Устройство и принцип работы атомного силового микроскопа

В конце 1986 года тот же Бинниг предложил конструкцию прибора последнего поколения, который позволяет изучить поверхности с беспримерной детальностью, но уже совсем не непременно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом, и сейчас конкретно он представляет больший энтузиазм для исследователей.

Рис. 5.1 Принцип деяния атомного силового микроскопа (АСМ).

Принцип деяния атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих меж атомами вещества. На малых расстояниях меж 2-мя атомами (около 1-го ангстрема) действуют силы отталкивания, а на огромных – силы притяжения. Совсем подобные силы действуют и меж хоть какими сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе употребляется алмазная игла, которая плавненько скользит над поверхностью эталона (сканирует поверхность). При изменении силы F, действующей меж поверхностью и острием, пружинка П, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регится датчиком D. В качестве датчика в АСМ могут употребляться любые особо четкие и чувствительные – прецизионные – измерители перемещений, к примеру оптические, емкостные либо туннельные датчики. На рисунке показан конкретно последний тип датчика, – практически это такая же игла, какая применяется в сканирующем туннельном микроскопе.

Величина отличия упругого элемента (пружинки) несет информацию о высоте рельефа – топографии поверхности и, не считая того, об особенностях межатомных взаимодействий. Можно сказать, что в атомном силовом микроскопе сканирование исследуемого эталона происходит по «поверхности неизменной силы», тогда как в СТМ – по поверхности неизменного туннельного тока. Принципы же прецизионного управления, основанного на оборотной связи и улавливающего самые жалкие конфигурации рельефа поверхности, в СТМ и АСМ фактически схожи.

Рис. 5.2 Схема сканирующего атомного силового микроскопа.

Рис. 5.3 Сканирующий атомно-силовой микроскоп с оптическим датчиком деформации кантилевера.

На рисунке изображена схема атомного силового микроскопа. О – острие (игла), П – пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz – пьезоэлектрические преобразователи. При всем этом Px и Py служат для сканирования эталона под иглой, а Pz управляет расстоянием от острия до поверхности, D – туннельный датчик, который регистрирует отличия пружинки с острием.

Атомный силовой микроскоп может употребляться для определения микрорельефа поверхности всех веществ, как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно следить различные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, к примеру, дислокации либо заряженные недостатки, также всяческие примеси. Не считая того, АСМ позволяет выявить границы разных блоков в кристалле, а именно доменов. В ближайшее время при помощи атомного силового микроскопа физики стали активно учить био объекты, к примеру молекулы ДНК и другие макромолекулы, преимущественно для целей нарождающегося и, судя по всему, очень многообещающего направления – биомолекулярной технологии. Любопытно, что АСМ позволяет решать не только лишь прикладные задачки, да и глобальные трудности базовой физики. А именно, определив с его помощью поведение межатомных сил и константы взаимодействий меж атомами поверхности и острия, можно сделать достаточно четкие заключения о существовании либо отсутствии новых базовых взаимодействий и даже о структуре физического вакуума.

Обычно под взаимодействием понимается притяжение либо отталкивание зонда кантилевера, вызванное силами Ван-дер Ваальса. При использовании особых кантилеверов можно учить электронные и магнитные характеристики поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, при помощи АСМ можно изучить как проводящие, так и непроводящие поверхности. Не считая того, АСМ способен определять рельеф эталона, погружённого в жидкость, что позволяет работать с органическими молекулами, включая ДНК.

Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа находится в зависимости от радиуса кривизны кончика зонда. Разрешение добивается атомарного по вертикали и значительно превосходит его по горизонтали.

Главные технические трудности при разработке микроскопа:

• создание иглы, заострённой вправду до атомных размеров;
• обеспечение механической (в том числе термический и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема;
• создание сенсора, способного надёжно фиксировать настолько малые перемещения;
• создание системы развёртки с шагом в толики ангстрема;
• обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.