Новости науки 19.03.01. Консервативные и диссипативные силы в атомном силовом микроскопе

Атомная силовая микроскопия (АСМ) -- мощный экспериментальный метод исследования поверхности на микроскопическом и атомном уровне. Однако несмотря на уже достаточно долгое и успешное его применение, до сих пор не были изучены в деталях силы, возникающие между острием атомного силового микроскопа и исследуемой поверхностью. В работе [B.Gotsmann and H.Fuchs, Phys.Rev.Lett. 86, 2597 (2001)] такой анализ был, наконец, проведен.

Авторы этой работы справедливо замечают, что применения АСМ не должны ограничиваться просто "снимками" профиля исследуемой поверхности. В частности, до сих пор игнорировалась возможность изучить и проанализировать все типы сил, которые возникают между иглой АСМ и поверхностью. Такие исследования были бы интересны как с точки зрения фундаментальных исследований межатомных сил, так и для более аккуратного и контролируемого применения АСМ. Интересно отметить, что в таком подходе несколько смещаются акценты: ранее АСМ был лишь прибором для исследования поверхности, а теперь он сам становится частью исследуемой системы.

Методика измерения сил в АСМ, использованная в этой работе, заключается в следующем. Острие АСМ расположено на конце микроскопического рычага, обладающего собственной резонансной частотой и некоторым коэффициентом затухания колебаний. Когда острие АСМ движется вблизи поверхности и ощущает на себе воздействие межатомных сил, то резонансная частота колебания рычага смещается. Кроме того, если между острием и поверхностью существуют какие-либо диссипативные силы, то они приведут к большему коэффициенту затухания колебаний. Таким образом, измеряя резонансную частоту и добротность колебаний, можно исследовать как консервативные (потенциальные), так и диссипативные силы.

Рис.1 а) Зависимость консервативной силы взаимодействия иглы АСМ с поверхностью от расстояния между ними; b) разность между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями.

Результат измерения консервативных сил показан на Рис.1. Здесь представлены экспериментальные данные и результаты теоретических предсказаний (сплошная кривая) [V.M.Muller et al, J. Colloid. Interface Sci. 77, 91 (1980)] для силы между острием и поверхностью. По оси абсцисс отложено абсолютное расстояние в нанометрах между острием и поверхностью (отрицательные значения расстояния означают, что острие вдавливается в поверхность), по оси ординат -- сила в наноньютонах. Заметим, что в этом сравнении нет никаких подгоночных параметров: предсказания сравниваются с данными напрямую.

Видно, что как на больших, так и на очень малых расстояниях имеется очень хорошее согласие между двумя графиками. На расстояниях в несколько ангстрем есть, однако, существенное расхождение. По-видимому, это связано с тем, что сила притяжения в теоретических предсказаниях базировалась лишь на ван-дер-ваальсовом взаимодействии. В реальности же на таких расстояниях должна сильно проявляться и дополнительная сила притяжения, обусловленная взаимодействием электронов острия и поверхности. В подтверждение этой гипотезы авторы приводят график разности между двумя кривыми (см. вставку на Рис.1) и указывают на ее примерно экспоненциальное падение с расстоянием. А экспонента -- это как раз тот закон, по которому электронные облака затухают на больших расстояниях от атома.

Рис.2 Зависимость мощности, рассеиваемой при движении острия АСМ над поверхностью, от расстояния до нее.

Вторая часть работы заключалась в измерении диссипативного взаимодействия между иглой АСМ и поверхностью -- некой эффективной силы трения при движении острия АСМ над поверхностью. На Рис.2 показана диссипативная мощность как фукнция расстояния. Видно, что (1) эффект трения существует и при довольно больших расстояниях между иглой и поверхностью и (2) асимптотически, при больших расстояниях дополнительный коэффициент затухания ведет себя обратно пропорционально кубу расстояния (кривая g₃).

Природа этой силы пока не выяснена. С одной стороны, в литературе существует несколько моделей подобных сил, но с другой стороны, эти модели зачастую противоречат друг другу и, кроме того, дают типичные значения диссипативных сил, значительно меньшие полученных в эксперименте. Поэтому авторы работы воздерживаются от постулативных утверждений на эту тему.

перейти к началу страницы