АСМ – контактный метод рассогласования

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

АСМ – контактный метод рассогласования может рассматриваться как промежуточный между методом постоянной силы и методом постоянной высоты, если коэффициент усиления системы обратной связи (т.е. скорость обработки сигнала рассогласования) устанавливается таким, чтобы система была способна отрабатывать относительно гладкие особенности рельефа и в то же время быть достаточно медленной, чтобы отрабатывать крутые ступеньки.

В результате сигнал рассогласования будет плохо отображать гладкие особенности рельефа и с высоким контрастом отображать резкие шероховатости. Такой способ отображения может быть полезным для поиска небольших неоднородностей на большом относительно гладком фоне.

АСМ – метод латеральных сил

АСМ – метод латеральных сил позволяет различать области с различными коэффициентами трения, а также подчёркивать особенности рельефа поверхности. Эти возможности могут быть использованы одновременно с получением рельефа поверхности для полной характеристики исследуемого образца в соответствии с рисунком 3.15. При сканировании гладкой поверхности с участками с различными коэффициентами трения угол скручивания меняется на каждом участке. Это позволяет проводить измерения локальной силы трения. Если же поверхность не гладкая, то такая интерпретация затруднена.

Для того чтобы различить участки с различными коэффициентами трения и неоднородности рельефа, необходимо использовать второй проход в противоположном направлении. Кроме того, измерения латеральных сил позволяют относительно просто достигать атомарного разрешения на слюде и других слоистых материалах.

Метод латеральных сил имеет большое значение при исследованиях полупроводников, полимеров, плёночных покрытий, запоминающих сред, при изучении поверхностных загрязнений, химических особенностей и фрикционных характеристик, а также в постоянно растущем ряду новых применений. Физические основы метода латеральных сил заключаются в следующем. При сканировании по методу постоянной силы перпендикулярно продольной оси происходиттакже его

торсионный изгиб. Он обусловлен моментом силы, действующей на зонд. Для малых отклонений угол закручивания пропорционален поперечной (латеральной силе). Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической следящей системой микроскопа.

АСМ – отображение сопротивления растекания

АСМ – отображение сопротивления растекания возможно при использовании проводящего зонда АСМ, находящегося в контакте с поверхностью образца. К зонду прикладывается напряжение смещения и проводится измерение результирующего тока через образец в зависимости от положения зонда одновременно с получением данных о рельефе по методу постоянной силы. При постоянном контактном сопротивлении зонд-поверхность при заданном смещении величина тока пропорциональна локальному сопротивлению исследуемого образца. Отображение сопротивления растекания может быть также использовано и при анализе сложных структур, таких, как интегральные схемы.

АСМ

АСМ – контактная емкостная микроскопия (КЕМ)

АСМ – контактная емкостная микроскопия (КЕМ) состоит в том, что в процессе проведения контактной емкостной микроскопии определяется изменение реакции зонда над поверхностью образца при приложении различных напряжений. В результате строится относительная характеристика изменения ёмкости. Контактная емкостная микроскопия позволяет определять зоны с различной электрической ёмкостью, такие как зоны различной степени легирования в полупроводнике.

АСМ – метод модуляции силы

В процессе реализации метода модуляции силы одновременно со сканированием образца в соответствии с методом постоянной силы сканер (или образец) совершает вертикальные периодические колебания. При периодическом движении кантилевер «чувствует» поверхность образца. При этом давление зонда на поверхность образца не остаётся постоянным, но содержит периодическую (обычно синусоидальную) компоненту. В соответствии с локальной жесткостью образца величина соответствующих вмятин будет изменяться в процессе сканирования. На жестких участках поверхности образца вмятины будут мельче, а на мягких участках – глубже. Отслеживание рельефа поверхности образца проводится с использованием усреднённого изгиба кантилевера в системе обратной связи. Если известны величины вертикального смещения сканера «Dz», верти-кального смещения зонда «D» и жесткость кантилевера «kc», то можно определить локальную жесткость исследуемого образца «ks»

В свою очередь, при известной локальной жесткости можно определить модуль упругости образца. Это может быть сделано с использованием калибровочных измерений или с использованием модели Герца, метода модуляции при исследованиях полимеров, полупроводников, биообъектов, в особенности при исследованиях композитов.

3.24 АСМ – полуконтактные методы

АСМ – полуконтактные методы основаны на использовании колеблющегося кантилевера. В сканирующей силовой микроскопии были предложены Биннигом. Он показал влияние градиентов сил на сдвиг резонансной частоты кантилевера и возможность бесконтактного сканирования поверхности образца. Была найдена возможность сканирования поверхности образца не только в притягивающих, но и в отталкивающих силах. Относительно слабый сдвиг частоты колебаний под влиянием отталкивающих сил означает, что контакт зонда с поверхностью образца в процессе колебаний не является постоянным.

Только в течение короткой части периода колебаний зонд «ощущает» контактные отталкивающие силы, Особенно это касается колебаний с большой амплитудой. Сканирование поверхности образца с колеблющимся таким образом кантилевером является не бесконтактным, а скорее прерывисто-контактным. Соответствующий метод сканирующей силовой микроскопии (прерывисто-контактный, или полуконтактный) довольно часто используется на практике.

Полуконтактный метод обладает определёнными преимуществами по сравнению с контактными методами. Прежде всего, при использовании этого метода давление кантилевера на поверхность образца существенно меньше, что позволяет работать с более мягкими и легко разрушающимися материалами, такими, как полимеры и биоматериалы. Полуконтактный метод более чувствителен к различным взаимодействиям с поверхностью, что даёт возможность получить ряд характеристик поверхности – распределение вязкости и упругости, электрических и магнитных доменов.

АСМ-метод отображения фазы

АСМ-метод отображения фазы это – когда в процессе колебания кончик зонда касается поверхности образца и испытывает воздействие не только отталкивающих, но и адгезионных, капиллярных и других сил.

В результате взаимодействия зонда с поверхностью образца происходит сдвиг фазы колебаний. Если поверхность образца является неоднородной по своим свойствам, соответствующим будет и фазовый сдвиг. Распределение фазового сдвига по поверхности будет отражать распределение характеристик материала образца. Это позволяет получать информацию в широкой области применений: для исследований биологических объектов, образцов с магнитными и электрическими характеристиками.

Широко используемый полуконтактный метод обладает определёнными недостатками, связанными с использованием системы обратной связи. В результате правильного подбора коэффициента усиления обратной связи этот недостаток может быть устранён. Также возможна настройка для оптимального отображения пологих и незначительных изменений рельефа.

АСМ-бесконтактные методы

Отсутствие сил отталкивания в бесконтактных методах позволяет использовать их в исследованиях мягких образцов, при этом в отличие от СТМ, не требуется наличия проводящих образцов. АСМ-бесконтактные методы используют принцип определения модуляции амплитуды.

Соответствующая измерительная схема использует изменения амплитуды колебания кантилевера, обусловленные взаимодействием зонда с образцом. Работа по бесконтактному методу может быть описана в терминах градиентно-силовой модели. В соответствии с этой моделью в пределе малых колебаний кантилевера при приближении кантилевера к образцу резонансная частота кантилевера сдвигается на величину к своему новому значению в соответствии с выражением где - новое значение резонансной частоты кантилевера с номинальной жесткостью , а - значение градиента силы взаимодействия кантилевера с образцом. Величина представляет эффективный зазор зонд-образец. Для случая сил притяжения величина отрицательна.

Если возбуждающая частота колебаний кантилевера , то сдвиг резонансной частоты в сторону меньших значений приводит к уменьшению амплитуды колебаний кантилевера с частотой при приближении к образцу. Эти изменения амплитуды используются в качестве входного сигнала в системе обратной связи. Для получения сканированного изображения по бесконтактному методу необходимо, прежде всего, выбрать амплитуду колебаний кантилевера, когда кантилевер находится вдали от поверхности образца. Система обратной связи подводит кантилевер ближе к поверхности образца, пока его мгновенная амплитуда не станет равной амплитуде при заданной частоте возбуждения колебаний .

Начиная с этой точки, может начаться сканирование образца в x-y плоскости с удержанием системой обратной связи постоянной амплитуды колебаний кантилевера для получения АСМ-бесконтактного изображения. Система обратной связи подводит кантилевер ближе к образцу, если амплитуда колебаний кантилевера уменьшается в какой-либо точке, и отодвигает кантилевер от образца, если амплитуда колебаний кантилевера увеличивается. В пределах малых амплитуд колебаний кантилевера сканированное изображение может рассматриваться как рельеф постоянного градиента силы взаимодействия зонд-образец. АСМ-бесконтактный метод обладает тем преимуществом, что зонд не контактирует с образцом и поэтому не разрушает его и не искажает его изображение.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒