Атомно-силовая микроскопия

упругого отталкивания - задача Герца
На расстояниях «кантилевер-образец» в

несколько десятков ангстрем главным является межмолекулярное взаимодействие - сила Ван-дер-Ваальса (а также возможны капиллярные силы и адгезия)
При дальнейшем удалении от поверхности преобладает электростатическое взаимодействие
На масштабах порядка тысячи ангстрем - магнитные силы

глубины проникновения

при сканировании
При одинаковых условиях сканирования одним и тем же

зондом может происходить разрушение твердого образца, в то время как более мягкий не разрушится
Возможность разрушения образца или зонда зависит от скорости сканирования

жидкая пленка микроскопических масштабов. Это приводит к существенным эффектам при

взаимодействии кантилевера с такой поверхностью, т.к. на столь малом масштабе большое значение приобретают силы поверхностного натяжения.

Капиллярная сила

Образование шейки

Для расчета капиллярной силы

- Ориентационные силы, диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными

диполями. Примером может служить HCl в жидком и твердом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями

Дисперсионное притяжение (лондоновские силы). Взаимодействием между мгновенным и наведенным диполем. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

- Индукционное притяжение. Взаимодействие между постоянным диполем и наведенным(индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

Это силы межмолекулярного взаимодействия, являющаяся электростатическим взаимодействием молекулярных оболочек

поверхностей, за счет электростатических сил, природа которых разная для разных

материалов.
Своим происхождением она обязана наличию короткодействующих молекулярных сил

Работа адгезии:

Схематичное указание работы адгезии

Наиболее точной является модель Маугиса
Модель Маугиса
(1992)
DMT
(Derjagin, Muller, Toropov, 1975)

JKR
(Johnson, Kendall, Roberts, 1964-1971)

Зависимость силы от глубины проникновения

Самая точная, но самая сложная

поверхностью используют
метод, основанный на регистрации
отклонения лазерного луча, отраженного от

кончика зонда. Луч направляется на самый кончик кантилевера, после чего попадает в специальный четырёхсекционный фотодиод.
Малейшие отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода.
Такая система позволяет измерять отклонения луча на угол 0.1 град, что соответствует отклонению кантилевера всего на сотые доли нанометра

под действием латеральных сил

сложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии, ионной имплантации,

химического и плазменного травления

по мере прохождения поверхности
Бесконтактный и полуконтактный режим характеризуются дополнительным

условием сканирования, которое позволяет осуществить более щадящее и тонкое сканирование.

Кантилевер жестко связывается с
пъезоэлементом и колеблется со своей резонансной частотой. Детектируется не только амплитудное отклонение, но и фазовое.

обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а следовательно, и

силу взаимодействия зонда с образцом. При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца

поддерживает закрепленный конец кантилевера на постоянной высоте. Таким образом отклонения

кантилевера отражают рельеф поверхности исследуемого образца.

Плюс метода постоянной высоты - высокая скорость сканирования, которая ограничивается только резонансными свойствами кантилевера.

использованием системы обратной связи. Скорость сканирования в нем ограничена постоянной

времени системы обратной связи. Этот недостаток в значительной степени может быть преодолен с использованием того факта, что в процессе сканирования новое значение величины изгиба кантилевера (и сигнал рассогласования) устанавливается быстрее чем система обратной связи приведет величину изгиба к предустановленному значению.

Сигнал Рассогласования системы обратной связи, возникающий в процессе сканирования содержит дополнительную информацию относительно рельефа поверхности. Он может быть использован для более полного воспроизведения рельефа

Метод рассогласования

также подчеркивать особенности рельефа поверхности. Эти возможности могут быть использованы

одновременно с получением рельефа поверхности для более полной характеризации исследуемого образца.

Физические основы метода состоит в том, что при сканировании по методу постоянной силы помимо изгиба кантилевера в нормальном направлении происходит также и его торсионный изгиб. Он обусловлен моментом силы действующей на зонд. Для малых отклонений угол закручивания пропорционален поперечной (латеральной) силе. Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической системой микроскопа.

в соответствии с методом постоянной высоты сканер совершает вертикальные периодические колебания.

При периодическим движении кантилевер «чувствует» поверхность образца. При этом давление зонда на поверхность образца не остается постоянной, но содержит периодическую (обычно синусоидальную) компоненту. В соответствии с локальной жесткостью образца величина  соответствующих вмятин будет изменяться в процессе сканирования. На жестких участках поверхности образца вмятины будут мельче,  а на мягких участках – глубже.

Если известны величины вертикального смещения сканера Dz, вертикального смещения зонда D и жесткость кантилевера кs , то можно определить локальную жесткость исследуемого образца кs В свою очередь при известной локальной жесткости можно определить модуль упругости образца

зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и

разрушению поверхности образцов.

погрешности и артефакты вносимые упругими силами

радиуса закругления r исследуемых объектов
Радиус зонда R приблизительно равен

радиусу закругления r  исследуемых объектов

с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к

поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца. При Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения. Таким образом, наличие силы взаимодействия зонда с поверхностью образца приводит к дополнительному сдвигу АЧХ и ФЧХ системы

в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной

связи. На практике чаще используется так называемый "полуконтактный" режим колебаний кантилевера (иногда его называют прерывисто-контактный, а в иностранной литературе - "intermittent contact" или "tapping mode" режимы). При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 – 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца (это соответствует области отталкивания на графике зависимости силы от расстояния

При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаимодействие кантилевера с поверхностью в "полуконтактном" режиме состоит из ван-дер-ваальсового взаимодействия, к которому в момент касания добавляется упругая сила, действующая на кантилевер со стороны поверхности

содержащий левомицетин

образца он испытывает не только отталкивающие, но и адгезионные, капиллярные

и ряд других сил. В результате взаимодействия зонда с поверхностью образца происходит сдвиг не только частоты, но и фазы колебаний. Если поверхность образца является неоднородной по свои свойствам, соответствующим будет и фазовый сдвиг.

Распределение фазового сдвига по поверхности будет отражать распределение характеристик материала образца. Такой  метод сканирования, при котором регистрируется фазовый сдвиг (Метод Отображения Фазы) является весьма полезным для исследований материалов.

себя все достижения и последние разработки в области зондовой микроскопии.

Он позволяет в контролируемых условиях проводить изучение рельефа и физических свойств поверхности с использованием практически любых применяемых сегодня методов зондовой микроскопии, достигая при этом атомно-молекулярного разрешения.

буферным слоем
Размер: 6.3x6.3 um

Легко контролируемые золотые наночастицы использованы для изучения поверхностных плазмонных свойств

металлических частиц.
Размер: 2x2x0.02 um