На рис.1 (а, б) представлена схема (а) и внешний вид (б) универсального зондового датчика-картриджа, использующего пьезорезонансный принцип детектирования силового взаимодействия. Переход от туннельного к силовому режиму измерений осуществляется за счет электрических коммутаций, без каких либо механических перенастроек. Конструкция датчика также позволяет одновременно измерять протекающий электрический ток и силовое взаимодействие между зондом и исследуемым образцом. Зондовый датчик изготовлен на основе пьезокерамической трубки (1), жестко закрепленной с одного конца. На другом конце трубки закрепляется металлическое острие, изготовленное из вольфрамовой проволоки диаметром 150 мкм (2). Длина трубки – 7 мм., внешний диаметр – 1,2 мм., толщина стенки – 0,2 мм. Сплошной внутренний электрод трубки заземлен. Внешний электрод разделен вдоль оси трубки на две одинаковые электрически изолированные друг от друга части. В режиме полуконтактной ССМ одна часть трубки вибрирует под действием переменного электрического напряжения, выполняя функции механического вибратора, раскачивающего трубку с закрепленным зондом на резонансной частоте.

probes-01

Рис.1. Универсальный зондовый датчик-картридж СЗМ-NE.

а – схема, b – внешний вид.

1 – пьезокерамическая трубка с одним внутренним и двумя внешними электродами, 2 – зонд из заостренной вольфрамовой проволоки, 3 – печатная плата с электродами, 4 – общий электрод, 5 – электрод пьезовибратора, 6 – электрод пиезодатчика.

При этом острие осциллирует, перемещаясь по направлению, перпендикулярному к поверхности образца. Переменное электрическое напряжение, снимаемое с другой части трубки, выполняющей функции детектора колебаний, определяется амплитудой механических колебаний, которая, в свою очередь, зависит от величины взаимодействия зонда с поверхностью образца. При изменении этого взаимодействия изменяется амплитуда механических колебаний, а значит и величина электрического напряжения на датчике, что используется при визуализации топографии поверхности образца в режиме полуконтактной ССМ. При этом, как известно, фазовый сдвиг между колебаниями вибратора и детектора определяется жесткостью образца, что позволяет построить карту относительного изменения механической жесткости поверхности. Амплитуда и фазовый сдвиг электрического напряжения измеряются с помощью предусилителя и синхродетектора.

В режиме СТМ переменное напряжение отключается от вибратора, а к образцу прикладывается постоянное напряжение смещения, относительно вольфрамового зонда, соединенного с заземленным внутренним электродом трубки. Туннельный ток, протекающий в цепи «зонд — образец» измеряется с помощью преобразователя «ток – напряжение».

На рис.2(а) представлена типичная резонансная кривая зондового датчика СЗМ- NE, измеренная в отсутствии взаимодействия между зондом и образцом. Добротность датчиков, измеренная как отношение высоты резонансного пика к его ширине на полувысоте, изменяется в диапазоне 15 ÷ 30 для разных датчиков. Этого достаточно, чтобы получать СЗМ – изображения поверхности образцов различной природы (металлы, полупроводники, полимеры, биологические клетки, бактерии) в режиме полуконтактной ССМ. На рис.3(б) представлена типичная зависимость амплитуды колебаний зонда от ширины зазора (кривая подвода), измеренная при взаимодействии зонда с образцом в процессе их сближения. Видно, что кривая подвода имеет устойчивый характер, что позволяет оценить крутизну взаимодействия между зондом и образцом и выбрать рабочую точку (большее или меньшее воздействие на образец в процессе сканирования), а также оценить величину рабочего зазора между поверхностью образца и средней точкой колебаний зонда, т.е. амплитуду колебаний зонда.

probes-02

Рис.2. Резонансная кривая зондового датчик (a) и зависимость величины взаимодействия от расстояния между зондом и образцом (b).