Практическое применение атомного силового микроскопа

В сопоставлении с растровым электрическим микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности эталона, АСМ позволяет получить поистине трёхмерный рельеф поверхности. Не считая того, непроводящая поверхность, рассматриваемая при помощи АСМ, не просит нанесения проводящего железного покрытия, которое нередко приводит к приметной деформации поверхности. Для обычной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большая часть режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе либо даже в воды. Данное событие открывает возможность исследования биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высочайшее разрешение чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в критериях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электрическим микроскопом.

К недочету АСМ при его сопоставлении с РЭМ также следует отнести маленький размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько мм в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько мм в вертикальной плоскости. У АСМ наибольший перепад высот составляет несколько микрон, а наибольшее поле сканирования в наилучшем случае порядка 150-150 микрон².

Другая неувязка состоит в том, что при высочайшем разрешении качество отображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неверном выборе зонда приводит к возникновению реликвий на получаемом изображении.

Обыденный АСМ не в состоянии исследовать поверхность также стремительно, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-изображения, обычно, требуется пару минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать фактически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно низким качеством.

Из-за низкой скорости развёртки АСМ получаемые изображения оказываются искажёнными термическим дрейфом, что уменьшает точность измерения частей сканируемого рельефа. Для роста быстродействия АСМ было предложено несколько конструкций, посреди которых можно выделить зондовый микроскоп, нареченный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного свойства изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже резвее, чем на обыкновенном РЭМ.

Не считая термодрейфа АСМ-изображения могут также быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера и перекрёстными паразитными связями, действующими меж X, Y, Z-элементами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные АСМ употребляют программное обеспечение или сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некие АСМ заместо сканера в виде пьезотрубки употребляют XY и Z-элементы, механически несвязанные вместе, что позволяет исключить часть паразитных связей.

АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке. Манипулятор АСМ и СТМ позволяет при габаритах в несколько см передвигать иглу с разрешением лучше 0,1 Ǻ. Если б промышленный бот обладал схожей точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность поперечником в несколько нанометров.

Температурный коэффициент линейного расширения большинства материалов около . При размерах манипулятора в несколько см изменение температуры на 0,01° приводит к перемещению иглы вследствие термического дрейфа на 1 Ǻ.

Кантилевер (англ. cantilever — кронштейн, консоль) — закоренелое заглавие более всераспространенной в сканирующей атомно-силовой микроскопии конструкции микромеханического зонда.

Кантилевер представляет собой мощное прямоугольное основание, размерами приблизительно 1,5-3,5-0,5 мм, с выступающей из него опорой (фактически кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. Одна из сторон балки является зеркальной (время от времени для усиления отражённого лазерного сигнала на неё напыляют узкий слой алюминия), что позволяет использовать оптическую систему контроля извива кантилевера. На обратной стороне балки на свободном конце находится игла, взаимодействующая с измеряемым прототипом. Форма иглы может существенно изменяться зависимо от метода производства. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в границах 5—90 нм, лабораторных — от 1 нм.

Обычно, вся конструкция, кроме, может быть, иглы, является кремниевым монокристаллом. Также кантилеверы изготавливают из нитрида кремния (Si3N4) либо полимеров. Процесс производства идентичен с созданием кремниевого электрического оборудования, и включает сухое или жидкофазное вытравливание подложки. Таким образом, кантилеверы комфортные для массового производства.

При разработке кантилеверов употребляют последующие два уравнения, которые являются главными для осознания механизма работы кантилеверов. Отклонение балки регистриуется чувствительными оптическими и емкостными датчиками. Коэффициент упругости связан с резонансной частотой кантилевера по закону гармонического осциллятора. Изменение силы, приложенной к кантилеверу может привести с сдвигу резонансной частоты. Сдвиг частоты может быть измерен с большой точностью по принципу гетеродина.

Одной из принципиальных заморочек при практическом использовании кантилевера является неувязка квадратичной и кубической зависимости параметров кантилевера от его размеров. Эти нелинейные зависимости означают, что кантилеверы достаточно чувствительны к изменению характеристик процесса. Контроль остаточной деформации также может представлять сложность.

Рис. 5.4 Молекулы на зонде ведут взаимодействие с отдельными частями молекул на образчике

Рис. 5.5 Приобретенное изображение куска эталона.

При помощи АСМ может осуществляться сборка молекул из отдельных атомов.

Рис. 5.6 Молекула, из 18 атомов цезия и 18 атомов йода собрана методом поочередного присоединения отдельных атомов в АСМ.