3818438346

Natalia Grzegorczyk Agnieszka Kałuża Inżynieria Materiałowa, rok 2

Ćwiczenie E: AFM

1.    Cel ćwiczenia

Obserwacja topologii materiału w skali nanometrowej. Przybliżenie kluczowej techniki obrazowania nanostruktur. Określenie odległości między „dolinami" w siatce dyfrakcyjnej oraz chropowatość stali.

2.    Wstęp teoretyczny

Mikroskop sił atomowych (ang. atomie force microscope, AFM) rodzaj mikroskopu ze skanującą sondą (ang. scanning probe microscope, SPM). Umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad lub pod powierzchnią próbki.

Postęp w badaniach naukowych, jaki przyniosło skonstruowanie skaningowego mikroskopu tunelowego (ang. scanning tunnelling microscope, STM), stał się inspiracją do dalszych poszukiwań. Twórcy pierwszego mikroskopu sił atomowych wpadli na pomysł, że do obrazowania powierzchni można by wykorzystać siły oddziaływania międzyatomowego. Umożliwiłoby to obserwowanie powierzchni izolatorów, co było niedostępne dla mikroskopów STM.

Występowanie sił magnetycznych, elektrostatycznych i oddziaływań międzyatomowych pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni umożliwia wykorzystanie detekcji ruchów ostrza sunącego po powierzchni próbki do obrazowania tej powierzchni. Ostrze jest wytworzone na sprężystej mikrodźwigni (mikrobelce), której odchylenie umożliwia wyznaczenie siły oddziaływania międzyatomowego pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni. Mapa sił dla każdego punktu powierzchni próbki jest przetwarzana komputerowo na obraz. Pomiar ugięcia dźwigni jest najczęściej dokonywany metodami optycznymi. Czułość odczytu ugięcia dźwigni sięga dziesiątych części angstrema. Jeśli chce się do obrazowania wykorzystać siły magnetyczne, to ostrze pokrywa się materiałem magnetycznym. Na czubek ostrza składa się od kilku do kilkuset atomów. Mikrosondy stosowane w AFM produkuje się zazwyczaj z krzemu i azotku krzemu¹²¹.

Za pomocą mikroskopu sił atomowych można też dokonać pomiarów sił tarcia w skali atomowej i je zobrazować - mierzymy wówczas skręcenie dźwigni, a nie ugięcie w kierunku prostopadłym do badanej powierzchni. Mówimy wtedy o mikroskopie sił tarcia (ang. friction force microscope, FFM).

Interpretacja obrazów wymaga szczegółowej analizy oddziaływań ostrze-próbka. Na ten temat powstało wiele prac teoretycznych. W idealnej sytuacji zakładamy, że obserwowany obraz jest wynikiem oddziaływania najbardziej wysuniętych atomów ostrza i próbki. Obrazy mogą różnić się między sobą, jeśli używamy różnych ostrzy,

W mikroskopie sił atomowych do zobrazowania powierzchni próbki można wykorzystać siły krótko- lub długozasięgowe. Ze względu na rodzaj tych sił wyróżnia się następujące tryby pomiarowe: