eng
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
У атомно-силового микроскопа есть и другое название – сканирующий силовой микроскоп. При получении изображений с его помощью необходимо использовать обратную связь для контроля силы взаимодействия между зондом и образцом. Как правило, ее нужно поддерживать на минимальном значении, чтобы не деформировать образец и зонд в процессе измерений. Напротив, в нанолитографии и наноиндентировании следует прилагать большую силу, чтобы получить четкий рисунок на поверхности. В данной статье рассматривается, какие силы возникают и сколько энергии затрачивается при возникновении типичного дефекта в виде шестиконечной звезды на графите.
У атомно-силового микроскопа есть и другое название – сканирующий силовой микроскоп. При получении изображений с его помощью необходимо использовать обратную связь для контроля силы взаимодействия между зондом и образцом. Как правило, ее нужно поддерживать на минимальном значении, чтобы не деформировать образец и зонд в процессе измерений. Напротив, в нанолитографии и наноиндентировании следует прилагать большую силу, чтобы получить четкий рисунок на поверхности. В данной статье рассматривается, какие силы возникают и сколько энергии затрачивается при возникновении типичного дефекта в виде шестиконечной звезды на графите.
Теги: atomic force microscope defects force curve graphite scanning force microscope атомно-силовой микроскоп графит дефекты силовая кривая сканирующий силовой микроскоп
Получено: 16.03.2022 г. | Принято: 21.03.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
Научная статья
СИЛА СКАНИРУЮЩЕГО СИЛОВОГО МИКРОСКОПА
О.В.Синицына1, к.х.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0003-3381-6156
И.В.Яминский2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. МГУ имени М.В. Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. У атомно-силового микроскопа есть и другое название – сканирующий силовой микроскоп. При получении изображений с его помощью необходимо использовать обратную связь для контроля силы взаимодействия между зондом и образцом. Как правило, ее нужно поддерживать на минимальном значении, чтобы не деформировать образец и зонд в процессе измерений. Напротив, в нанолитографии и наноиндентировании следует прилагать большую силу, чтобы получить четкий рисунок на поверхности. В данной статье рассматривается, какие силы возникают и сколько энергии затрачивается при возникновении типичного дефекта в виде шестиконечной звезды на графите.
Ключевые слова: атомно-силовой микроскоп, сканирующий силовой микроскоп, силовая кривая, графит, дефекты
Для цитирования: Синицына О.В., Яминский И.В. Сила сканирующего силового микроскопа. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
Received: 16.03.2022 | Accepted: 21.03.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
Original paper
THE POWER OF A SCANNING FORCE MICROSCOPE
O.V.Sinitsyna1, Cand. of Sci. (Chemical), Researcher, ORCID: 0000-0003-3381-6156
И.В.Яминский2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. The atomic force microscope has still another name – the scanning force microscope. When imaging with it, feedback must be used to control the interaction force between the probe and the sample. Generally, it must be kept at a minimum value so as not to deform the sample and probe during measurements. In contrast, in nanolithography and nanoindentation a large force must be applied to produce a clear pattern on the surface. In this paper we consider the forces that are generated and how much energy is expended when a typical defect in the form of a six-pointed star on graphite occurs.
Keywords: atomic force microscope, scanning force microscope, force curve, graphite, defects
For citation: Sinitsyna O.V., Yaminsky I.V. The power of a scanning force microscope. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
ВВЕДЕНИЕ
Согласно одной из гипотез, фигура в виде звезды образуется при скалывании графита в местах, где есть дефекты, связывающие углеродные слои между собой. Упругая энергия деформации, возникающая в этих местах при расслоении графита, тратится в дальнейшем на развитие трещин и загиб лепестков. После скола на кадрах могут присутствовать сразу несколько звезд и гофрированных полосок.
Создать такой дефект может и сам экспериментатор. Например, можно выполнить не очень аккуратный подвод зонда с образцом. Зонд при подводе касается поверхности графита, а потом, под действием обратной связи, резко отлетает. В момент касания может произойти залипание зонда за счет сил адгезии, что приводит к увлечению верхнего слоя графита зондом с последующим разрывом слоя графита по кристаллографическим осям. Так возникает "звезда". Изображение такого дефекта представлено на рис.1. Подробнее о дефектах на графите можно прочитать в статье [1].
В атомно-силовом микроскопе силы измеряют по изгибу кантилевера. Зная изгиб кантилевера dZ и его механическую жесткость k, определяют силу F их перемножением F=kdZ. Следует помнить, что измеренное таким образом значение силы не определяет величину силы, возникающей в точке контакта зонд-образец. Чтобы не забывать об этом, следует посмотреть видеоролик "Атомно-силовой микроскоп. Как работает? Из чего сделан?" об атомно-силовой микроскопии на канале "Взгляд в наномир" в Youtube [3].
Давайте проведем измерение силовой кривой в атомно-силовом микроскопе. Типичный вид ее приведен на рис.2. При подводе с большого расстояния (около 1 мкм) вначале нет взаимодействия между зондом и образцом. Затем зонд слегка притягивается к образцу за счет сил Ван-дер-Ваальса. Дальше зонд и образец совершают синхронное движение. При обратном движении зонд увлекается в обратном направлении на большее расстояние за счет появления сил адгезии. В момент отрыва упругая сила со стороны кантилевера становится больше суммы сил адгезии и Ван-дер-Ваальса. Площадь образовавшегося треугольника равна работе силы, отрывающей кантилевер от образца. Для силовой кривой на рис.2 она составляет около 1,2 кэВ, т.е. это та энергия, которая могла пойти на разрыв связей в графите и образование "звезды".
Зная периметр звезды и количество составляющих ее слоев, можно оценить энергию образования звезды для двух случаев, когда разрыв слоев идет с образованием ступеней типа зигзаг и типа кресло (рис.3). Периметр звезды, показанной на рис.1, составляет 6079 нм, и она состоит из 5 углеродных слоев. Энергия связи между атомами углерода ~ 5 эВ. Таким образом, энергия образования подобного дефекта с краями типа зигзаг равна ~ 300 кэВ, с краями типа кресло ~ 350 кэВ. Видно, что различие в энергии образования звезд с двумя типами краев весьма небольшое, и, следовательно, близка вероятность встречи обоих дефектов при сканировании поверхности графита.
Если сравнить энергию образования звезды и работу силы адгезии, то в нашем эксперименте с помощью зонда атомно-силового микроскопа могла быть создана однослойная звезда с размером лепестков около 5 нм.
ВЫВОДЫ
В данной статье мы рассмотрели, как происходит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью образца на примере образования типичного дефекта в виде шестиконечной звезды на поверхности графита.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108 и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Meshkov G., Sinitsyna O., Yaminsky I. Dislocation superlattices on the surface of graphite. NANOINDUSTRY, 2009. No. 6. PP. 12–14.
Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY, 2016. No. 2. PP. 42–46.
Электронный источник: https://youtube.com/RHiGj5EYlsg
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Научная статья
СИЛА СКАНИРУЮЩЕГО СИЛОВОГО МИКРОСКОПА
О.В.Синицына1, к.х.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0003-3381-6156
И.В.Яминский2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф. МГУ имени М.В. Ломоносова, физический и химический факультеты, генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. У атомно-силового микроскопа есть и другое название – сканирующий силовой микроскоп. При получении изображений с его помощью необходимо использовать обратную связь для контроля силы взаимодействия между зондом и образцом. Как правило, ее нужно поддерживать на минимальном значении, чтобы не деформировать образец и зонд в процессе измерений. Напротив, в нанолитографии и наноиндентировании следует прилагать большую силу, чтобы получить четкий рисунок на поверхности. В данной статье рассматривается, какие силы возникают и сколько энергии затрачивается при возникновении типичного дефекта в виде шестиконечной звезды на графите.
Ключевые слова: атомно-силовой микроскоп, сканирующий силовой микроскоп, силовая кривая, графит, дефекты
Для цитирования: Синицына О.В., Яминский И.В. Сила сканирующего силового микроскопа. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 2. С. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
Received: 16.03.2022 | Accepted: 21.03.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
Original paper
THE POWER OF A SCANNING FORCE MICROSCOPE
O.V.Sinitsyna1, Cand. of Sci. (Chemical), Researcher, ORCID: 0000-0003-3381-6156
И.В.Яминский2, 3, 4, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof. of Lomonosov Moscow State University, Physical and Chemical departments, Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. The atomic force microscope has still another name – the scanning force microscope. When imaging with it, feedback must be used to control the interaction force between the probe and the sample. Generally, it must be kept at a minimum value so as not to deform the sample and probe during measurements. In contrast, in nanolithography and nanoindentation a large force must be applied to produce a clear pattern on the surface. In this paper we consider the forces that are generated and how much energy is expended when a typical defect in the form of a six-pointed star on graphite occurs.
Keywords: atomic force microscope, scanning force microscope, force curve, graphite, defects
For citation: Sinitsyna O.V., Yaminsky I.V. The power of a scanning force microscope. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 2. PP. 140–143. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.2.140.143
ВВЕДЕНИЕ
Согласно одной из гипотез, фигура в виде звезды образуется при скалывании графита в местах, где есть дефекты, связывающие углеродные слои между собой. Упругая энергия деформации, возникающая в этих местах при расслоении графита, тратится в дальнейшем на развитие трещин и загиб лепестков. После скола на кадрах могут присутствовать сразу несколько звезд и гофрированных полосок.
Создать такой дефект может и сам экспериментатор. Например, можно выполнить не очень аккуратный подвод зонда с образцом. Зонд при подводе касается поверхности графита, а потом, под действием обратной связи, резко отлетает. В момент касания может произойти залипание зонда за счет сил адгезии, что приводит к увлечению верхнего слоя графита зондом с последующим разрывом слоя графита по кристаллографическим осям. Так возникает "звезда". Изображение такого дефекта представлено на рис.1. Подробнее о дефектах на графите можно прочитать в статье [1].
В атомно-силовом микроскопе силы измеряют по изгибу кантилевера. Зная изгиб кантилевера dZ и его механическую жесткость k, определяют силу F их перемножением F=kdZ. Следует помнить, что измеренное таким образом значение силы не определяет величину силы, возникающей в точке контакта зонд-образец. Чтобы не забывать об этом, следует посмотреть видеоролик "Атомно-силовой микроскоп. Как работает? Из чего сделан?" об атомно-силовой микроскопии на канале "Взгляд в наномир" в Youtube [3].
Давайте проведем измерение силовой кривой в атомно-силовом микроскопе. Типичный вид ее приведен на рис.2. При подводе с большого расстояния (около 1 мкм) вначале нет взаимодействия между зондом и образцом. Затем зонд слегка притягивается к образцу за счет сил Ван-дер-Ваальса. Дальше зонд и образец совершают синхронное движение. При обратном движении зонд увлекается в обратном направлении на большее расстояние за счет появления сил адгезии. В момент отрыва упругая сила со стороны кантилевера становится больше суммы сил адгезии и Ван-дер-Ваальса. Площадь образовавшегося треугольника равна работе силы, отрывающей кантилевер от образца. Для силовой кривой на рис.2 она составляет около 1,2 кэВ, т.е. это та энергия, которая могла пойти на разрыв связей в графите и образование "звезды".
Зная периметр звезды и количество составляющих ее слоев, можно оценить энергию образования звезды для двух случаев, когда разрыв слоев идет с образованием ступеней типа зигзаг и типа кресло (рис.3). Периметр звезды, показанной на рис.1, составляет 6079 нм, и она состоит из 5 углеродных слоев. Энергия связи между атомами углерода ~ 5 эВ. Таким образом, энергия образования подобного дефекта с краями типа зигзаг равна ~ 300 кэВ, с краями типа кресло ~ 350 кэВ. Видно, что различие в энергии образования звезд с двумя типами краев весьма небольшое, и, следовательно, близка вероятность встречи обоих дефектов при сканировании поверхности графита.
Если сравнить энергию образования звезды и работу силы адгезии, то в нашем эксперименте с помощью зонда атомно-силового микроскопа могла быть создана однослойная звезда с размером лепестков около 5 нм.
ВЫВОДЫ
В данной статье мы рассмотрели, как происходит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью образца на примере образования типичного дефекта в виде шестиконечной звезды на поверхности графита.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Лондонского Королевского Общества № 21-58-10005, Фонда содействия инновациям, проект № 71108, договор 0071108 и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Meshkov G., Sinitsyna O., Yaminsky I. Dislocation superlattices on the surface of graphite. NANOINDUSTRY, 2009. No. 6. PP. 12–14.
Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY, 2016. No. 2. PP. 42–46.
Электронный источник: https://youtube.com/RHiGj5EYlsg
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
