Методы анализа поверхности твердых тел

Методы анализа поверхности твердых тел

Сканирующая зондовая микроскопия

 

 

Теоретические основы атомно-силового микроскопии

 

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) – один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-ваальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил, действующих между атомами вещества. Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США, как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа. Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем.

Принцип работы АСМ основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом при сближении их на расстояние межатомного взаимодействия. При таких расстояниях сила взаимодействия между двумя ближайшими атомами острия и поверхности образца, составляет 10^-7 – 10^-9 Н. Атомы, расположенные на острие тонкого зонда (иглы, пирамидки) взаимодействуют с атомами поверхности исследуемого образца (рис. 51).

 

Рис. 51. Схема взаимодействия межу атомами зонда и образца	Рис. 52 Зависимость сил взаимодействия между атомами от расстояния

 

Если расстояние между атомами острия иглы и поверхностью образца уменьшается, то между наиболее сближенными атомами их поверхностей вначале возникает сила притяжения (рис. 52). Эта сила будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем сближении силы отталкивания растут. Равновесие сил притяжения и отталкивания наступает при расстоянии между атомами порядка 0,2 нм. Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.

Области применения АСМ

 

АСМ применяются в биофизике, материаловедении, биохимии, фармацевтике, нанотехнологиях, физике и химии поверхности, электрохимии, электронике (например, МЭМС), фотохимии. Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих, определения типа атома в кристаллической решётке. С его помощью можно наблюдать несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например, дислокации или заряженные дефекты, а также примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов. Возможно обнаружение единичных атомов или молекул на поверхности твердого тела при использовании специальных молекул-сенсоров.

В последнее время с помощью атомного силового микроскопа физики стали интенсивно изучать биологические объекты, бактерии, вирусы, клетки, молекулы ДНК и другие макромолекулы, главным образом для целей нарождающегося и, чрезвычайно перспективного направления – биомолекулярной технологии. АСМ позволяет решать не только прикладные задачи, но и глобальные проблемы фундаментальной физики. В частности, определив с его помощью поведение межатомных сил и константы взаимодействий между атомами поверхности и острия, можно сделать довольно точные заключения о существовании или отсутствии новых фундаментальных взаимодействий и

Методы анализа поверхности твердых тел