і їх градієнти слабкіше відразливих контактних сил. Тому для їх детектування зазвичай використовується модуляційна методика. Для цього за допомогою пьезовібратора кантилевер розгойдується по вертикалі на резонансній частоті. Вдалині від поверхні амплітуда коливань кантільовери має максимальну величину. У міру наближення до поверхні внаслідок дії градієнта сил тяжіння резонансна частота коливань кантільовери змінюється, при цьому зменшується амплітуда його коливань. Ця амплітуда реєструється за допомогою оптичної системи по відносного зміни змінної освітленості верхньої та нижньої половинок фотодетектора.
При «напівконтактному» способі вимірювань також застосовується модуляційна методика вимірювання силового взаємодії. У «напівконтактному» режимі зонд частково торкається поверхні, перебуваючи поперемінно як в області тяжіння, так і в області відштовхування.
Існують і інші, більш прості, способи детектування силового взаємодії, при яких відбувається пряме перетворення силового взаємодії в електричний сигнал. Один з таких способів заснований на використанні прямого п'єзоефекту, коли вигин пьезоматеріала під дією силового взаємодії призводить до появи електричного сигналу.
П'єзоелектричний двигун. Сканери.
Для контрольованого переміщення голки на надмалих відстанях в СЗМ використовуються п'єзоелектричні двигуни. Їх завдання - забезпечити прецизійне механічне сканування зондом досліджуваного зразка шляхом переміщення зонда щодо нерухомого зразка або переміщення зразка відносно нерухомого зонда.
Робота більшості п'єзоелектричних двигунів, застосовуваних у сучасних СЗМ, заснована на використанні зворотного п'єзоефекту, який полягає в зміні розмірів пьезоматеріала під дією електричного поля. Основою більшості застосовуваних в СЗМ п'єзокерамікою є склад Pb (ZrTi) O3 (цирконат-титанат свинцю, ЦТС) з різними добавками.
Подовження закріпленої з одного кінця пьезопластінкі визначається виразом:
де- довжина пластини, h-товщина пластини, U - електрична напруга, прикладена до електродів, розташованим на гранях п'єзопластини, - п'єзомодуль матеріалу.
Існує багато типів і форм, в яких випускаються пьезокерамические двигуни. Кожен має свій унікальний п'єзомодуль від 0,1 до 300 нм/В. Так, кераміка з коефіцієнтом розширення 0,1 нм/В дозволяє отримати переміщення 0,1 А при додатку напряженія100 mV, що достатньо для отримання атомного розрізнення. Для отримання великих діапазонів сканування (до декількох сотень мікрон) використовується п'єзокераміка з великими значеннями п'єзомодуль.
Конструкції з п'єзокераміки, які забезпечують пересування по трьох координатах x, y (в латеральної площині зразка) і z (по вертикалі), називаються «сканерами». Існує кілька типів сканерів, найбільш поширеними з яких є триногий і трубчастий (рис. 4).
У триногому сканері переміщення по трьох координатах забезпечують розташовані в ортогональну структуру трьох незалежні п'єзокераміки.
Трубчасті сканери працюють допомогою вигину порожнистої п'єзоелектричної трубки в латеральної площині і подовження або стиснення трубки по осі z. Електроди, керуючі переміщеннями трубки в x і y напрямках, розміщуються у вигляді чотирьох сегментів по зовнішній поверхні трубки (рис. 4 б). Для вигину трубки в напрямку X, на + X кераміку подається напруга для подовження однієї із її сторін. Той же самий принцип використовується для завдання руху в напрямку Y. Зміщення в X і Y напрямках пропорційні прикладеній напрузі і квадрату довжини трубки. Рух у Z напрямку генерується подачею напруги на електрод у центрі трубки. Це призводить до подовження всій трубки пропорційно її довжині і прикладеній напрузі.
Процес сканування поверхні в СЗМ (рис. 5) має схожість сдвижением електронного променя по екрану в електроннопроменевій трубці телевізора. Зонд рухається уздовж лінії (рядки) спочатку в прямому, а потім у зворотному напрямку (рядкова розгортка), потім переходить на наступний рядок (кадрова розгортка). Рух зонда здійснюється спомощью сканера невеликими кроками під дією пилкоподібних напруг, що подаються з генератора розгортки (зазвичай, цифро-аналогового перетворювача). Реєстрація інформації про рельєф поверхні проводиться, як правило, на прямому проході.
До числа основних параметрів, обираних перед початком сканування, відносяться:
розмір скана;
число точок на лінії NX і ліній в скане NY, що визначають крок сканування?;
швидкість сканування.
Параметри сканування вибираються виходячи з попередніх даних (розміру характерних поверхневих особливостей), які є у дослідника про об'єкт дослідження.
При виборі ...
