Cel ćwiczenia:
Poznanie możliwości pomiarowych i zasady działania mikroskopu sił atomowych.
Wstęp teoretyczny:
Mikroskop sił atomowych wykorzystuje siły oddziaływań międzyatomowych podczas przesuwania końcówki pomiarowej po powierzchni badanej próbki. Umożliwia to otrzymanie obrazu powierzchni z rozdzielczością rzędu wymiarów pojedynczego atomu. Może być użyty do obrazowania powierzchni różnych ciał stałych, a także cieczy o konsystencji żelu.
W celu stłumienia drgań mechanicznych mikroskop umieszczony jest na płycie chodnikowej, gumie miękkiej i twardej oraz postumencie granitowym (drgania zewnętrzne mogą zaburzać dokonywanie pomiaru).
Maksymalny zakres ruchu głowicy skanującej wynosi 199x199 μm. W celu uzyskania płynnego przesuwu na tak krótkich odcinkach zamiast układów mechanicznych stosuje się piezoelektryki.
Do głowicy skanującej przytwierdzona jest belka pomiarowa, wykonana przeważnie z krzemu. Na jej końcu znajduje się końcówka pomiarowa. Może ona być wykonana z każdego materiału, który krystalizuje regularnie w formie ostrego stożka (Si3N4, SiO2, diament).
Wiązkę lasera ustala się tak, by odbijała się od końca belki pomiarowej i padała na detektor (dioda dwu- lub czteropolowa).
Skanowanie odbywa się poprzez zbliżenie końcówki pomiarowej do badanej powierzchni. Następnie końcówka przesuwa się po tej powierzchni z określoną częstotliwością i rozdzielczością. W wyniku napotkania przeszkód topograficznych końcówka ugina się i promieniowanie lasera zmienia swoje położenie na detektorze.
Dostępne jest rozmaite wyposażenie dodatkowe np. komora zapewniająca atmosferę gazu obojętnego lub stolik grzewczy do badania zmian własności materiału przy zmianie temperatury.
Zakres ruchów głowicy skanującej należy dobrać w zależności od badanego materiału.
Ze względu na rodzaj wykorzystywanych sił wyróżnić można 3 tryby pomiarowe:
pomiar topografii powierzchni
obrazowanie w sile tarcia (tryb kontaktowy) - odpowiedni do badania materiałów sztywnych (metale, ceramika)
obrazowanie w kontraście fazowym (tryb oscylacyjny) - lepszy do kauczuku, polimerów
Najpopularniejszymi trybami pracy są tryb kontaktowy i oscylacyjny. W trybie kontaktowym końcówka jest cały czas w kontakcie z badana powierzchnią i przesuwając się po niej, napotyka opory ruchu powodujące boczne skręty belki. Natomiast w trybie oscylacyjnym belkę wprawiamy w drgania z częstotliwością rezonansową - podczas skanowania końcówka pomiarowa uderza o badaną powierzchnię. W ten sposób mierzy się różnice w sztywności badanego materiału.
Zastosowania:
przemysł precyzyjny - optyka, optoelektronika, nośniki magnetyczne kontrola jakości
inżynieria materiałowa obrazowanie mikromorfologii badanych materiałów, co umożliwia ustalenie korelacji między budową w skali mikro i własnościami makroskopowymi
badanie struktury krystalicznej próbek
obserwacja formowania się warstw surfaktantów lub cząstek koloidalnych
badanie właściwości żywych komórek w ich naturalnym ciekłym środowisku
Ograniczenia:
kłopotliwe przygotowanie próbki
wymagana wysoka gładkość próbki
czasochłonny dobór parametrów regulatora PID
wilgoć z powietrza kondensująca na badanej powierzchni utrudnia ruchy końcówki pomiarowej i może nawet doprowadzić do jej złamania
Przebieg ćwiczenia:
W ramach wykonanego ćwiczenia zapoznaliśmy się z budową i zasadą działania mikroskopu sił atomowych. Stosując tryb kontaktowy, wykonaliśmy obrazowanie mikromorfologii powierzchni materiału metalicznego (stal stopowa) pokrytego nieciągłą warstwą tlenku.
Maksymalny obszar pomiarowy ma wymiary 199x199 μm. Pomiar możemy wykonywać jedynie w obszarze liniowości pracy głowicy. Aby te dwa obszary się pokrywały, niezbędna jest linearyzacja czyli ośmiostopniowa automatyczna kalibracja układu. Regulowanie położenia wiązki lasera wykonuje się ręcznie. Próbkę umieszcza się na stoliku zaopatrzonym w śruby mikrometryczne. Minimalny obszar skanowania to 0,7x0,7 μm.
Podczas skanowania obraz powstaje na bieżąco. Częstotliwość skanowania wynosi 1 Hz, rozdzielczość 256 linijek na obraz.
Wynik skanowania przedstawiany jest jako 3 równoległe obrazy: kanał topografii i rozkład sił tarcia. Trzeci obraz to kanał optyczny będący elektronicznym nałożeniem dwóch poprzednich.
obszar 199x199 μm
Na powierzchni metalu widoczne są ciemniejsze obłe elementy - są to struktury zbudowane z tlenków. Próbka została przygotowana z przeznaczeniem do badań laboratoryjnych, dlatego warstwa tlenku jest nieciągła. W przemyśle dba się, by taka warstwa miała jednolitą grubość i była ciągła - pozwala to uzyskać inne właściwości powierzchniowe.
obszar 40x40 μm
Pole bazowe jest obrazem podłoża metalicznego. Ciemne plamki to warstwy tlenku. Widoczne są efekty brzegowe spowodowane bezwładnością belki pomiarowej.
obszar 20x20 μm
Uwidacznia się budowa krystaliczna podłoża metalicznego - można wyróżnić obszary regularne i amorficzne.
obszar 10x10 μm
Obraz przestał być wyraźny, widać zaburzenia w obrazie badanej powierzchni. Jest to spowodowane kondensacją wilgoci na powierzchni próbki.