Схема роботи атомно-силового мікроскопа

Робота скануючого зондового мікроскопа заснована на взаємодії поверхні зразка з зондом (кантилевер, голка або оптичний зонд). При малій відстані між поверхнею і зондом дію сил взаємодії (відштовхування, тяжіння, і інших сил) і прояв різних ефектів (наприклад, туннелирование електронів) можна зафіксувати за допомогою сучасних засобів реєстрації. Для реєстрації використовують різні типи сенсорів, чутливість яких дозволяє зафіксувати малі за величиною обурення. Для отримання повноцінного растрового зображення використовують різні пристрої розгортки по осях X і Y (наприклад, пьезотрубкі, плоскопараллельние сканери).

Основні технічні складності при створенні скануючого зондового мікроскопа:

• Кінець зонда повинен мати розміри порівнянні з досліджуваними об'єктами.

• Забезпечення механічної (в тому числі теплової та вібраційної) стабільності на рівні краще 0,1 ангстрема.

• Детектори повинні надійно фіксувати малі за величиною обурення реєстрованого параметра.

• Створення прецизійної системи розгортки.

• Забезпечення плавного зближення зонда з поверхнею.

Особливості роботи

Тунельний мікроскоп (СТМ) - для отримання зображення використовується тунельний струм між зондом і зразком, що дозволяє отримати інформацію про топографію і електричні властивості зразка. Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) - реєструє різні сили між зондом і зразком. Дозволяє отримати топографію поверхні і її механічні властивості. Скануючий бліжнепольний мікроскоп (СБОМ) - для отримання зображення використовується ефект ближнього поля.

На даний момент, в більшості дослідницьких лабораторій сканирующая зондовая і електронна мікроскопія використовуються як доповнюючі один одного методи дослідження в силу ряду фізичних і технічних особливостей.

У порівнянні з растровим електронним мікроскопом (РЕМ) скануючий зондовий мікроскоп має низку переваг. Так, на відміну від РЕМ, який дає псевдо тривимірне зображення поверхні зразка, СЗМ дозволяє отримати істинно тривимірний рельєф поверхні. Крім того, в загальному випадку скануючий зондовий мікроскоп дозволяє отримувати зображення як провідної, так і непроводящей поверхні, тоді як для вивчення непроводящих об'єктів за допомогою РЕМ необхідно металлизировать поверхню. Для роботи з РЕМ необхідний вакуум, в той час як більша частина режимів СЗМ призначена для досліджень на повітрі, вакуумі і рідини. Завдяки цьому, за допомогою СЗМ можливо вивчати матеріали і біологічні об'єкти в нормальних для цих об'єктів умовах. Наприклад, вивчення біомакромолекул і їх взаємодій, живих клітин. В принципі, СЗМ здатний дати більш високу роздільну здатність ніж РЕМ. Так було показано, що СЗМ в змозі забезпечити реальне атомне дозвіл в умовах надвисокого вакууму при відсутності вібрацій. Сверхвисоковакуумних СЗМ по вирішенню порівняємо з просвітчастим електронним мікроскопом.

До недоліку СЗМ при його порівнянні з РЕМ також слід віднести невеликий розмір поля сканування. РЕМ в стані просканувати область поверхні розміром в кілька міліметрів в латеральної площині з перепадом висот в декілька міліметрів у вертикальній площині. У СЗМ максимальний перепад висот становить кілька мікрометрів, як правило не більше 25 мкм, а максимальне поле сканування в кращому випадку близько 150 × 150 мікрометрів. Інша проблема полягає в тому, що якість зображення визначається радіусом кривизни кінчика зонда, що при неправильному виборі зонда або його пошкодженні призводить до появи артефактів на вихідному зображенні. При цьому підготовка зразків для СЗМ займає менше часу, ніж для РЕМ.

Звичайний СЗМ не в змозі сканувати поверхню так само швидко, як це робить РЕМ. Для отримання СЗМ-зображення потрібно від декількох хвилин до декількох годин, в той час як РЕМ після відкачування здатний працювати практично в реальному масштабі часу хоча і з відносно невисокою якістю. Через низьку швидкість розгортки СЗМ одержувані зображення виявляються перекрученими тепловим дрейфом, [1] [2] [3] що зменшує точність вимірювання елементів об'єкту сканування рельєфу. Для збільшення швидкодії СЗМ було запропоновано кілька конструкцій, [4] [5] серед яких можна виділити зондський мікроскоп, названий відеоАСМ. ВідеоАСМ забезпечує отримання задовільної якості зображень поверхні з частотою телевізійної розгортки, що навіть швидше, ніж на звичайному РЕМ. Однак, застосування ВідеоАСМ обмежена, так як він працює тільки в контактному режимі і на зразках з відносно невеликим перепадом висот. Для корекції внесених термодрейфом спотворень було запропоновано кілька способів. [1] [2] [3]

Нелінійність, гістерезис [6] і повзучість (кріп) п'єзокераміки сканера також є причинами сильних спотворення СЗМ-зображень. Крім того, частина спотворень виникає через взаємних паразитних зв'язків, що діють між X, Y, Z-маніпуляторами сканера. Для виправлення викривлень в реальному масштабі часу сучасні СЗМ використовують програмне забезпечення (наприклад, особливість-орієнтоване сканування [1] [7]) або сканери, забезпечені замкнутими стежать системами, до складу яких входять лінійні датчики положення. Деякі СЗМ замість сканера у вигляді пьезотрубкі використовують XY і Z-елементи, механічно незв'язані один з одним, що дозволяє виключити частину паразитних зв'язків. Однак в певних випадках, наприклад, при поєднанні з електронним мікроскопом або ультрамікротомамі конструктивно виправдане використання саме сканерів на пьезотрубках.