Резонансные методы сканирующей зондовой микроскопии

2

Основные режимы работы СЗМ

Рисунок из Wikipedia

3

Сравнение режимов сканирования  Достоинства НедостаткиКонтактный Большая скорость сканирования

Возможность изучения образцов с большим диапазоном по Z (с большей шероховатостью)

Латеральные силы могут искажать изображение

На воздухе возможен сильный эффект, обусловленный капиллярными силами от водяной пленки-адсорбата на подложке

Латеральные силы в комбинации с сильной прижимной силой уменьшают разрешение и могут привести к поломке зонда или разрушению поверхности образца

Полуконтактный Латеральные силы минимизированы. Таким образом можно достигнуть лучшего латерального разрешения на большинстве образцов

Риск разрушения образца и порчи зонда минимален

Меньшая скорость сканирования, по сравнению с контактным режимом

Бесконтактный И прижимная, и латеральная силы минимальны, что очень хорошо для изучения очень мягких образцов

Можно получить истинное атомное разрешение для экспериментов в высоком вакууме

На воздухе слой водяной пленки-адсорбата может быть слишком толстым, и мешать эффективным измерениям

Меньшая скорость сканирования по сравнению с другими режимами

4

Контактный режим

Бесконтактный режим

Режим «обстукивания»

прит

яжен

иеот

талк

иван

ие

5

Основные режимы работы СЗМконтакт

Динамический режим

Статический режим

нет контакта

Контактный режим

Бесконтактный режим

Полуконтактный режим

Force modulation (модуляция силы)

Pulsed force mode

Ultrasonic mode (ультразвуковой режим)

Static deflection

6

Простейшая теоретическая модель колебаний кантилевера – модель сосредоточенной массы (the

point mass model)

u=u(t)

m

z(t)

u=u0cos(t)

0)( Fzuzkzm

z=z+F0/k

)cos(0 tkukzzzm

7

Модель сосредоточенной массы

)(,

)(

)(

)(

)(

)(

Re)cos(

)cos(

220

0

2

20

2222

0

020

2

20

2222

0

02200

20

0220

020

0200

20

020

20

0

0

Qarctg

Q

uA

eA

Q

Qiu

Qi

ua

eaz

eutu

tuzzQ

z

ьдобротностm

Q

i

ti

ti

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Рисунок взят с сайта wikipedia

8

200

220

22220

200

2

20

2222

0

0220

0

20

2

20

2222

0

02200

21

2

111

)cos(4)()(

sincos)()(

2

1,1

)(

)(Re))sin()cos(()( 0

Q

tu

Q

tQ

tutz

Q

e

Q

Qiu

tctcetz

d

d

tidd

t

(6)

(7)

(8)

(9)

9

Сдвиг амплитудно-частотных характеристик

d 0

A

10

Сдвиг амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик

0

11

Бесконтактный режим сканирования СЗМ

)cos(

)cos()(

/)(

)(

)()(

020

20

0

00

00

00

tuzm

Fz

Qz

Fkk

tkuzFkzzm

kFFzz

zFFFzuzkzm

tzzz

FFF

z

zeff

z

at

zat

atat

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

12

Бесконтактный режим

d

zdrd

zr

z

z

m

F

k

F

Q

mF

Qarctg

QmF

uA

11

2

11

)(

,

)(

)(

20

220

0

2

20

2222

0

020

(16)

(17)

(18)

(19)

13

Бесконтактный режим. Изменение АЧХ под действием градиента силы

r d 0

A

14

Бесконтактный режим. Изменение ФЧХ под действием градиента силы

* 0

k

FQ

FQ

karctg

k

F

k

F

z

z

z

z

2)(

11

1

0

0*

0

0*

(20)

(21)

(22)

15

Прерывисто-контактный режим

Рисунок из книги Миронова

16

Фазовый сдвиг в полуконтактном режиме сканирования

Aku

QE

u

A PS

000

sin

(20)

Где EPS – энергия, идущая на восполнение потерь, связанных с диссипативным воздействием зонда и образца, А – амплитуда установившихся колебаний кантилевера, - частота колебаний кантилевера, 0 – резонансная частота колебаний кантилевера.

17

Вынужденные колебания могут быть…

• Механическими (акустическими или пьезоэлектрическими ) колебаниями

• Магнитными колебаниями• Фототермическими

колебаниями• Вызваны Лоренцевой силой• Ультразвуковыми колебаниями• пьезоэлектрическими

колебаниями

Рисунок с nanoHUB

18

Выбор амплитуды колебаний кантилевера для полуконтактного режима

A0 A

19

Выбор амплитуды колебаний кантилевера для полуконтактного режима

A

0

А0

А

20

Поиск резонанса

21

0,85

0,65

0,75

0,6

0,7

0,55

22

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,50,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5 [ПС]:[ПМА]=1:2 [ПС]:[ПМА]=1:1

setpoint A/A0

nm

силовое воздействие

конт

раст

ПМА

ПC ПCΔH

23

24

Выбор кантилевера для резонансных режимов

25

Выбор кантилевера для бесконтактного режима

26

Выбор кантилевера для полуконтактного режима

27

Выбор кантилевера для режима модуляции силы

28

Выбор кантилевера All-in-One

29

Контактный режим сканирования СМАС

Изменение морфологии тонких пленок СМАС при контактном режиме сканирования

[ПС]:[ПМА]=1:2 [ПС]:[ПМА]=1:1

30

[ПС]:[ПМА]=1:2 [ПС]:[ПМА]=1:1

Полуконтактный режим сканирования

Видно микрофазовое разделение блок-сополимеров

31

Фазовый контраст

32

Одно проходные и двупроходные методики

Изображение из книги P. Eaton, P. West

33

Трудности перевода

Dynamic mode

Intermittent contact mode

Tapping mode

Acoustic modeРезонансный режим

Полуконтактный режим

Динамический режим

Режим обстукивания

Прерывисто-контактный режимOscillating mode

Noncontact mode

Close contact mode

34

Трудности перевода

Intermittent contact mode

Tapping mode

Acoustic mode

Резонансные режимы:

Полуконтактный режим

Режим обстукивания

Прерывисто-контактный режим

Noncontact mode

Бесконтактный режим

Noncontact mode – некоторые производители

Полуконтактный режим

Бесконтактный режим

Real noncontact modeClose contact mode

35

Литература

1. P. Eaton, P. West Atomic force microscopy 20102. Миронов В.Л основы сканирующей зондовой микроскопии 2004 3. Dror Sarid Exploring Scanning Probe Microscopy with MATHEMATICA

20074. Sergei N. Magonov, Myung-Hwan Whangbo Surface Analysis with STM

and AFM 19965. A. Ikai The world of nano-bio mechanics 20076. http://nanoandmore.com7. http://femtoscanonline.com8. http://www.nanoscopy.ru9. http://www.bruker.com10. http://www.agilent.com11. http://www.ntmdt.com