Az AFM-et kontakt módú technikaként vezették be, amelyben az AFM kantilever kvázisztatikus elhajlásait, amelyeket a hegy és a minta kölcsönhatásai okoznak, egy visszacsatolt vezérlésű felületi képalkotásra használták fel. Az AFM-csúcs érintkezését a minta felülete feletti raszterezés követte oly módon, hogy a csúcs-minta erőt a minta (vagy az AFM-csúcs) függőleges helyzetének beállításával a beállított szinten tartották. Ily módon egy piezoelektromos szkenner pontosan elforgatja az AFM-csúcsot a felületi profil mentén.
A további AFM-fejlesztések során oszcillációs üzemmódokat vezettek be, részben azért, hogy elkerüljék a minta nyírási deformációját kontakt üzemmódban. Ezekben az üzemmódokban egy, az AFM-szonda közelében elhelyezett piezoelemet használnak az AFM-konzol oszcillációjának gerjesztésére annak rezonanciafrekvenciáján. Ahogy az oszcilláló AFM-szonda megközelíti a mintát, és időszakosan érintkezik vele, az oszcillációs paraméterek, például az amplitúdó, a frekvencia, a fázis és a minőségi tényezők változnak. Az amplitúdó-moduláció és a frekvenciamoduláció, amelyben a pásztázás során az AFM-konzol amplitúdóját, illetve frekvenciáját (fázisát) választják visszacsatolásra, a fő AFM-oszcillációs módok.
A kontakt és az oszcillációs módoknak számos kapcsolódó technikája van, amelyeket különböző jellemzési igényekre válaszul fejlesztettek ki. A kontakt és oszcillációs módban végzett felületi képalkotás mellett léteznek olyan spektroszkópiai módok, amelyek az eltérés, az amplitúdó vagy a fázis változásának mérésén alapulnak, ahogy az AFM-szonda megközelíti a mintát és visszahúzódik tőle. Ezeket a görbéket (gyakran “erőgörbéknek” nevezik) lehet egy adott helyen mérni, vagy ha több helyen mérik, akkor térképekké (más néven “erővolumen”) kombinálhatók.
1. ábra. Blockkopolimer (polisztirol-blokk-poli-4-vinil-piridin) film magassági (a) és fázisképei (b), amelyeket Tapping módban, NSC16 szondákkal (most HQ:NSC16-ra frissítve) nyertünk. A letapogatás mérete 500 nm. A kép Dr. Sergei Magonov jóvoltából.
Az AFM-szondákat kezdetben úgy készítették, hogy egy gyémántszilánkot ragasztottak egy fémfóliából kivágott AFM-konzolra vagy egy Fe, Ni vagy W huzal kúposítására. Ezt a fáradságos előkészítést később felváltotta az AFM-szondák sorozatgyártása félvezető technológiák felhasználásával. Az első kereskedelmi forgalomban kapható AFM-szondákban az AFM-konzol és az AFM-csúcs egy üvegszubsztráton lévő vékony Si3N4 filmből állt. Az AFM-csúcs négyzetpiramis alakú, az AFM-csúcs csúcsánál ~ 20 nm-es névleges görbületi sugárral. Az elkészítési technológiának megfelelően ezek az AFM-szondák vékonyra készíthetők, ami viszonylag kis rugóállandókat határoz meg a 0,01 – 0,6 N/m tartományban. Ezeket az AFM szondákat rendszeresen használják kontakt üzemmódban történő képalkotásra és puha mintákon alkalmazzák.
Az AFM csúcs alakja és a csúcsnál lévő sugár fontos paraméterek, amelyek meghatározzák az alkalmazási területet és a szonda minőségét. A nagy felületi hullámosság jelentősen korlátozza az oldalsó képfelbontást, és az AFM-csúcs alakját is játékba hozza. A kritikus méretű struktúrák, például a mély és keskeny árkok leképezéséhez speciálisan maratott AFM-szondákat (például FIB-technológiával) vagy szén nanocsövekből vagy Hi’Res-C tüskékből készült szondákat kell használni. A sík minták nagy felbontású képalkotása elsősorban az AFM-csúcstól függ.
A környezeti és vákuum AFM-vizsgálatokhoz leginkább a Si-ostyából maratott monolitikus szilícium AFM-szondák alkalmasak. AFM-konzoljaik téglalap alakúak, a következő paraméterekkel: szélesség – 30 – 60 µm, hossz – 100 – 400 µm, vastagság 1 – 8 µm. A kereskedelmi forgalomban kapható AFM-szondák rugóállandója 0,1 N/m és 600 N/m között változik. A Si AFM-csúcsok tipikus méretei: magasság 8 – 20 µm, nyitási szög kb. 30 – 40 fok, csúcssugár 10 nm. Piramis alakúak, amelyeknek ideális esetben háromszög alakúnak kell lenniük a csúcs közelében.
A Si AFM szondák élesebbek, mint a Si3N4 szondák, ugyanakkor merevségük korlátozott, amikor puha minták leképezése az érdekes. Az ilyen tárgyak nagy felbontású képalkotására megfelelő megoldást jelenthet a Si3N4 AFM-konzolokból és Si AFM-csúcsokból álló hibrid AFM-szondák készítése. Sajnos az ilyen AFM-szondák ritkák.
A nagy felbontású képalkotáshoz alkalmazott éles AFM-szondák mellett néha nagy csúcsméretekkel rendelkező AFM-szondákra is szükség van. A lekerekített csúcsformájú, 50-100 nm-es átmérőjű AFM-szondák keresettek a nanomechanikai mérésekhez, valamint az alacsony kopású képalkotáshoz.
Az AFM-szondák jellemzése meglehetősen fontos kérdés, mivel az AFM-csúcs alakjának és csúcsméretének eltérései nem ritkák. Az AFM-szondák jellemzésének közvetlen és közvetett módjai vannak. A pásztázó elektronmikroszkópia (SEM) és a transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) lehetővé teszi az AFM-csúcs alakjának és csúcsméreteinek közvetlen megjelenítését. A közvetett kísérleti eljárás speciális vizsgálati struktúrák, például nanopórusos Al képalkotásán alapul. Az ilyen tesztmintákon kapott képek elemzése segít a csúcs alakjának és csúcsméretének meghatározásában. A tesztmintákat rendkívül óvatosan kell használni, a csúcs sérülésének elkerülése érdekében a szonda kiértékelését kis erővel kell elvégezni.
Az Al hátoldali bevonat javítja a lézersugár visszaverődését. Egyes esetekben a kutató feláldozza a reflektivitást annak érdekében, hogy elkerülje a cantilever esetleges elhajlását a különböző hőmérsékleten végzett kísérletek során. Az is előfordulhat, hogy a cantilever hátoldalának bevonata némi plusz anyagot visz a szonda csúcsához, így az tompábbá válik.
A minták elektromos vagy mágneses tulajdonságainak mérésénél az AFM cantilever bevonatok játsszák a leglényegesebb szerepet. Ezekhez a vizsgálatokhoz különböző merevségű, valamint különböző méretű csúcsokkal rendelkező bevonatos szondákra van szükség. A katalógusunkban található Si AFM szondák többféle bevonattal is megvásárolhatók.
További olvasmányok
Kontakt üzemmód
Kontakt nélküli üzemmód
Tapping üzemmód