В. Исследование сил молекулярного взаимодействия между гальваническими пленками никеля, золота и кремниевым зондом атомно-силового микроскопа.

Силы адгезии, действующие на кремниевый кантилевер со стороны исследуемых балочных подвижных элементов, были расчитаны на основе данных силовой спектроскопии для четырех тестовых образцов (сканы см. рис.В.1–В.4). Для этого были сняты зависимости величины изгиба кантилевера от степени выдвижения z-пьезотрубки сканера в нескольких точках: по 25 кривых для каждого образца (см. рис.В.5–В.9). Значение силы адгезии можно вычислить по закону Гука, считая линейной зависимость силы от смещения зонда относительно поверхности образца по вертикальной оси:

F = k × ΔH,

где: k – жесткость кантилевера (измерено экспериментально с помощью команды script в программном модуле нанолаборатории Интегра); ΔH – смещение зонда по вертикальной оси (определяется по кривым отвода как разность Z₁ и Z₂). В точке 1 сила притяжения, действующая на кантилевер, максимальна. В точке 2 кантилевер отрывается от поверхности, и сигнал сканера становится постоянным.

Результаты исследования сил адгезии, действующих на кремниевый кантилевер со стороны золотых и никелевых балочных подвижных элементов находятся в таблице В.3.1. Согласно полученным экспериментальным данным, сила адгезии возрастает с увеличением силы прижатия.

Если на исследуемой поверхности присутствую пленки адсорбата, то сила адгезии уменьшается. Это происходит потому, что в результате взаимодействия подложки и зонда возникает электростатическое поле, которое порождает механическое напряжение, нормально ориентированное к плоскости электродов [28]. Проникновение электростатического поля в объем подложки может вызвать глубинную деформацию и другие нежелательные эффекты, отрицательно влияющие на механические свойства покрытий, в том числе адгезионные свойства. С помощью сильного электростатического поля в области между проводящим зондом и исследуемой поверхностью возможна поляризация молекул среды и их перестройка, а вследствие диполь-дипольного взаимодействия и за счет легирующих примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата или жидкого диэлектрика. Проводящие мостики адсорбируются на поверхности с увеличением силы воздействия на подложку, когда напряженность электрического поля преодалевает определенное критическое значение [30]. Именно формирование пленки адсорбата и послужило причиной снижения адгезии кантилевера к золотым балочным подвижным элементам. Для разрушения пленки адсорбата необходимо продолжать повышать силу воздействия или увеличить время взаимодействия кантилевера с исследуемой поверхностью.

Для оценки полученных экспериментальных значений сил адгезии, были проведены расчеты значений микровзаимодействий молекул материала балочного подвижного элемента (золота и никеля) к материалу зонда (кремнию) по модели Леннард-Джонса [29]. Глубина потенциальной ямы рассчитывалась по компенсационному правилу, для этого проводилась спектроскопия кремниевой подложки, с последующим расчетом адгезии кремния к кремнию.

 

Рис. В.1. Золотой балочный подвижный элемент (образец 1)	Рис. В.2. Золотой балочный подвижный элемент (образец 2)
Рис. В.3.Никелевый балочный подвижный элемент (образец 3)	Рис. В.4.Никелевый балочный подвижный элемент (образец 4)

Рис. В.5 Спектроскопическая кривая (образец 1 – золотой балочный элемент)

Рис. В.6 Спектроскопическая кривая (образец 2 – золотой балочный элемент)	Рис. В.7 Спектроскопическая кривая (образец 3 – никелевый балочный элемент)
Рис. В.8Спектроскопическая кривая (образец 4 – никелевый балочный элемент)	Рис. В.9Спектроскопическая кривая (образец 5 – кремниевая подложка)

 

Таблица В.3.1. Результаты исследования адгезии кремниевого кантилевера к золотым и никелевым балочным подвижным элементам

Образец	№1 - Золото	№2 - Золото	№3 - Никель	№4 - Никель
Средняя шероховатость, нм	73.5	72.8	49.37	52.12
Сила адгезии, нН	4.40	2.08	3.23	1.23
Сила прижатия, нН	10.00	14.79	10.52	6.76

 

Полученные значения сил адгезии согласуются с экспериментальными данными (см. расчет далее в приложениях).