Микроскопия латеральных сил (LFM)

Зондирование силы трения

Принцип микроскопии латеральных сил (LFM) серии XE во многом схож с контактным режимом АСМ. Если в контактном режиме производится измерение отклонения кантилевера в вертикальном направлении для получения изображения, то в данном случае производится измерение отклонения кантилевера (скручивание, изгиб) в горизонтальном направлении. Изгиб кантилевера является результатом действия силы трения при его перемещении вдоль поверхности образца.  Величина изгиба зависит от коэффициента трения поверхности, топографии (выступы, подъемы) поверхности образца, направления перемещения кантилевера и боковой постоянной пружины кантилевера. Микроскопия латеральных сил серии XE очень удобна для изучения образцов, которые состоят из разнородных компонентов. Она также используется для усиления контраста в зоне резких переходов, переломов поверхности образца или на границе разных компонентов.

Поскольку микроскоп LFM серии XE измеряет изгиб кантилевера в горизонтальном направлении, а также смещение в вертикальном направлении для количественной оценки сопротивления между зондом и образцом, применяется четырехсекционный фотодетектор PSPD, как показано на рисунке 1. В стандартном АСМ для оценки топографии поверхности образца применяется двухсекционный фотодиод PSPD, который выдает сигнал «A-B». Данный сигнал рассчитывается как разница сигналов верхних четвертей (A+C) и нижний четвертей (B+D) фотодиода PSPD, как показано на рисунке 1.

Топографическая информация = (A+C) – (B+D)

Для получения сигнала LFM, который характеризует трение поверхности образца, измеряется изгиб кантилевера в горизонтальном направлении, который представляет собой разницу сигналов правых секций (A+B) и левых секций (C+D).

Данные о трении = (A+B) – (C+D)

Рисунок 1. PSPD АСМ (верхний) и PSPD LFM (нижний)

Рисунок 2. Сигналы АСМ и латеральных сил кантилевера

На рисунке 2 (a) показана структура поверхности образца с центральным выступом и нижними гладкими зонами с каждой стороны от выступа. Плоская левая часть поверхности имеет участок повышенного трения. На профиле b показан изгиб кантилевера, который вызван топографическими особенностями и разным коэффициентом трения поверхности образца, который сканируется слева направо. Профиль c – представляет собой изображение АСМ поверхностной топографии, он фиксирует вертикальное отклонение кантилевера и не учитывает его изгиб. Профили d и e получаются при сканировании в режиме LFM, который указывает на горизонтальный изгиб кантилевера. При сканировании слева-направо поверхностной структуры кантилевер испытывает изгиб в правую сторону. Это результат действия латеральной силы при прохождении выступа в точке «3». Изгиб в обратную сторону возникает при внезапном «сходе» кантилевера с выступа в точке «4».

Зона между точками «1» и «2» представляет собой участок поверхности образца, на котором материал имеет более высокий коэффициент трения по сравнению с другой частью материала. На поверхности образца в этом месте отсутствуют какие-либо выступы и впадины, поэтому данный участок неразличим на топографии. И если на топографическом изображении зона между точками «1» и «2» однородная, то на изображении LFM разница будет заметной. Когда кантилевер сканирует этот участок слева направо, то увеличение трения приводит к его повороту вправо, это, в свою очередь, вызывает изменение сигнала LFM.

На рисунке 2 (e) представлен сигнал LFM, когда направление сканирования образца меняется на противоположное. Если кантилевер сканирует образец по стрелке, то изменение сигнала LFM отсутствует в точках «3» и «4», оно связано с топографическими особенностями поверхности образца. Но, если направление сканирования меняется на противоположное, кантилевер изгибается влево, то есть в сторону более высокого коэффициента между точками «1» и «2», что приводит к снижению сигнала LFM в этой области.

Сигнал LFM содержит информацию о поверхностном трении и топографии. Поэтому при анализе результатов измерения LFM необходимо выделить информацию о разнице в коэффициенте трения от информации об изменении профиля поверхности на топографическом изображении. На рисунке 3 показано топографическое изображение АСМ (a) и изображение (b) LFM человеческого волоса (размер скана 20мкм). Теперь можно наблюдать разницу во фрикционной области кератинового протеина на рисунке 3 (b).

Рисунок 3. (a) Топография и (b) LFM-изображение человеческого волоса (размер скана 20 мкм)

Микроскопы, работающие в режиме микроскопии латеральных сил: