Mapování elektrostatických a magnetických sil

Pokud se s hrotem mikroskopu atomárních sil pohybujeme ve větší vzdálenosti od povrchu (např. 20 nm), intenzita meziatomárních sil je poměrně malá. Dlouhodosahové síly, které zde převládají, jsou elektrostatického původu, případně magnetického původu, pokud pracujeme s feromagnetickými materiály. Mikroskop může být snadno využit pro objemové mapování takových sil, v tomto případě hovoříme o mikroskopii elektrostatických sil (EFM - electric force microscopy) a mikroskopii magnetických sil (MFM - magnetic force microscopy).

Pro měření elektrostatických sil postačuje využít vodivý hrot podobně jako při měření lokálního elektrického proudu (stejné je i zapojení, jen hrot není v kontaktu s povrchem). Hroty jsou většinou vyrobeny z dopovaného křemíku, případně jsou pokryty tenkou vodivou vrstvou, například platiny. Speciálním typem měření je mapování kontaktního potenciálu přiložením střídavého napětí mezi hrot a povrch a nulováním stejnosměrné složky napětí na hrotu (KPFM - Kelvin probe force microscopy) a měření kapacity systému hrot - povrch v kapacitní mikroskopii (SCM - Scanning capacitance microscopy).

Měření intenzity polí většinou provádíme hned v několika rovinách nad vzorkem, což nám umožňuje získat více dat do případné rekonstrukce rozložení náboje nebo magnetizace ve vzorku, navíc můžeme lépe odhadnout vliv dalších sil působících mezi hrotem a povrchem.

Pro měření magnetických sil je nutné použít hrot pokrytý magneticky tvrdým materiálem a před měřením jej zmagnetizovat, což se děje cívkou nebo permanentním magnetem. V některých mikroskopech je možné aplikovat magnetické pole na vzorek, většinou pomocí dlouhých pólových nástavců elektromagnetu umístěného stranou od vzorku. Mikroskopie magnetických sil nachází uplatnění především při studiu záznamových médií.

Schéma AFM při měření proudu a mapování elektrických polí

Kvantitativní měření

Z pohledu interpretace dat je patrně nejsnazším měřením mapování kontaktního potenciálu, kde dostáváme přímo hodnoty napětí, kterými je nutné tento kontaktní potenciál kompenzovat. Pokud povrch nevykazuje výrazné morfologické struktry, dají se výsledky přímo využít. U dalších metod je situace složitější, mezi hlavní zdroje nejistot u elektrostatických měření můžeme počítat následující vlivy:

  • vliv dlouhodosahových van der Waalsových sil,
  • vliv samotné sondy na rozložení elektrostatického pole.

I zde je ideálním způsobem interpretace dat výpočet rozložení elektrostatického pole mezi hrotem a povrchem pro každý bod snímku, což je nicméně numericky poněkud náročné.

Při měření magnetických polí se situace komplikuje ještě více, kromě výše uvedených jevů (v magnetickém mikroskopu můžeme předpokládat působení elektrostatických sil rovněž) musíme brát v potaz tyto jevy:

  • víceméně neznámé magnetické vlastnosti hrotu a jejich změny během měření,
  • nejednoznačnou závislost mezi magnetizací a rozložením pole (není možné snadno provést magnetizace ze známého pole).

Kvantitativní magnetická mikroskopie je proto stále velmi obtížná disciplína metrologie.


(c) CMI 2012

Novinky

Zveme vás na Seminář o metodách blízkého pole.

Snímek měsíce


Atomární schodky na Si

Kontakt

Oddělení primární nanometrologie a technické délky
Český metrologický institut
Okružní 31, 638 00 Brno
pklapetek(at)cmi.cz