Неконтактный режим (True Non-Contact)

Неконтактный режим гарантирует максимальное разрешение атомно-силового микроскопа

В том случае, когда неконтактный режим АСМ серии XE работает с малыми расстояниями между зондом и образцом, даже небольшого отклонения силы взаимодействия  в паре «зонд-образец» от уставочного значения достаточно, чтобы повредить зонд в отличие от контактного режима. Поэтому зонд (игла) должен находиться на значительном удалении от поверхности образца в режиме NC-AFM, но это ухудшает разрешение изображения. Таким образом, возникает технически сложная задача для реализации режима NC на очень короткой дистанции «зонд-образец». Одним из первых решений на пути этой дилеммы оказалось применение полуконтактного (Tapping) режима. Но высокая точность NC-АСМ серии XE-обеспечивает превосходное разрешение среди АСМ, оставив позади преимущества контактного и полуконтактного изображений. Более того, неконтактный АСМ серии XE позволяет получить изображение биологических образцов без разрушения образца, которое неминуемо при контактном или полуконтактном режимах АСМ.

Созданная пионерами-разработчиками АСМ после 4 лет интенсивной работы XE-серия микроскопов явила собой прорыв во всех аспектах технологии АСМ. Серия XE – первая и единственная на рынке АСМ, которая реализует неконтактный режим во всех аспектах, то есть в теории и на практике. Неконтактный режим обеспечивает беспрецедентно малую дистанцию «зонд-образец» и защищает зонд и образец от поломок. Преимущества режима True Non-Contact позволяют получить отличное разрешение АСМ и точность измерения, которым нет равных  в индустрии производства АСМ.

Неконтактный АСМ: принцип работы

Неконтактный АСМ (NC-AFM) – одна из нескольких методик вибрации кантилевера, в которой кантилевер АСМ совершает колебания около поверхности образца. Расстояние между зондом и образцом для NC-AFM серии XE составляет порядка десятков – сотен ангстрем. Данное расстояние отмечено на кривой Ван Дер Вальса на рисунке 1, как неконтактный режим. Между зондом и образцом действуют две главные силы, статическая электрическая сила отталкивания и сила притяжения, возникающая между атомами на коротком расстоянии, то есть статическая электрическая сила отталкивания (Fion)  между ионами и статические электрические силы притяжения (Fel) между валентными электронами и ионными ядрами. Если дистанция между атомами конца иглы кантилевера и атомами поверхности образца сильно сокращается, силы отталкивания между ними начинают доминировать и изменение силы в зависимости от дистанции нарастает. Поэтому контактный АСМ измеряет топографию поверхности путем  реакции системы на действия сил Кулона, которые существуют между ионными ядрами, когда дистанция между атомами зонда и атомами поверхности образца незначительна. Но, как показано на рисунке 1, если дистанция между атомами зонда и атомами образца относительно высокая, начинают доминировать силы притяжения в паре «зонд-образец». Ионные ядра превращаются в электрические диполи за счет валентных электронов в соседних атомах. Сила, создаваемая  взаимодействием диполей называется силой Ван Дер Вальса. Неконтактный АСМ (NC-AFM) серии XE измеряет топографию поверхности с помощью атомарной силы притяжения на относительно большом расстоянии между зондом и поверхностью образца.


Рисунок 1. Межатомная сила в зависимости от расстояния

Благодаря силе притяжения, действующей между атомами зонда и атомами поверхности, вибрация кантилевера происходит на резонансной частоте рядом с поверхностью образца, это вызывает сдвиг упругой постоянной от собственной константы силы (k0). В результате получается эффективная константа силы (keff), которая подчиняется следующему уравнению:

keff = k0 - F’                        (1)

При возникновении силы притяжения keff снижается по сравнению с k0, так как градиент силы F’=(ΔF/ΔZ) является положительным. Чем сильнее взаимодействие между поверхностью и зондом (иными словами, чем ближе зонд к поверхности образца), тем меньше эффективная константа силы. Переменный ток (AC) является более чувствительным к градиенту силы, чем сама сила. Таким образом, он также используется в таких методиках, как магнитная силовая микроскопия (MFM) и динамическая силовая микроскопия (DFM).

Для механической вибрации кантилевера используется биморфный пьезоэлемент. Когда задающая частота пьезоэлемента приближается к собственной частоте вибрации кантилевера (f0), возникает резонанс и колебания, передаваемые на кантилевер, значительно увеличиваются. Эту собственную частоту колебаний можно обнаружить по измерению и записи амплитуды вибрации кантилевера при сканировании задающей частоты напряжения на пьезоэлементе. На рисунке 2 отображается связь между амплитудой кантилевера и частотой вибрации. Отсюда можно определить частоту вибраций кантилевера. Жесткий кантилевера, который используется в неконтактном АСМ серии XE, имеет относительно высокую резонансную частоту, между 100 кГц и 400 кГц с амплитудой вибрации в несколько нанометров. АСМ обнаруживает изменения резонансной частоты или амплитуды вибрации, как только зонд подходит к поверхности образца. Чувствительность данной схемы обнаружения обеспечивает вертикальное разрешение в доли ангстрема на изображении, как и в контактном АСМ.


Рисунок 2. Резонансная частота кантилевера


Рисунок 3. Сдвиг резонансной частоты


Рисунок 4. Сдвиг резонансной частоты

С другой стороны константа упругой силы влияет на резонансную частоту (f0) кантилевера и соотношение между константой силы (k0) и резонансной частотой кантилевера (f0) в свободном положении выражается уравнением  (2).

                    (2)

Из уравнения (1) понятно, что как только keff становится ниже k0 в результате действия силы притяжения, feff существенно уменьшается по сравнению с f0 , что показано на рисунке 3. Если кантилевер вибрирует с частотой f1 (чуть выше f0), наблюдается резкое падение кривой на графике, которая представляет собой зависимость частоты колебаний кантилевера в свободном положении в зависимости от амплитуды, при этом изменение амплитуды (ΔА) при частоте f0 увеличивается при малейшем изменении собственной частоты, вызванным межатомными взаимодействиями. Поэтому изменение амплитуды, измеренное при f1, является следствием изменения дистанции (Δd) между атомами зонда и поверхности образца.

Если изменение эффективной резонансной частоты feff, которое возникает в результате взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности, или изменение амплитуды (ΔА) при определенной частоте f1 измерять, то контур обратной связи неконтактного режима компенсирует изменение дистанции между зондом и поверхностью образца, как показано на рисунке 4.

Поддерживая постоянной амплитуду (A0) и дистанцию (d0) в неконтактном режиме можно измерять топографию поверхности образца с помощью механизма обратной связи, контролирующего перемещение Z-сканера, который повторяет в движении измерение градиента силы согласно уравнению (1).


Рисунок 5. Изображение в неконтактном АСМ получено с помощью серии XE-100: ширина рисок 50 нм, глубина рисок 100 нм представлены в пропорции 1:1 и на 3D-виде (размер скана 1 мкм). Неконтактный режим серии XE с высокопроизводительным Z-сервоприводом способен точно воспроизвести стенки рисок.

Микроскопы, работающие в неконтактном режиме (True Non-Contact):

  • Двумерный консольный сканер с диапазоном сканирования 100 мкм × 100 мкм
  • Консольный Z-сканер высокого усилия
  • Удобное крепление головки SLD по направляющей
  • Множественный зажим
  • Моторизированный предметный столик XY
Узнать цену
  • Консольный одномодульный XY-сканер с замкнутым контуром управления
  • Сканирующий диапазон: 50 мкм × 50 мкм (дополнительно 10 мкм × 10 мкм, 100 мкм × 100 мкм)
  • Идеальный выбор для исследований в области нанотехнологий
  • Достоверность данных
  • Высокая производительность
Узнать цену
  • Двумерный консольный сканер с диапазоном сканирования 10 мкм × 10 мкм
  • Консольный Z-сканер высокого усилия
  • Удобное крепление головки SLD по направляющей
  • Удобный держатель образца
  • Предметный столик XY с ручным управлением
Узнать цену
  • Анализ крупных образцов
  • Сканирующий диапазон: 100мкм×100мкм (50мкм×50мкм, 25мкм×25мкм)
  • Предметный столик с функцией наклона
  • Режим True Non-Contact
  • Автоматизированный интерфейс
Узнать цену
  • Изучение биоматериалов
  • Диапазон сканирования: обычно 100 мкм × 100 мкм
  • Полость для поддержания клетки в живом состоянии
  • Уникально объединяет СИПМ и АСМ с инвертированным оптическим микроскопом (ИОМ) на одной платформе
  • Надежное и повторяемое получение наноизображения
Узнать цену