Атомно-силовая микроскопия

Давление света

Исследовал пондеромоторные силы в различны системахВысказал гипотезу о существовании пондеромоторных сил между двумя «лучеиспускающими молекулами»

Лебедев П.Н.

Измерение сил взаимодействия между телами

Дерягин Б.В.

Использование системы аналоговой обратной связи для поддержания расстояния

0>+dz

dfk

Условие равновесия

mzf −~

zk

fz <<=∆

Микроскопический подходLJ

Maugius-Dugdale

Взаимодействие определяется суммированием парных взаимодействий отдельных молекул

612 rru

βα −=6r

uβ−=

7r

Сu −=

Макроскопический подход

Лифшиц Е.М.

Сила взаимодействия осуществляется посредством флуктуационного электромагнитного поля и является решением уравнений Максвелла

)('')(')( ωεωεωε i+=

χε in +=

( ) ωξωωωε

πξε di ∫

∞

++=

022

)(''21)(

( )( )( )( )

( )( )( )( )

dx

exxxx

xxxxe

xxxx

xxxx

kTNx

c

kTf

Nc

xkTNH

c

xkTNH∑ ∫∞

=

∞

⋅⋅

−−+−−+−

++−++−+

−−+−−+−

++−++−

=

0 14

22

212

1

22

212

14

22

21

22

21

32

3

111

11

1

111

11

12

ππ

εεεεεεεε

εεεε

ππ

4H

Bf =

Кантилеверы

• Зонды для микроскопии изготавливаются из кремния или нитрида кремния литографическими методами.

• Острия выращиваются травлением кремния

• Проводимость и магнитные свойства зонда обычно обеспечиваются специальными покрытиями.

Общий вид Микрофотография острия

Зонды для зондовой микроскопии

Hi’Res: Радиус кривизны острия – 1 нм MikroMasch: www.spmtips.com

NSC11, NSC18 – традиционные контактные кантилеверы

Дендримеры: размер изображения: 250 нмвысота 25 нм 40 нмС.С. Шейко, Д.А. Иванов, А.М. Музафаров

Scanning Probe Microscopy

Materials science:

Superconductivity

Charge density waves

Surface reconstruction

Glass transition and phase separation in polymers

Bionanoscopy:

DNA/RNA

Proteins

Biomolecule’s conformation

Bacteria cells

Viruses

Nanotechnology:

Nanolithography

Manipulations of atoms and molecules

Оценка сил и смещений

3 мкм20 мкм

S ~ 1 мкм2

d = 1 мкм

U = 10 В

Сила действующая между иглой и образцом:

2

20

2d

SUEx

Fε∝

∂∂−∝

Нашем случае это дает:

Н104,0~ 9−⋅FИли для смещения иглы:

нм3~x

F(U)

-26

-23

-20

-17

-14

-11

-8

-5

1 2 3 4 5 6 7 8

U, В

RM

S, м

В

Оценка сил взаимодействия зонда с поверхностью

2

22

2 d

UCU

zF ∝

∂∂−∝

Система зонд-поверхность представляется как плоский конденсатор с параметрами:

S = 100х100 нм2 — площадь

d = 50 нм — зазор.

Сила взаимодействия составит:

Для напряжения U = 10 ВСила взаимодействия будет F = 2 нНСоответствует смещениюZ = 0,4 нм При жесткости кантилевераk = 5 Н/м

Сила притяжения в АСМПроцесс подвода

Сила притяжения в АСМ

Процесс отвода

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000 100000

50

100

150

200

Z, nm

U, mV

Сила притяжения в АСМ

Сила притяжения в РАСМ

Сила притяжения в РАСМ

Общий принцип работы зондового микроскопа

Режимы работы обратной связи:

•Режим постоянной высоты

•Режим постоянного параметра

Многомерные представления данных в СЗМ

В общем случае в СЗМ состояние зонда задают следующие параметры:Положение по трем координатам X, Y, ZСила взаимодействия с поверхностью F Разность потенциалов между зондом и поверхностью UВеличина протекающего тока IАмплитуда Α, фазу ϕ и частоту f механических колебаний зондаАмплитуда Iac, фазу φ и частоту ω протекающего переменной тока I(t)

Обобщая приведенные ранее идеи можно ввести понятие о много мерном представленииНа практике используются и наглядно визуализируются лишь представления четырех мерные вида F(x,y,z) и «трехсполовиноймерные» данные (F,I)(z,U) как в СРМ, основные двухмерные I(x,y), Z(x,y) и одномерные I(U), I(z), F(z)

Ψ==

),,,,,(

),,,,,(

fUzyxAA

IUzyxFF ω

Использование методики сканирующей зондовой микроскопии

Проведение эксперимента

Подготовка образцов

•Нанесение образцов: Растворы, расплавы•Порошки•Готовые образцы•Биополимеры•Живые системы

Измерения Обработка результатов

•Работа с прибором

•Работа с программой и управление прибором

•Анализ шероховатости поверхности•Измерение размеров объектов•Измерение свойств поверхности•Учет артефактов

- Атомно силовая микроскопияОбратная связь

Оптическая система

Игла

Пьезосканер

Образец

Кантилевер

- Резонансная атомно силоваямикроскопия

Обратная связьОптическая система

Игла

Пьезосканер

Образец

Кантилевер

~Генератор

Сканирующая резистивнаямикроскопия

Обратная связьОптическая система

Игла

Пьезосканер

Образец

Кантилевер

ААмперметр

Пьезокерамика

Недостатки пьезокерамики Нелинейность [4] Крип [4]

Наличие гистерезиса [4]

Старение [5]

[4] В.Л. Миронов, «Основы сканирующей зондовой микроскопии», 2004[5] Aging of piezoelectric composite transducers A. Barzegar,R. Bagheri, and A. Karimi Taheri, Journal of Applied Physics, Vol. 89, No. 4, pp. 2322–2326, 15 February 2001

Примеры гистерезиса и крипа

Как измерять поверхность?

•Сканирование осуществляется построчно.

СЗМ

Программа клиент

Специаль-ное ПО

Программа сервер

Управление СЗМ из любой точки круглосуточно

Получение данных многими пользователями в реальном времени

Автоматизация измерений

ФемтоСкан Онлайн• Множество разнообразных

фильтров для СЗМ– Линейные– Нелинейные– Специальные фильтры

для сканирующей зондовой микроскопии

• Различные средства для анализа данных

– Профили– Гистограммы– Фурье-анализ– и др..

• Различные способы получения данных

– Поддержка более 20 форматов других СЗМ

– Импорт текстовых данных– Импорт TWAIN- и видео

источников• Модульная структура

– Основные фильтры– СЗМ фильтры– ГОСТ-модуль

Программное обеспечение для сканирующей зондовой микроскопии

Рост кристаллов на поверхности

Кристаллы NaCl на слюде

Одноосные или радиальные деформации полимеров с жестким покрытием

Рост белковых кристалловКаждый пик на гистограмме распределения точек по высоте соответствует отдельной ступени кристалла.Среднее расстояние между террассами 7,6 нм

Силовое картирование поверхности

Измерение силовых кривых F = F (x, y, z)

Адгезия

Твердость

Деформация

Состояние контакта зонд поверхность

При сканировании на дефектах поверхности происходит изменение состояния контакта системы зонд-поверхность.

Образец Образец

Влияние адсорбированного вещества

Подвод к поверхности Отвод от поверхности

Зависимость силы от расстояния F(z)

Зависимость тока от расстояния I(z)

Зависимость силы от расстояния F(z)

Зависимость тока от расстояния I(z)

Запаздывание электрического контакта относительно механического

Присутствие тока при залипании кантилевера

Подвод отвод

Амплитуда колебаний Отклонение кантилевера

Резонансные системыДобротность кантилевера Q ~ 10-1000

Время установления равновесия τ

Q

1~τ

Состояние контакта зонд поверхность

Образец Образец