Главная | Обратная связь

Потенціал Леннарда-Джонса

 

Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) був винайдений в 1986 році. В основі роботи АСМ лежить силова взаємодія між зондом і поверхнею, для реєстрації якого використовуються спеціальні зондові датчики (рис.2.1). Сила, що діє на зонд із боку поверхні, приводить до вигину консолі. Реєструючи величину вигину, можна контролювати силу взаємодії зонда з поверхнею.

 

Рисунок 2.1 – Схема зондового датчика

 

Якісно роботу АСМ можна пояснити на прикладі сил Ван-дер-Ваальса. Найбільш часто енергію ван-дер-ваальсової взаємодії двох атомів, що перебувають на відстані r друг від друга, апроксимують степеневою функцією – потенціалом Леннарда-Джонса (рис.2.2):

 

 

Перший доданок у цьому виразі описує далекодіюче притягання, обумовлене, в основному, диполь - дипольною взаємодією атомів. Другий доданок ураховує відштовхування атомів на малих відстанях. Параметр – рівноважна відстань між атомами, - значення енергії в мінімумі.

 

Рисунок 2.2 – Якісний вигляд потенціалу Леннарда - Джонса

 

Потенціал Леннарда-Джонса дозволяє оцінити силу взаємодії зонда зі зразком. Загальну енергію системи можна одержати, підсумовуючи елементарні взаємодії для кожного з атомів зонда і зразка. Тоді для енергії взаємодії одержуємо:

 

де і - щільності атомів у матеріалі зразка і зонда. Відповідно сила, що діє на зонд із боку поверхні, може бути обчислена в такий спосіб:

 

 

Реальна взаємодія зонда зі зразком має більш складний характер, але в кожному разі зонд АСМ відчуває притягання з боку зразка на більших відстанях і відштовхування на малих. Реєстрація малих вигинів пружної консолі зондового датчика проводиться на базі оптичних методів (рис. 2.3).

 

Рисунок 2.3 – Схема оптичної реєстрації вигину консолі зондового датчика АСМ

 

 

Оптична система АСМ юстирується таким чином, щоб випромінювання напівпровідникового лазера фокусувалось на консолі зондового датчика, а відбитий пучок попадав у центр фоточутливої області фотоприймача. У якості позиційно - чутливих фотоприймачів застосовуються чотирьохсекційні напівпровідникові фотодіоди.

Основні реєстровані оптичною системою параметри - це деформації вигину консолі під дією Z-компонент сил притяжіння або відштовхування і деформації крутіння консолі під дією латеральних компонентів сил взаємодії зонда з поверхнею. Якщо позначити вихідні значення фотоструму в секціях фотодіода через , а через - значення струмів після зміни положення консолі, то різницеві струми з різних секцій фотодіода будуть однозначно характеризувати величину та напрямок вигину консолі зондового датчика АСМ.

Рисунок 2.4 – Відповідність між типом деформацій консолі зондового датчика і зміною положення плями засвітки на фотодіоді: а) - вигин; б) - крутіння.

 

При скануванні в режимі ∆Z = const, де ∆Z – відстань між зондом і поверхнею матеріалу, зонд переміщається уздовж поверхні, при цьому напруга на Z-електроді сканера записується до пам’яті комп'ютера як рельєф поверхні Z = f (x,y).