужденных колебаний кантилевера вблизи резонанса. Амплитуда этих колебаний детектируется, и напряжение U, пропорциональное амплитуде, поступает на вход схемы сравнения. На другой вход схемы сравнения подается задаваемое оператором напряжение U₀, соответствующее амплитуде колебаний, которую должна поддерживать система обратной связи (U₀ < U). При замыкании петли обратной связи сканер будет пододвигать образец к зонду до тех пор, пока амплитуда колебаний кантилевера не уменьшится настолько, что напряжение U станет равным U₀. При сканировании образца амплитуда колебаний поддерживается на заданном уровне, и управляющее напряжение в цепи обратной связи записывается в качестве АСМ изображения в памяти компьютера. Амплитуда колебаний уменьшается за счет сдвига АЧХ, обусловленного градиентом силы взаимодействия зонда с поверхностью. Поэтому АСМ изображение, получаемое при сканировании образца в режиме постоянной амплитуды колебаний кантилевера, представляет собой поверхность постоянного градиента силы, которая, в отсутствие электрических и магнитных взаимодействий, определяется силами Ван-дер-Ваальса и с большой точностью совпадает с рельефом поверхности. Одновременно с рельефом поверхности часто регистрируют фазу колебаний кантилевера. Это позволяет строить АСМ изображения фазового контраста и анализировать упругие свойства поверхности при "полуконтактном" режиме колебаний кантилевера.

Исследования магнитных образцов проводятся с помощью специальных зондов с магнитным покрытием. Для получения магнитных изображений применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования на первом проходе регистрируется рельеф поверхности в "полуконтактном" режиме колебаний кантилевера. На втором проходе обратная связь разрывается, и при сканировании зондовый датчик проводится над образцом на некоторой высоте по траектории, повторяющей рельеф данного участка поверхности. Поскольку среднее расстояние между зондом и образцом в каждой точке постоянно, изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера будут связаны только с изменением градиента магнитной силы, действующей между зондом и поверхностью.

Использование проводящих зондов позволяет исследовать локальные электрические свойства образцов методом ЭСМ. В этом случае переменное напряжение с генератора и постоянное напряжение суммируются и подаются на зонд. Образец заземляется. Колебания кантилевера возбуждаются под действием периодической электрической силы между зондом и образцом. Амплитуда и фаза колебаний на частоте возбуждения и на удвоенной частоте детектируются. При исследовании неоднородностей электрического взаимодействия зонда с образцом также применяются двухпроходные методики. На первом проходе регистрируется рельеф данного участка поверхности. На втором проходе зондовый датчик движется по траектории, соответствующей рельефу, на некотором расстоянии над поверхностью. При этом изменение амплитуды сигнала с фотодиода на удвоенной частоте записывается в память компьютера как распределение производной электрической емкости системы зонд-образец. Для определения локального потенциала поверхности методом Кельвина в каждой точке сканирования постоянная составляющая напряжения изменяется до тех пор, пока амплитуда колебаний на частоте возбуждения (анализируемая компьютером) не станет равной нулю. Соответствующее данному условию напряжение записывается в память, где формируется файл распределения поверхностного потенциала.