Маркін М.О., Бутенко К.О., Кущовий С.М.

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

пр. Перемоги 37, Київ, 03056

КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ЗОНДІВ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ З ДОПОМОГОЮ ТЕЛЕВІЗІЙНИХ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

Відомо, що зонди з твердих металів широко використовувалися на етапі розвитку скануючої зондової мікроскопії. В основному, вони застосовувались в скануючій тунельній мікроскопії (СТМ), розробленій в 1982 році, а також в атомній силовій мікроскопії (АСМ), розробленій в 1986 році. З тих пір було винайдено безліч видів зондів для вирішення різноманітних задач, але вольфрамові зонди і дотепер залишаються найкращим варіантом для використання АСМ [1].

В даний час скануючі зондові мікроскопи знайшли застосування практично у всіх галузях науки. У фізиці, хімії, біології АСМ використовують як інструмент дослідження. Зокрема, такі міждисциплінарні науки, як біофізика, матеріалознавство, біохімія, фармацевтика, нанотехнології, фізика і хімія поверхні, електрохімія, дослідження корозії, електроніка, фотохімія і багато інших.

Перспективним напрямком вважається поєднання скануючих зондових мікроскопів з іншими традиційними і сучасними методами дослідження, а також створення принципово нових приладів. Наприклад, поєднання АСМ з оптичними мікроскопами (традиційний і конфокальний мікроскоп), електронними мікроскопами, спектрометрами [2]

СТМ і АСМ відрізняються за методом взаємодії зонда зі зразком, відповідно, і геометрія зондів, буде різною. Гранична просторова роздільна здатність даної мікроскопії визначається в основному радіусом заокруглення зонда [1,2]. В СТМ зонд грає роль провідника, і може мати будь-яку форму, але для виключення впливу геометрії зонда важливо застосовувати якомога гострий і тонкий зонд, для позбавлення від можливих похибок при скануванні. У випадку з АСМ, утримання зонда відбувається за рахунок реєстрації сигналів силової взаємодії між зразком і вістрям. Так як сили взаємодії достатньо малі, то, при занадто тонкому зонді, сигнали швидко згасають не доходячи по п’єзодатчика, і система не відстежує захват зворотного зв’язку. Для надійного відстеження необхідно формувати профіль зонда таким чином, щоб інформативний сигнал передавався з мінімальними втратами. Це досягається шляхом збільшення кута заточки до значення достатнього для надійної реєстрації захвата зворотного зв’язку. Але при великому куті заточки, збільшується вплив форми зонда на зображення та погіршуються результати сканування [3].

Широко використовується така форма зонда, як конус [3]. Вона досягається за рахунок електрохімічного травлення вольфрамової проволоки. Профіль кінця зонда і його форма є важливою характеристикою при отриманні якісного зображення. Якщо для атомарно гладких поверхонь критичним є лише радіус вістря, то для зображення рельєфних поверхонь критичним є кут заточки зонда, відповідно, виникає задача в контролі геометричних параметрів цих зондів, яку можна вирішити з допомогою використання ТІВС.

ТІВС являє собою сукупність оптичних і електронних засобів, за допомогою яких інформація про структуру, стан та властивості об’єкту, що міститься в його випромінюванні, перетворюється в електричний сигнал. На рисунку 1 наведена фізична модель формування інформаційного сигналу в телевізійній інформаційно-вимірювальній системі.

ТІВС фактично знаменують собою новий рівень вимірювальних технологій і потенційно найбільше відповідають сучасним вимогам щодо вимірювання геометричних, динамічних та амплітудних параметрів багатьох об’єктів та технологічних процесів [4].

На рисунку 2 наведено зображення вістря зонда, яке отримане з допомогою ТІВС, що керується спеціальним програмним забезпеченням. Таким чином, ми можемо визначити геометричні параметри нашого об’єкту.

Для надійного визначення структури поверхні досліджуваного об’єкта необхідно відстежувати форму та радіус вістря зонду. Пропонується використовувати ТІВС для контролю геометричних параметрів, що зменшить відсоток неякісних зондів і підвищить точність методів АСМ і СТМ.

Зауважимо, що використання телевізійних засобів вимірювання та створених методів і алгоритмів може прийняти виклик зростаючим вимогам щодо контролю прецизійного приладобудування, а в перспективі і технологій створення нових матеріалів та сполук із заданими спеціальними властивостями, а також для визначення морфології поверхні біологічних об’єктів.

Література

1. В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии. РАН, Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г. — 110 с.

2. F. Giessibl, Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 (3), 949—983 (2003).

3. R. H. Eibl, V.T. Moy, Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439-50 (2005)

4. Маркін М.О., Маркіна О.М., Агінський Ю.А."Визначення геометричних розмірів мікрооб'єктів за допомогою телевізійних вимірювальних систем." Вісник Національного технічного університету України 46 (2013): 64-70.