Электросиловая микроскопия

В электросиловой микроскопии для получения информации о свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом. Рассмотрим систему, состоящую из зондового датчика, у которого зонд имеет проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке.

Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение U₀ и переменное напряжение ~U=U₁Sin(ωt). Если тонкий слой на подложке представляет собой полупроводник или диэлектрик, то он может содержать поверхностный заряд, так что на поверхности образца существует распределение потенциала φ(x,y). Напряжение между зондом и поверхностью образца можно представить в виде

.

Система зонд – образец обладает некоторой электрической емкостью С, так что энергия такой системы может быть представлена в следующем виде:

.

Тогда электрическая сила взаимодействия зонда и образца равна

.

А ее Z-компонента может быть представлена в виде

.

Таким образом, Z-компонента электрической силы, действующей на зонд со стороны образца, равна

Из последнего выражения следует, что сила взаимодействия имеет три составляющие:

постоянную составляющую ;

составляющую на частоте ω ;

составляющую на частоте 2ω .

Детектирование амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω позволяет z - производной от емкости по координате z (так называемая емкостная микроскопия [8]). С помощью этого метода можно изучать локальные диэлектрические свойства приповерхностных слоев образцов. Для получения высокого разрешения в данной методике необходимо, чтобы электрическая сила в системе зондовый датчик - образец определялась, в основном, взаимодействием между зондом и поверхностью.

Поскольку сама величина  зависит от расстояния зонд-образец, для исследования диэлектрических свойств образцов применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования производится следующая процедура. На первом проходе с помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте ω₀, и снимается АСМ изображение рельефа в "полуконтактном" режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние z_o, между зондом и образцом подается переменное напряжение, и осуществляется повторное сканирование (рисунок 36). На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец вследствие изменения диэлектрических свойств образца.

Рисунок 36. Двухпроходная методика ЭСМ

Таким образом, итоговый ЭСМ кадр представляет собой двумерную функцию, характеризующую локальные диэлектрические свойства образца.

Детектирование сигнала на частоте ω позволяет изучать распределение поверхностного потенциала (так называемый метод Кельвина [9]). Для этого при сканировании образца на втором проходе в каждой точке производится следующая процедура. С помощью перестраиваемого источника постоянного напряжения подбирается величина U₀ таким образом, чтобы амплитуда колебаний кантилевера на частоте ω становилась равной нулю. На рисунке 37 в качестве примера приведены АСМ изображение рельефа поверхности и распределение поверхностного потенциала для композитной пленки, содержащей азобензол [10]. На изображении поверхностного потенциала выделяются молекулы азобензола, имеющие сильный дипольный момент.

Рисунок 37 Рельеф поверхности (а) и распределение поверхностного потенциала (б) пленки азобензола [10]