Энциклопедический словарь нанотехнологий

АТОМНОСИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Термин
атомно-силовая микроскопия
Термин на английском
atomic force microscopy
Синонимы
scanning force microscopy
Аббревиатуры
АСМ, AFM, SFM
Связанные термины
манипуляция атомами, кантилевер, литография, микроскопия, нанотрибология, поверхность, протеомика, сканирующая туннельная микроскопия, зонд, сканирующая зондовая микроскопия, микроскопия зондовая
Определение
Один из методов зондовой микроскопии для исследования локальных свойств поверхности, в котором анализируют силу взаимодействия иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца в процессе сканирования, используемый также в нанотехнологии для направленного модифицирования поверхности вещества (материала) на уровне отдельных атомов.
Описание

Атомно-силовой микроскоп был изобретен Биннигом, Квоутом и Гербером (Binnig, Quate, Gerber) в 1986 году [1]. В отличие от сканирующей туннельной микроскопии, АСМ позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного уровня по горизонтали и существенно превышает его по вертикали. Обычно под взаимодействием понимают притяжение или отталкивание зонда и поверхности под действием близкодействующих сил Ван-дер Ваальса, однако существует целый ряд модификаций метода для анализа иных взаимодействий, например, электростатических, магнитных, сил трения. Когда игла находится на достаточно большом расстоянии от образца, зонд слабо притягивается к образцу. С уменьшением расстояния это притяжение усиливается до тех пор, пока электронные облака иглы и атомов поверхности не начнут испытывать электростатическое отталкивание. Суммарная сила обращается в ноль на расстоянии порядка длины химической связи (несколько десятых нм); при меньших расстояниях доминирует отталкивание.

В зависимости от расстояний от иглы до образца, используемых для получения АСМ-изображений, возможны следующие режимы (моды) работы АСМ:

  • контактный режим (контактная мода (contact mode));
  • бесконтактный режим (бесконтактная мода (non-contact mode));
  • полуконтактный режим (полуконтактная мода (tapping mode)).

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла АСМ находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. Топографические изображения в АСМ обычно получают в одном из двух режимов:

  • режим постоянной высоты
  • режим постоянной силы.

При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. По изменению амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение поверхности.

Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца.

При использовании АСМ в нанолитографии работа ведется в контактном режиме с контролируемым перемещением острия зонда по заданной схеме.

При использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности.

Авторы
  • Гусев Александр Иванович, д.ф.-м.н.
  • Саранин Александр Александрович, д.ф.-м.н.
Ссылки
  1. Binnig G., Quate and Gerber Ch. Atomic Force Microscope // Phys. Rev. Lett. 56, 1986 - pp. 930–933
  2. Введение в физику поверхности: Пер. с англ. / Оура Кендзиро, Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. - М. Наука, 2006. - 490 с.
  3. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и до-полненное. Москва: Наука-Физматлит, 2007. 416 с.
Иллюстрации

Квантовая гетероструктура GaAlAs: светлые вертикальные поверхности высотой ~15 нм представляют собой оксид, созданный на поверхности GaAlAs анодным окислением с помощью атомно-силового микроскопа и образующий барьер для движения двумерного электронного газа.


Источник: Объект и его изображение получил Dr. Andreas Fuhrer (ETH, Z?rich, Switzerland), предоставлено http://www.icmm.csic.es/spmage/

Теги
Разделы
Зондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно-силовая, сканирующая туннельная, магнитно-силовая и др.
Использование наноманипуляторов и зондов
Методы нанесения элементов наноструктур и наноматериалов
(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)


Ещё