ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Лабораторная работа №3

Лабораторная работа №3

Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой

Микроскопии в неконтактном режиме.

Цели работы: изучение основ сканирующей атомно-силовой микроскопии и принципов работы атомно-силового микроскопа в неконтактном режиме, определение основных параметров датчика силового взаимодействия прибора NаnoEducator и параметров СЗМ эксперимента, получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца.

Приборы и принадлежности:прибор NanoEducator, фрагмент компакт-диска со снятым защитным слоем или любой другой по выбору преподавателя.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Неконтактный режим работы АСМ.В этом режиме работы зонд находится достаточно далеко от поверхности образца в области действия сил притяжения. Силы притяжения и их градиенты слабее отталкивающих контактных сил, поэтому для их детектирования обычно используется модуляционная методика. Для этого на пьезовибратор, на котором укреплен кантилевер с зондом, прикладывается переменное напряжение, которое вызывает изменение его геометрических размеров. Частоту переменного напряжения выбирают равной собственной частоте колебаний кантилевера. Вследствие этого кантилевер колеблется над образцом с резонансной частотой ω₀:

(2)

где m – масса системы зонд-кантилевер.

Уравнение, описывающее движение зонда при малой амплитуде колебаний имеет вид:

(3)

где ω – частота вынуждающих колебаний пьезодрайвера, z – расстояние зонд-образец в момент времени t, u₀ – амплитуда вынуждающих колебаний (закрепленного на пьезовибраторе конца кантилевера), амплитуда возбуждения, Q – безразмерная величина – добротность, зависящая от колебательной системы и условий внешней среды (воздух, жидкость или вакуум). Величина Q связана с характерным временем затухания τ соотношением:

(4)

Вынужденные колебания образуются из двух различных типов колебаний – переходного процесса и стационарного колебания. Переходный процесс является общим решением уравнения (3) при u₀ = 0; он затухает с течением времени и интереса не представляет. Стационарное колебание представляет собой чисто гармоническое колебание с частотой ω и амплитудой возбуждения u₀ ≠ 0.

Амплитуда стационарных колебаний зонда равна:

(5)

Сдвиг фазы φ колебаний свободного конца кантилевера относительно закрепленного определяется выражением:

(6)

Приближение зонда к поверхности образца приводит к возникновению силы взаимодействия между ними, что эквивалентно увеличению массы зонда. Это приводит к смещению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и фазо-частотной характеристики (ФЧХ) колебаний кантилевера влево по сравнению с измеренными вдали от поверхности (Рис. 3-3).

Рис. 3-3. Зависимость амплитуды А и фазы φ колебаний зонда вдали от

поверхности (a) и при приближении к поверхности образца (б)

Резонансная частота колебаний кантилевера изменяется при изменении градиента силы ∂F/∂z (при приближении зонда к поверхности) по сравнению со свободно резонирующим кантилевером (вдали от поверхности) в соответствии с выражением:

(7)

Так как частота вынуждающих колебаний кантилевера поддерживается постоянной и равной ω₀ в свободном состоянии, то, при приближении зонда к поверхности, амплитуда колебаний свободного конца кантилевера уменьшается. Эта амплитуда колебаний регистрируется с помощью оптической системы и может быть определена по относительному изменению переменной освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

• Определение частоты механического резонанса датчика силового взаимодействия.

• Производим тонкую настройку резонансной частоты.

Частота f_рез=6,51 кГц

Амплитуда A_max=1,75 В

Добротность Q= 20,23

• Определяем добротность. С помощью мыши устанавливаем красный маркер в такое положение, при котором значение параметра Амплитуда равно половине максимального значения амплитуды (A_max/2=0,875) в резонансе справа и слева от максимального пика на графике (текущие значения частоты и амплитуды индицируются под графиком автоматически). Измеренные значения частоты справа (f₁=6,32кГц) и слева (f₂=6,66кГц).

Вычисляем ширину пика на половине высоты: (f₁-f₂=0,34) и величину добротности по формуле Q = f_рез/(f₁-f₂)=19,147.

• Запускаем процесс спектроскопии . Параметры спектроскопии.

Вывод

Режим спектроскопии позволяет получить зависимость амплитуды колебаний зонда от расстояния между зондом и образцом. Спектроскопия позволяет выбрать оптимальную для данного измерения величину подавления амплитуды колебаний зонда и оценить величину амплитуды колебаний зонда при отсутствии взаимодействия.

Точка A соответствует появлению взаимодействия между зондом и образцом в результате их сближения. Начиная с этой точки, при дальнейшем сближении, амплитуда колебаний зонда уменьшается до полного затухания колебаний в точке B. Участок кривой правее точки B соответствует колебаниям пьезодатчика, при которых зонд находится в полном механическом контакте с поверхностью образца.

Проекция на ось абсцисс расстояния от точки A до точки B показывает величину зазора между зондом и образцом при захваченном взаимодействии(40нм).Проекция всего наклонного участка кривой на ось абсцисс показывает величину колебаний при отсутствии взаимодействия между зондом и образцом(80нм).

Поиск по сайту: