Контактный режим АСМ

Контактный режим работы АСМ был разработан более 30 лет назад. В самом его названии уже заложен основной принцип работы таких методов – постоянное взаимодействие зонда с поверхностью образца. И в первую очередь это позволяет получить картину рельефа поверхности.

Для получения изображения в контактном режиме зонд сканирует поверхность образца, при этом происходит отклонение кантилевера. Это отклонение фиксируется и обрабатывается компьютером, который строит карту поверхности образца. Контактный режим позволяет получить изображения очень высокого разрешения, но сканирование происходит достаточно медленно.

(а) АСМ-изображение слюды, полученное в контактном режиме. Высотное изображение слюды показывает периодические поверхностны изгибы в диапазоне 0-0,1 нм, которые точно повторяют структуру минерала. Вставка демонстрирует кристаллографическую структуру поверхности;

(b) АСМ-изображение WTe2. Основные кристаллографические направления плоскости ab обозначены белыми стрелками

Помимо данных о рельефе также можно измерять электрические параметры образца (сопротивление растекания при использовании проводящего зонда), силы трения (латеральный изгиб кантилевера), жёсткость образца, пьезоотклик и другие.

При приближении зонда к поверхности на него начинают действовать силы притяжения Ван-дер-Ваальса – они проявляются на расстоянии порядка десятков ангстрем. Помимо них становится заметным вклад электростатических и капиллярных сил, возникающих из-за адсорбированной влаги на поверхности образца.

Параметр DFL отображает величину взаимодействия зонда с поверхностью и показывает уровень изгиба кантилевера. Его величина прямо пропорциональна силе взаимодействия зонда с поверхность.

Капиллярное взаимодействие приводит к резкому изменению изгиба кантилевера и проявляется в виде гистерезиса на кривых подвода/отвода зонда.

Схема измерений зависимости «сила – расстояние» при подводе-отводе зонда АСМ-микроскопа от поверхности твердого тела:

а – подвод зонда к поверхности образца;

б – момент контакта зонда с поверхностью;

в, г − движение кантилевера в свободном положении;

д – отрыв кантилевера от поверхности образца;

е – движение кантилевера в контакте с поверхностью;

1 – рабочая точка;

2 – движение в контакте;

3 – наклон, соответствующий жесткости;

4 – скачок при контакте с поверхностью («jump-to-contact»);

5 – нулевая линия;

6 – константа упругости кантилевера;

7 – выход из контакта с поверхностью скачком («jump-of-contact»);

8 – нестабильные положения

Основным недостатком использования контактного режима АСМ является именно постоянное взаимодействие зонда с образцом, поскольку это может привести к повреждению исследуемой поверхности (если образец мягкий, а сила прижима высокая), либо к повреждению зонда или его затуплению (из-за высокого перепада поверхности, высокой скорости измерений, высокой силы прижима). Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов и биологические объекты.

Преимуществами являются четкость получаемой картины рельефа, а также возможность измерения электрических и других параметров, которые невозможно получить другими методами.