1. Резонансные методы
сканирующей зондовой
микроскопии

2. Основные режимы работы СЗМ
2Рисунок из
Wikipedia

3. Сравнение режимов сканирования
3
Достоинства Недостатки
Контактный  Большая скорость сканирования
 Возможность изучения
образцов с большим
диапазоном по Z (с большей
шероховатостью)
 Латеральные силы могут искажать
изображение
 На воздухе возможен сильный
эффект, обусловленный
капиллярными силами от водяной
пленки-адсорбата на подложке
 Латеральные силы в комбинации с
сильной прижимной силой
уменьшают разрешение и могут
привести к поломке зонда или
разрушению поверхности образца
Полуконтактный  Латеральные силы
минимизированы. Таким
образом можно достигнуть
лучшего латерального
разрешения на большинстве
образцов
 Риск разрушения образца и
порчи зонда минимален
 Меньшая скорость сканирования,
по сравнению с контактным
режимом
Бесконтактный  И прижимная, и латеральная
силы минимальны, что очень
хорошо для изучения очень
мягких образцов
 Можно получить истинное
атомное разрешение для
экспериментов в высоком
вакууме
 На воздухе слой водяной пленки-
адсорбата может быть слишком
толстым, и мешать эффективным
измерениям
 Меньшая скорость сканирования
по сравнению с другими режимами

4. 4
Контактный
режим
Бесконтактный
режим
Режим «обстукивания»
притяжениеотталкивание

5. Основные режимы работы СЗМ
5
контакт
Динамический
режим
Статический
режим
нет
контакта
Контактный
режим
Бесконтактный
режим
Полуконтактный
режим
Force modulation
(модуляция силы)
Pulsed force
mode
Ultrasonic mode
(ультразвуковой режим)
Static
deflection

6. Простейшая теоретическая модель колебаний
кантилевера – модель сосредоточенной массы (the
point mass model)
6
u=u(t)
m
z(t)
u=u0cos( t)
0)( Fzuzkzm 
z=z+F0/k
)cos(0 tkukzzzm 

7. Модель сосредоточенной массы
7
)(
,
)(
)(
)(
)(
)(
Re)cos(
)cos(
22
0
0
2
2
0
2
222
0
0
2
0
2
2
0
2
222
0
022
00
2
0
022
0
0
2
0
0
2
00
2
0
0
2
0
2
0
0
0
Q
arctg
Q
u
A
eA
Q
Q
iu
Q
i
u
a
eaz
eutu
tuzz
Q
z
ьдобротност
m
Q
i
ti
ti
 (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Рисунок взят с
сайта wikipedia

8. 8
200
22
0
2222
0
2
00
2
2
0
2
222
0
022
0
0
2
0
2
2
0
2
222
0
022
00
21
2
1
11
)cos(
4)()(
sincos)(
)(
2
1
,1
)(
)(
Re))sin()cos(()( 0
Q
t
u
Q
t
Q
t
utz
Q
e
Q
Q
iu
tctcetz
d
d
ti
dd
t
(6)
(7)
(8)
(9)

9. Сдвиг амплитудно-частотных
характеристик
9
d 0
A

10. Сдвиг амплитудно-частотных и
фазово-частотных характеристик
10
0

11. Бесконтактный режим сканирования
СЗМ
11
)cos(
)cos()(
/)(
)(
)()(
0
2
0
2
0
0
00
00
00
tuz
m
F
z
Q
z
Fkk
tkuzFkzzm
kFFzz
zFFFzuzkzm
tzz
z
F
FF
z
zeff
z
at
zat
atat



(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)

12. Бесконтактный режим
12
d
z
drd
z
r
z
z
m
F
k
F
Q
m
F
Q
arctg
Qm
F
u
A
11
2
1
1
)(
,
)(
)(
20
22
0
0
2
2
0
2
222
0
0
2
0
(16)
(17)
(18)
(19)

13. Бесконтактный режим. Изменение
АЧХ под действием градиента силы
13
r d 0
A

14. Бесконтактный режим. Изменение
ФЧХ под действием градиента силы
14
*
0
k
FQ
FQ
k
arctg
k
F
k
F
z
z
z
z
2
)(
11
1
0
0
*
0
0
* (20)
(21)
(22)

15. Прерывисто-контактный режим
15Рисунок из книги
Миронова

16. Фазовый сдвиг в полуконтактном
режиме сканирования
16
Aku
QE
u
A PS
000
sin (20)
Где EPS – энергия, идущая на восполнение
потерь, связанных с диссипативным
воздействием зонда и образца, А – амплитуда
установившихся колебаний кантилевера, -
частота колебаний кантилевера, 0 –
резонансная частота колебаний кантилевера.

17. Вынужденные колебания
могут быть…
17
• Механическими (акустическими
или пьезоэлектрическими )
колебаниями
• Магнитными колебаниями
• Фототермическими колебаниями
• Вызваны Лоренцевой силой
• Ультразвуковыми колебаниями
• пьезоэлектрическими
колебаниями
Рисунок с nanoHUB

18. Выбор амплитуды колебаний кантилевера
для полуконтактного режима
18
A0 A

19. 19
Выбор амплитуды колебаний кантилевера
для полуконтактного режима
A
0
А0
А

20. Поиск резонанса
20

21. 21
0,85
0,65
0,75
0,6
0,7
0,55

22. 22
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
[ПС]:[ПМА]=1:2
[ПС]:[ПМА]=1:1
setpoint A/A0
nm
силовое воздействие
контраст
ПМА
ПC ПC
ΔH

23. 23

24. Выбор кантилевера для резонансных режимов
24

25. Выбор кантилевера для
бесконтактного режима
25

26. Выбор кантилевера для полуконтактного режима
26

27. Выбор кантилевера для режима модуляции силы
27

28. Выбор кантилевера All-in-One
28

29. 29
Контактный режим сканирования СМАС
Изменение морфологии тонких пленок
СМАС при контактном режиме сканирования
[ПС]:[ПМА]=1:2 [ПС]:[ПМА]=1:1

30. 30
[ПС]:[ПМА]=1:2 [ПС]:[ПМА]=1:1
Полуконтактный режим сканирования
Видно микрофазовое разделение
блок-сополимеров

31. Фазовый контраст
31

32. Одно проходные и двупроходные
методики
32
Изображение из
книги P. Eaton, P. West

33. Трудности перевода
33
Dynamic mode
Intermittent contact mode
Tapping mode
Acoustic mode
Резонансный режим
Полуконтактный режим
Динамический режим
Режим обстукивания
Прерывисто-контактный режим
Oscillating mode
Noncontact mode
Close contact mode

34. Трудности перевода
34
Intermittent contact mode
Tapping mode
Acoustic mode
Резонансные режимы:
Полуконтактный режим
Режим обстукивания
Прерывисто-контактный режим
Noncontact mode
Бесконтактный режим
Noncontact mode – некоторые производители
Полуконтактный режим
Бесконтактный режим
Real noncontact mode
Close contact mode

35. Литература
35
1. P. Eaton, P. West Atomic force microscopy 2010
2. Миронов В.Л основы сканирующей зондовой микроскопии 2004
3. Dror Sarid Exploring Scanning Probe Microscopy with MATHEMATICA
2007
4. Sergei N. Magonov, Myung-Hwan Whangbo Surface Analysis with STM
and AFM 1996
5. A. Ikai The world of nano-bio mechanics 2007
6. http://nanoandmore.com
7. http://femtoscanonline.com
8. http://www.nanoscopy.ru
9. http://www.bruker.com
10. http://www.agilent.com
11. http://www.ntmdt.com