Электростатическое и ван-дер-ваальсово взаимодействие зондов атомно-силового микроскопа с поверхностями

• Автор: Канаметов, Анзор Азреталиевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Нальчик
• Количество страниц: 109 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1 Контактная и бесконтактная атомно -силовая спектроскопия

1.1 Силовые взаимодействия в воздушном контакте зонд —поверхность

1.2 Теоретические модели электростатических и

ван -дер -ваальсовых сил

1.3 Силовые кривые подвода -отвода

1.4 Экспериментальные исследования электростатических и ван -дер -ваальсовых сил методами АСМ
1.5 Выводы к главе 1 32 Глава 2 Численное моделирование электростатических и ван -дер -

ваальсовых сил в контакте зонд -образец

2.1 Константа Гамакера и аддитивное приближение для сил

Ван -дер - Вальса
2.2 Сила электростатического взаимодействия
2.3 Метод численного расчета электростатических сил
2.4 Электростатические силы в проводящем контакте
2.5 Электростатические силы в контакте зонда АСМ с проводящим образцом, покрытым диэлектрической пленкой
2.6 Влияние диэлектрических пленок на силы Ван -дер -Ваальса
2.7 Выводы к главе 2 59 Глава 3 АСМ -измерения электростатических и
ван -дер -ваальсовых сил
3.1 Методики измерений и набор статистики при измерениях
ван -дер -ваальсовых сил
3.2 Статистическая обработка зависимостей фототок —перемещение
3.3 Калибровки и пересчет шкалы перемещений в шкалу расстояний
3.4 Метод определения локальной контактной разности потенциалов
3.5 Выводы к главе 3

Глава 4 Интерпретация электростатических и ван —дер -ваальсовых
сил по данным АСМ -спектроскопии
4.1 Измерения в контакте зондов С8О10/1Ч с графитом
при влажности 60%
4.1.1 Электростатические силы
4.1.2 Ван -дер -ваальсовы силы
4.2 Влияние балки кантилевера
4.3 Измерения в контакте зондов СЗв 10/14 с пленкой золота
при влажности 20%
4.3.1 Электростатические силы
4.3.2 Ван -дер -ваальсовы силы
4.4 Выводы к главе 4
Выводы ко всей работе
Список литературы
Приложение 1
Приложение 2

Введение
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) представляет собой семейство методов локального зондирования свойств материалов на наномасштабном уровне. Датой рождения СЗМ считают 1981-й год, когда впервые научной общественности был представлен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Впоследствии общие принципы, заложенные в СТМ, были использованы для разработки большого количества новых методик зондирования, что обусловило бурный рост инструментария СЗМ для исследований в области нанотехнологий. Сегодня методы СЗМ находят широкое применение в таких областях науки и техники, как нано физика и физика поверхности, микро- и наноэлектроника, проектирование и производство микроэлектромеханических систем, микробиология, медицина и биотехнология, и т. д.
Являясь мощным средством визуализации рельефа и физических свойств поверхностей различной природы, методы СЗМ претендуют на роль наиболее приоритетных, а во многих случаях основных методов качественного и количественного изучения свойств материалов на наномасштабном уровне. В арсенале средств СЗМ важное место занимают методы атомно -силовой микроскопии (ACM) и силовой спектроскопии на базе ACM. Одним из них является метод электросиловой спектроскопии, основанный на регистрации электрических сил, возникающих между зондом и образцом при приложении между ними внешнего электрического напряжения.
Для дальнейшего расширения круга прикладных задач, развития и совершенствования методов ACM большое значение имеет количественное исследование электростатических и ван -дер -ваальсовых сил между зондом и образцом в контролируемой атмосфере. Однако существенными недостатками метода силовой спектроскопии являются ограниченность имеющихся аналитических моделей ван дер -ваальсовых сил, электростатических и других типов сил для различных геометрических

описывает не силу, а энергию взаимодействия зонда с пластиной. Авторы [22], приводя формулу (2.6), ссылаются на работу [24], в которой в не запаздывающем приближении для было получено выражение
Нетрудно видеть, что в пределе г «Я (2.7) и (2.6) согласуются с (2.1). Кажущееся внешнее различие формул (2.6) и (2.7) побуждает нас выполнить независимый расчет. Наттти вычисления в итоге подтверждают как формулу
(2.5), если используется парный потенциал иа(г) ~ - А*/г1, так и формулу
(2.6), если применяется не запаздывающий потенциал и0(г) = -С6/г6. Рассмотрим второй случай подробнее.
Сначала найдем взаимодействие одного атома с бесконечной тонкой пластиной, характеризующейся однородной поверхностной плотностью атомов, п5 (рис. 2.1)
Рис 2.1. Схематическое изображение атома над бесконечно тонкой плоскостью, г - расстояние между атомом и плоскостью, г - расстояние между атомом и текущей точкой на плоскости, р- радиус текущего кольца и Ар- бесконечно малое приращение радиуса текущего кольца
ЛЯ2(1 -ьтОХЯч'тО-гътО-Я-г) ^Htgв{zsmO+ ЯатО + Ясоз29) 6г2 6соз#(г+іг(1-8Іп0))
(2.8)