Метод АСМ применяется для измерения топографии поверхности твердых тел в нанометровом диапазоне и анализа особенностей ее строения.

Изображение поверхности в АСМ получают при помощи сканирования образца в горизонтальной плоскости с использованием иглы с радиусом кривизны острия порядка десятков-сотен нанометров, укрепленной на консоли (колеблющейся) с известной жесткостью. При сканировании измеряется отклонение (сдвиг резонансной частоты колебаний) консоли под действием сил между иглой и поверхностью. Таким образом, при регистрации сил взаимодействия (градиента сил) проводят картографирование поверхности.[15]

Аналитический узел сканирования АСМ представляет собой открытую конструкцию для работы на воздухе с хорошим доступом при установке образца и смене сканирующего зонда. Обзор места подвода острия зонда к исследуемой поверхности может обеспечиваться использованием длиннофокусного оптического микроскопа.

Аналитический зонд АСМ представляет собой ‘Г’-образную консольно закрепленную балку с острием (радиус закругления –0,1мкм) на свободном конце, изготовленную из вольфрамовой проволоки методом электро-химического травления и полирования. Вторым, более длинным концом, бапка связана с биморфным пьезокерамическим элементом (БД), который при подаче осциллирующих напряжений от генератора частот (ГЧ) приводит ее в колебания с собственной частотой (30-100кГц). При приближении зонда к поверхности образца (О) на расстояние порядка нескольких нанометров, амплитуда колебаний балки изменяется под влиянием молекулярных сил (отталкивания) возникающих между острием и поверхностью образца.

Рис.2. Принципиальная схема АСМ

З- зонд;

БМ- биморфный элемент;

ГЧ- генератор частот;

О- образец;

ЛИ- люминисцентный источник;

ОВ- оптическое волокно;

БЭ- блок электроники;

ПК- персональный компьютер;

ПД1,2,3,4- пьезоэлементы двигателя.

Изменение амплитуды колебаний зонда детектируется оптической системой, в которой пучок света от ЛИ проходя по ОВ, отражается, во-первых, от его скола на краю волокна подведенном с помощью регулируемого кронштейна на расстояние 10мкм к ΄пятке’ зонда и , во-вторых, от полированного участка на поверхности балки. Разность отраженных оптических сигналов регистрируется и обрабатывается блоком электроники (БЭ). По изменениям разницы сигналов судят об изменении амплитуды колебаний зонда и , следовательно, об изменении расстояния между сканирующим острием и исследуемой поверхностью. С помощью системы обратной связи на базе управляющего компьютера (ПК) и блока электроники (БЭ) подаются соответствующие управляющие напряжения на Z-участок, пьезоэлементы двигателя (ПД). ПД, удлиняясь или укорачиваясь, совершают перемещение острия (или образца) вдоль оси Z и тем самым поддерживают постоянным расстояние между острием зонда и поверхностью образца во время сканирования.

Системы детектирования и перемещений обеспечивают чувствительность по оси Z 0,1-0,2 нм, в плоскости ХОУ- разрешение до 5-10 нм.

Сканирование острия зонда над измеряемой поверхностью осуществляется пьезодержателем ПД1. Для этого соответствующие квантовые напряжения на ХУ-участки трубчатого элемента подают, что приводит к их изгибу относительно осей ОХ и ОУ и, следовательно, к сканированию в плоскости ХОУ. В зависимости от состояния системы цифровой процессор управляет положением зонда. Компьютер реализует растровую разветку пьезодвигателя. В заданных узлах растровой сетки производятся измерения положений. Данные накапливаются в ОЗУ компьтера.