А́ТОМНО-СИЛОВА́Я МИКРОСКОПИ́Я

Схема механической системы атомно-силового микроскопа: 1 – микроконсоль; 2 – изучаемый образец; 3 – пьезосканер; 4 – остриё зонда; 5 – четырёхсекционный фотодиод; 6 &ndas...

А́ТОМНО-СИЛОВА́Я МИКРОСКОПИ́Я, ме­тод изу­че­ния строе­ния и свойств по­верх­но­сти твёр­дых тел c суб­на­но­мет­ро­вым про­стран­ст­вен­ным раз­ре­ше­ни­ем. Атом­но-си­ло­вой мик­ро­скоп (АСМ) изо­брёл Г. Бин­ниг с со­труд­ни­ка­ми в 1986, ис­поль­зуя прин­цип уст­рой­ст­ва ска­ни­рую­ще­го тун­нель­но­го мик­ро­ско­па. Су­ще­ст­вен­ное раз­ли­чие меж­ду эти­ми мик­ро­ско­па­ми со­сто­ит в ти­пе при­ме­няе­мо­го зон­да. В тун­нель­ном мик­ро­ско­пе – это про­во­дя­щая иг­ла (ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся ве­ли­чи­на тун­нель­но­го то­ка), в АСМ – мик­ро­ост­риё (зонд), за­кре­п­лён­ное на уп­ру­гой кон­со­ли (из­ме­ряе­мая ве­ли­чи­на – си­ла взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду ост­ри­ём и ис­сле­дуе­мой по­верх­но­стью). В про­стей­шем слу­чае АСМ мож­но рас­смат­ри­вать как про­фи­ло­метр сверх­вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния, ко­то­рый ра­бо­та­ет в воз­ду­хе, ва­куу­ме и жид­ко­сти и по­зво­ля­ет уви­деть трёх­мер­ный про­филь по­верх­но­сти. АСМ да­ёт воз­мож­ность ви­зуа­ли­зи­ро­вать атом­ную ре­шёт­ку на по­верх­но­сти гра­фи­та, слю­ды, ря­да по­лу­про­вод­ни­ков, ме­тал­лов и др. ма­те­риа­лов.

Схе­ма АСМ при­ве­де­на на рис. Ис­следуе­мый об­ра­зец рас­по­ло­жен на пье­зо­ке­ра­мич. ма­ни­пу­ля­то­ре (пье­зо­ска­не­ре), ко­то­рый пе­ре­ме­ща­ет об­ра­зец по трём ко­ор­ди­на­там с точ­но­стью до до­лей анг­ст­ре­ма. Диа­па­зон пе­ре­ме­ще­ний за­ви­сит от кон­ст­рук­ции ма­ни­пу­ля­то­ра и со­став­ля­ет 1–250 мкм по го­ри­зон­та­ли и 1–10 мкм по вер­ти­ка­ли. Зонд пред­став­ля­ет со­бой ост­риё пи­ра­ми­даль­ной фор­мы с ра­диу­сом за­круг­ле­ния 3–5 нм или ме­нее, за­кре­п­лён­ное на мик­ро­кон­со­ли дли­ной 50–400 мкм. При­бор мо­жет ра­бо­тать в ре­жи­ме по­сто­ян­но­го или пре­ры­ви­сто­го кон­так­та. В ре­жи­ме по­сто­ян­но­го кон­так­та зонд при­во­дит­ся в со­при­кос­но­ве­ние с по­верх­но­стью, а за­тем по­верх­ность ска­ни­ру­ет­ся так, что­бы си­ла взаи­мо­дей­ст­вия зон­да с об­раз­цом бы­ла по­сто­ян­ной. Си­ла взаи­мо­дей­ст­вия оп­ре­де­ля­ет­ся по из­ги­бу мик­ро­кон­со­ли в со­от­вет­ст­вии с за­ко­ном Гу­ка: $F=k \ δZ$, где $δZ$ – сме­ще­ние (про­гиб) зон­да, $k$ – его ме­ха­нич. жё­ст­кость (ти­пич­ные зна­че­ния 0,01–1 Н/м для кон­такт­но­го ре­жи­ма).

Для ре­ги­ст­ра­ции из­ги­ба мик­ро­кон­со­ли и, со­от­вет­ст­вен­но, пе­ре­ме­ще­ния зон­ди­рую­ще­го ост­рия ис­поль­зу­ют­ся разл. схе­мы. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чил оп­тич. ме­тод уг­ло­вых пе­ре­ме­ще­ний: сфо­ку­си­ро­ван­ный ла­зер­ный луч на­прав­ля­ет­ся на не­за­кре­п­лён­ный ко­нец зон­да. Уг­ло­вое пе­ре­ме­ще­ние от­ра­жён­но­го лу­ча, про­пор­цио­наль­ное пе­ре­ме­ще­нию ост­рия, ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся фо­то­при­ём­ни­ком, например че­ты­рёх­сек­ци­он­ным фо­то­дио­дом. В ре­жи­ме пре­ры­ви­сто­го кон­так­та при ска­ни­ро­ва­нии по­верх­но­сти воз­бу­ж­да­ют ре­зо­нанс­ные ме­ха­ни­ческие ко­ле­ба­ния мик­ро­кон­со­ли. Ме­тод при­ме­ня­ет­ся для изу­че­ния объ­ек­тов по­ни­жен­ной жё­ст­ко­сти (по­ли­ме­ров, био­объ­ек­тов, ад­сор­ба­тов). При ис­сле­до­ва­ни­ях по­верх­но­сти об­раз­цов в жид­ко­сти уда­ёт­ся до­пол­ни­тель­но сни­зить си­ло­вое воз­дей­ст­вие со сто­ро­ны зон­да до уров­ня 10^–12 Н.

Ме­то­ды А.-с. м. по­зво­ля­ют из­ме­рять не толь­ко про­филь по­верх­но­сти, но и её ло­каль­ные свой­ст­ва, по­лу­чать ин­фор­ма­цию о ко­эф. тре­ния, ме­ха­нич. уп­ру­го­сти, ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти, ра­бо­те вы­хо­да элек­тро­нов, элек­трич. со­про­тив­лении и др. Раз­ли­ча­ют­ся ме­то­ды в осн. ви­дом ис­поль­зуе­мо­го зон­да. Так, для изу­че­ния маг­нит­ных свойств ма­те­риа­лов ис­поль­зу­ет­ся зонд с по­кры­ти­ем из магнит­но­го ма­те­риа­ла. С по­мо­щью АСМ мож­но на­прав­лен­но мо­дифи­ци­ро­вать по­верх­ность, т. е. осу­ще­ст­влять на­но­ли­то­гра­фию. Т. о., АСМ яв­ля­ет­ся ин­стру­мен­том на­но­тех­но­ло­гий. Пер­спек­тив­ны­ми ма­те­риа­ла­ми для за­пи­си ин­фор­ма­ции яв­ля­ют­ся по­ли­ме­ры и тон­кие маг­нит­ные плён­ки.

АСМ ис­поль­зу­ют для тех­но­ло­гич. кон­тро­ля из­де­лий мик­ро­элек­тро­ни­ки, маг­нит­ных но­си­те­лей ин­фор­ма­ции, в ма­те­риа­ло­ве­де­нии и на­уч. ис­сле­до­ва­ни­ях, а так­же при ре­ше­нии за­дач мик­ро­био­ло­гии, мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии и ме­ди­ци­ны.