Zasada działania i zastosowanie mikroskopii sił atomowych
Mikroskopia sił atomowych to mikroskop z sondą skanującą opracowany w oparciu o podstawową zasadę skaningowej mikroskopii tunelowej. Pojawienie się mikroskopii sił atomowych niewątpliwie odegrało wiodącą rolę w rozwoju nanotechnologii. Mikroskopia z sondą skanującą, reprezentowana przez mikroskopię sił atomowych, to seria mikroskopów, które wykorzystują małą sondę do skanowania powierzchni próbki, zapewniając obserwację z dużym powiększeniem. Skanowanie za pomocą mikroskopu sił atomowych może dostarczyć informacji o stanie powierzchni różnych typów próbek. W porównaniu z konwencjonalnymi mikroskopami zaletą mikroskopii sił atomowych jest to, że umożliwia ona obserwację powierzchni próbki przy dużym powiększeniu w warunkach atmosferycznych i może być stosowana do prawie wszystkich próbek (z pewnymi wymaganiami dotyczącymi gładkości powierzchni) bez potrzeby stosowania innych procesy przygotowania próbki, w celu uzyskania trójwymiarowego obrazu morfologii powierzchni próbki. Może także wykonywać obliczenia chropowatości, grubości, szerokości kroku, schemat blokowy lub analizę wielkości cząstek na obrazach morfologii 3D uzyskanych ze skanowania.
Mikroskopia sił atomowych może wykryć wiele próbek i dostarczyć danych do badań powierzchni, kontroli produkcji lub rozwoju procesów, których nie są w stanie zapewnić konwencjonalne skaningowe mierniki chropowatości powierzchni i mikroskopy elektronowe.
Podstawowe zasady
Mikroskopia sił atomowych wykorzystuje siłę oddziaływania (siłę atomową) pomiędzy powierzchnią próbki a końcówką cienkiej sondy do pomiaru morfologii powierzchni.
Końcówka sondy znajduje się na małym wsporniku, a interakcja powstająca w momencie kontaktu sondy z powierzchnią próbki jest wykrywana w postaci ugięcia wspornika. Odległość pomiędzy powierzchnią próbki a sondą jest mniejsza niż 3-4 nm, a wykryta między nimi siła jest mniejsza niż 10-8 N. Światło diody laserowej skupia się na tylnej części wspornika. Kiedy wspornik zostaje zgięty pod działaniem siły, odbite światło odchyla się, a do wykrywania kąta odchylenia wykorzystywany jest fotodetektor czuły na położenie. Następnie zebrane dane są przetwarzane komputerowo w celu uzyskania trójwymiarowego obrazu powierzchni próbki.
Na powierzchni próbki umieszcza się kompletną sondę wspornikową, kontrolowaną przez skaner piezoelektryczny i skanowaną w trzech kierunkach z dokładnością o szerokości kroku wynoszącej 0,1 nm lub mniej. Ogólnie rzecz biorąc, podczas szczegółowego skanowania powierzchni próbki (oś XY), oś Z kontrolowana przez sprzężenie zwrotne przemieszczenia wspornika pozostaje stała i niezmieniona. Wartości osi Z, które stanowią informację zwrotną w odpowiedzi na skanowanie, są wprowadzane do komputera w celu przetworzenia, w wyniku czego powstaje obserwowany obraz (obraz 3D) powierzchni próbki.
Charakterystyka mikroskopii sił atomowych
1. Wysoka rozdzielczość znacznie przewyższa możliwości skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i mierników chropowatości optycznej. Trójwymiarowe dane na powierzchni próbki spełniają coraz bardziej mikroskopijne wymagania badań, produkcji i kontroli jakości.
2. Nieniszczący, siła interakcji między sondą a powierzchnią próbki jest niższa niż 10-8N, czyli znacznie niższa niż nacisk tradycyjnych mierników chropowatości z końcówką pomiarową. Dlatego nie uszkodzi próbki i nie ma problemu z uszkodzeniem wiązki elektronów w skaningowej mikroskopii elektronowej. Ponadto skaningowa mikroskopia elektronowa wymaga powlekania próbek nieprzewodzących, podczas gdy mikroskopia sił atomowych tego nie wymaga.
3. Ma szeroki zakres zastosowań i może być stosowany do obserwacji powierzchni, pomiaru wielkości, pomiaru chropowatości powierzchni, analizy wielkości cząstek, obróbki statystycznej występów i wgłębień, oceny stanu tworzenia się filmu, pomiaru stopnia wielkości warstw ochronnych, oceny płaskości międzywarstwowe folie izolacyjne, ocena powłok VCD, ocena procesu obróbki ciernej folii zorientowanych, analiza defektów itp.
4. Oprogramowanie ma duże możliwości przetwarzania, a jego wyświetlanie obrazu 3D może dowolnie ustawiać jego rozmiar, perspektywę, kolor wyświetlania i połysk. Można wybrać sieć, linie konturowe i wyświetlanie linii. Zarządzanie makrami w przetwarzaniu obrazu, analiza kształtu i chropowatości przekroju poprzecznego, analiza morfologii i inne funkcje.
