Схема работы атомно-силового микроскопа

В основе работы атомно-силового микроскопа лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 1).

.

Рисунок 1 Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы. Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно - чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рисунок 2 Изображение схемы четырехсекционного полупроводникового фотодиодода (взято из: Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2005)

Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I01, I02, I03, I04 , а через I1, I2, I3, I4- значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ΔIi = Ii - I0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца.

А комбинация разностных токов вида

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил. Величина ΔIZ используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 3). Система обратной связи (ОС) обеспечивает ΔIZ = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консолиΔZ равным величине ΔZ0, задаваемой оператором.

Рисунок 3 Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе.

При сканировании образца в режиме ΔZ = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z=f(x,y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.