Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
Видавничо-поліграфічний інститут
Кафедра технології поліграфічного виробництва
Реферативна доповідь
з дисципліни: «Фізико-хімічні методи аналізу»
на тему: «Атомно-силова мікроскопія»
Студентки групи СТМ-71 Іваненко І.П.
Перевірив професор, д.х.н Шерстюк В.П
Київ 2012
Атомно-силова мікроскопія - вид зондової мікроскопії, в основі якого лежить силове взаємодія атомів (строго кажучи обмінна взаємодія атомів зонда і досліджуваного зразка).
Атомно-силовий мікроскоп (АСМ, англ. AFM - atomic-force microscope) - скануючий зондовий мікроскоп високо роздільної здатності. Використовується для визначення рельєфу поверхні з роздільною здатністю від десятків ангстрем аж до атомарного.
На відміну від скануючого тунельного мікроскопа, з допомогою атомно-силового мікроскопа можна досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні.
Атомно-силовий мікроскоп був створений в 1982 році Гердом Біннігом, Кельвіном Куейтом і Крістофером Гербером в США, як модифікація винайденого раніше скануючого тунельного мікроскопа.
Для визначення рельєфу поверхонь непровідних тіл використовувалася пружна консоль (кантилевер), відхилення якої, в свою чергу, визначалося по зміні величини тунельного струму, як в скануючому тунельному мікроскопі. Однак такий метод реєстрації зміни положення кантилевера виявився не найвдалішим, і двома роками пізніше була запропонована оптична схема: промінь лазера направляється на зовнішню поверхню кантилевера, відбивається і потрапляє на фотодетектор. Такий метод реєстрації відхилення кантилевера реалізований в більшості сучасних атомно-силових мікроскопів.
Спочатку атомно-силовий мікроскоп фактично являв собою профілометр, тільки радіус закруглення голки був порядка десятків ангстрем. Прагнення поліпшити латеральний дозвіл призвело до розвитку динамічних методів. Пьезовібратором збуджуються коливання кантилевера з певною частотою і фазою. При наближенні до поверхні на кантилевера починають діяти сили, які змінюють його частотні властивості. Таким чином, відстежуючи частоту і фазу коливань кантилевера, можна зробити висновок про зміну сили, що діє з боку поверхні і, про рельєф
Основними конструктивними складовими атомно-силового мікроскопа є:
В залежності від конструкції мікроскопа можливо рух зонда щодо нерухомого зразка або рух зразка, стосовно закріпленого зонда.
Маніпулятори діляться на дві групи. Перша група призначена для "грубого" регулювання відстані між кантилевером і зразком (діапазон руху порядку сантиметрів), друга - для прецизійного переміщення в процесі сканування (діапазон руху порядку мікрон).
В якості прецизійних маніпуляторів (або сканерів) використовуються елементи з п'єзокераміки. Вони здатні здійснювати переміщення на відстані порядку ангстрем, проте їм притаманні такі недоліки, як термодрейф, нелінійність, гістерезис, повзучість (крип).
Система реєстрації відхилення зонда
Існує кілька можливих систем:
-Оптична (включає лазер і фотодіод, найбільш поширена)
- П'єзоелектрична (використовує прямий і зворотний п'єзоефект)
-Інтерферометрична (складається з лазера і оптоволокна)
-Ємнісна (вимірюється зміна ємності між кантілевери і розташованої вище нерухомою пластиною)
-Тунельна (історично перша, реєструє зміну тунельного струму між провідним кантілевери і розташованої вище тунельної голкою)
Принцип роботи атомно-силового мікроскопа заснований на реєстрації силової взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка і зондом. В якості зонда використовується нанорозмірні вістрі, що розташоване на кінці пружної консолі, званої кантилевери. Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до вигину консолі. Поява височин або западин під вістрям призводить до зміни сили, що діє на зонд, а значить, і зміни величини вигину кантилевери. Таким чином, реєструючи величину вигину, можна зробити висновок про рельєф поверхні.
Під силами, що діють між зондом і зразком, в першу чергу мають на увазі сили Ван-дер-Ваальса, які спочатку є силами тяжіння, а при подальшому зближенні переходять в сили відштовхування.
Залежно від характеру дії сили між кантилевером і поверхнею зразка виділяють три режими роботи атомно-силового мікроскопа:
Тут необхідно пояснити те , що саме береться за нуль відстані щоб уникнути плутанини. На наведеному малюнку нуль відповідає нульовій відстані між ядрами атома на поверхні і найбільш виступаючого атома кантилевера. Тому нуль сили знаходиться на кінцевому відстані, відповідному кордоні електронних оболонок цих атомів (при перекритті оболонок виникає відштовхування). Якщо взяти за нуль кордону атомів, то сила звернеться в нуль в нулі відстані.
Рис. 1 Схема роботи атомно-силового пристрою
Контактний режим роботи атомно-силового мікроскопа
При роботі в контактному режимі атомно-силовий мікроскоп є аналогом профілометра. Вістря кантилевера знаходиться в безпосередньому контакті між зразком і поверхнею.
Сканування здійснюється, як правило, в режимі постійної сили, коли система зворотного зв'язку підтримує постійною величину вигину кантилевера. При дослідженні зразків перепадами висот порядку одиниць ангстрем можливо застосовувати режим сканування при постійній середній відстані між зондом і поверхнею зразка. У цьому випадку кантилевер рухається на деякій середній висоті над зразком. Вигин консолі ΔZ, пропорційний силі, що діє на зонд з боку поверхні записується для кожної точки. Зображення в такому режимі являє собою просторовий розподіл сили взаємодії зонда з поверхнею.
Переваги методу:
Недоліки методу:
Безконтактний режим роботи атомно-силового мікроскопа
При роботі в безконтактному режимі пьезовібратором збуджуються коливання зонда на деякій частоті (найчастіше, резонансній). Сила, що діє з боку поверхні, призводить зрушенню амплітудно-частотної і фазово-частотної характеристик зонда, і амплітуда і фаза змінюють значення.
Система зворотного зв'язку, як правило, підтримує постійну амплітуду коливань зонда, а зміна частоти і фази в кожній точці записується. Однак можливе встановлення зворотного зв'язку шляхом підтримання постійної величини частоти або фази коливань.
Переваги методу:
Недоліки методу:
Функціонує лише в умовах вакууму, коли відсутня адсорбований на поверхні шар води
Попадання на кантилевера під час сканування частинки з поверхні зразка змінює його частотні властивості і налаштування сканування "йдуть"
У зв'язку з безліччю труднощів і недоліків методу, його застосування в АСМ вкрай обмежені.
Напівконтактний режим роботи атомно-силового мікроскопа
При роботі в полуконтактном режимі також збуджуються коливання кантілевери. У нижньому напівперіоді коливань кантілевери стосується поверхні зразка. Такий метод є проміжним між повним контактом і повним бесконтактом.
Переваги методу:
Недоліки методу:
Сучасна атомно-силова мікроскопія активно використовується у всьому світі для дослідження як напівпровідників, так і будь-яких інших матеріалів. Дуже широкий розвиток вона отримала по дослідженню вірусів, клітин, генів в біології, - там з нею пов'язують великі надії. Цікавим є можливість використовувати АСМ для літографії — техніка гравюри, коли фарба під тиском переноситься з плоскої друкарської форми на папір., - як механічного дряпання поверхні шипом, так і окислення поверхні під шипом при подачі на голку потенціалу. Це відкриває великі можливості по використанню для потреб нанолітогафіі .
CПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ