Катализ, рост тонких пленок и многое другое – во всех этих явления важнейшую роль играют поверхностные химические силы. Борис Альберс из Йельского университета предлагает новый способ экспериментального определения поверхностного силового поля на примере графита с использованием атомно-силового микроскопа. Карта распределения сил показана с пикометровым и пиконьютонным разрешением, которое позволяет определить детальные характеристики взаимодействия поверхности и щупа микроскопа в трех измерениях. Определены положения всех атомов и различия между атомами в неэквивалентных позициях.
Графит, графен, нанотрубки и другие материалы с sp2-связями интересны своими необычными свойствами. Графит, например, – прекрасный твердый смазочный материал. Его малый коэффициент трения связывают с проявлением сверхсмазывающей способности. Однако скорее всего это свойство определяется природой особого поверхностного потенциала, до сих пор не изученного экспрериментально. Другим популярным применением sp2-связанных материалов является электроника. Ключевым моментом успешного применения углеродных материалов в этой области является понимание механизмов их роста и особенностей химии поверхности. Поверхностное окисление позволяет управлять электронно-транспортными свойствами.
Традиционная атомно-силовая микроскопия не может дать информацию обо всех этих эффектах, поэтому для их наблюдения ученые использовали количественное зондирование поверхностного силового поля. Данный метод существенно расширяет границы возможностей АСМ, позволяя получать достоверную информацию о химических связях с высоким разрешением.
В самом простом варианте АСМ по величине отклонения кантилевера измеряется нагрузка на острие закрепленного на нем зонда. Находясь близко к поверхности, но не касаясь ее, зонд способен обеспечить атомное разрешение, однако большие градиенты сил на таком расстоянии вызывают нестабильность положения кантилевера. Для того, чтобы избежать этого, вызывают осцилляцию основания кантилевера с частотой aex. Это влияет на изменение собственной частоты колебания Df из-за взаимодействия с образцом с силой Fz при удержании постоянной амплитуды колебания кантилевера Acant. Таким образом, бесконтактная АСМ (БК АСМ) представляет скорее карту Df, чем сил или энергий.
Чтобы восстановить потенциал взаимодействия E, нужно знать все изменения Df(z), что было успешно проделано для определения зависимости расстояния "зонд - образец" от силы взаимодействия. К сожалению, использование этого метода для получения высококачественных изображений требует увеличения времени эксперимента на два порядка и более . В результате этого резко возрастает роль дрейфа сигнала, приводящего к снижению разрешения зависимостей Df(x, y) либо Df(x, y, z). В качестве возможного решения этой проблемы предлагается запись не индивидуальных кривых Df(z), а целых изображений с последующей коррекцией дрейфа (Рис. 1).
Сначала (Рис. 1а) данные собираются вплоть до высоты h0, на которой пропадает местный контраст. Сравнение этих изображений на разных высотах (Рис. 1b) позволяет скорректировать латеральный дрейф, а экстраполяцией можно даже вовсе избавиться от латерального дрейфа на высотах со слабым контрастом. Чтобы учесть дальние взаимодействия, данные, полученные при h<h0, дополняются данными, полученными на больших высотах, где перестает проявляться местный контраст (Рис. 1c). Затем из полученных данных (Рис. 1d) рассчитываются кривые E(z) и F(z), что приводит к получению бездрейфовых карт E(x, y, z) и F(x, y, z) (Рис. 1e).
Пример использования этого метода приведен на Рис. 2. Использованный образец был получен раскалыванием высокоориентированного пиролитического графита на воздухе с последующим нагревом в вакууме до 425 К в течение 30 мин. Итоговая трехмерная карта показана на Рис. 2c. Кроме того, удалось определить, что области нормального взаимодействия "зонд-образец" окружены кольцевыми областями, где наблюдаются сильные взаимодействия вплоть до 120 пН (Рис. 3). Асимметрия области отвечает асимметрии зонда. Скользящие слои будут захватываться этими кольцами, двигаясь прерывисто, что находит экспериментальное подтверждение.
