9. Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych
9.1. Uwagi wstępne
Jak już wspominano, w czasie skanowania powierzchni za pomocą statycznego mikroskopu sił atomowych belka wychyla się nie tylko pionowo, ale ulega również skręceniu wzdłuż swojej osi podłużnej. Zakłada się, że pionowe wychylenie ostrza w stosunku do badanej powierzchni odwzorowuje topografię preparatu, a kąt pochyle-nia ostrza (innymi słowy – skręcenie belki) w stosunku do próbki jest miarą sił tarcia1
występujących między ostrzem a powierzchnią. Jednoczesny pomiar topografii i sił tarcia występujących w czasie skanowania powierzchni, przeprowadzany w trybie mikroskopii sił tarcia (ang. Lateral Force Microscopy – FFM lub LFM), daje możli-wość oceny właściwości trybologicznych preparatu. Wyjaśnienie istoty sił tarcia mię-dzy ostrzem a powierzchnią było przedmiotem wielu prac [213]. Rozważania takie wygodnie jest prowadzić, przyjmując następujący podział:
♦ Siły tarcia w skali atomowej. Zjawisko tarcia w skali atomowej po raz pierw-szy zaobserwował McClelland [28] w czasie skanowania powierzchni grafitu za pomocą ostrza wolframowego, a interpretację tego zjawiska podał w opracowaniu [270]. W modelu tym atom ostrza dźwigni pomiarowej B (rys. 9.1) jest zawieszony na sprężynie o stałej sprężystości k, na stałej wysokości ponad badaną powierzchnią
A. Energia potencjalna atomowej końcówki ostrza, znajdującej się w nieskończenie
dużej odległości od preparatu, jest zaznaczona na rysunkach 9.1a–d jako parabola
VB. Energia potencjalna wyznaczona przez atomy rozłożone na powierzchni jest natomiast opisana funkcją okresową Vs (rys. 9.1a–d). Chwilową energię potencjalną atomu B znajdującego się w polu oddziaływań atomów powierzchni wyznacza w tym przypadku na podstawie równania
). ( )
(t V V t VF = B+ S
W czasie skanowania powierzchni zmianom ulega zatem rozkład energii poten- cjalnej atomu ostrza opisywany wzdłuż osi skanowania X. W rozkładzie tym poja-
_____________
Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych i sił tarcia 139 wiają się minima energetyczne, które odpowiadają energii potencjalnej, jaką przyj- muje ostrze w czasie przesuwu wzdłuż atomów tworzących powierzchnię próbki. W przedstawianej analizie, gdy sonda zajmuje pozycję między atomami powierzchni w rozkładzie energii potencjalnej pojawia się jedno wyraźne minimum (rys. 9.1a). W czasie przesuwu wzdłuż osi X w przebiegu tym można wskazać kolejne minima, których układ będzie się zmieniać w zależności od położenia ostrza w stosunku do atomów na powierzchni preparatu (rys. 9.1b,c). Przejściu atomu B ze stanu równowagi nietrwałej (rys. 9.1c) do stanu energii potencjalnej, odpowiadającej minimum global-nemu (rys. 9.1d), towarzyszy rozpraszanie energii w postaci drgań struktury krysta-licznej. Proces przejścia ostrza pomiarowego, obserwowany w skali atomowej od pozycji przedstawionej na rysunku 9.1c do pozycji z rysunku 9.1d jest odpowiedni-kiem przejścia między tarciem statycznym a dynamicznym, obserwowanym w skali makroskopowej, i nazywany jest efektem stick-slip [271]. Efekt ten umożliwia odwzo-rowanie tzw. korugacji atomowej powierzchni [272]. Korugacja ta jest obrazem struk-tury, którą tworzą elementy rozmieszczone w odległościach odpowiadającej stałej krystalograficznej sieci badanego preparatu. Jednocześnie jednak obraz ten nie odpo-wiada kształtowi topografii pierwszej monowarstwy powierzchni.
a) b) c) d)
Rys. 9.1. Zjawisko tarcia między mikroostrzem pomiarowym a atomową powierzchnią wg [270]
♦ Siły tarcia w skali submikrometrowej mają szczególne znaczenie w przypadku układów mikrosystemowych, gdzie o tarciu decyduje:
y chropowatość poruszających się względem siebie elementów,
y oddziaływania dynamiczne między molekułami pokryć osadzonych na po-wierzchni ruchomych części.
Jedną z dziedzin ilustrujących konieczność opracowywania i stosowania nowych metod pomiaru zjawisk trybologicznych występujących w mikro- i nanoświecie jest
magnetyczny zapis informacji cyfrowych. W przypadku dysków twardych o szybkości dostępu do zapisanych danych decyduje prędkość obrotowa dysku magnetycznego. Decydujący wpływ na prędkość wirowania ma z kolei tarcie występujące między głowicą czytnika a pokryciami smarującymi i ochronnymi płyty magnetycznej. Pokry-cia te stanowią z reguły: warstwa diamentopodobna (ang. Diamond Like Carbon – DLC), zapewniająca twardość i odporność na ścieranie, oraz cienki film polimero-wy, zmniejszający tarcie między głowicą czytnika zawieszoną na poduszce powietrz-nej a wirującym podłożem. Przewiduje się, że w przypadku twardych dysków o gęsto-ści zapisu około 1,5 Gb/cm2 wysokość zawieszenia głowicy czytnika wynosić będzie około 5 nm, grubość pokrycia diamentopodobnego będzie równa około 5 nm, jego średniokwadratowa chropowatość powinna natomiast wynosić około 1 nm [273]. Przewiduje się również, że warstwę smarującą nałożoną na podłoże diamentopodobne stanowić będzie film fluoropolyeteru o grubości 1 nm [273]. Przedstawiona charakte-rystyka wskazuje jednoznacznie, że jednymi z najważniejszych metod, umożliwiają-cymi pomiary tego typu właściwości, są mikroskopia sił atomowych i mikroskopia sił tarcia. Metody te umożliwiają bowiem odwzorowanie kształtu powierzchni i jej wła-ściwości mechanicznych w skali pojedynczych nanometrów przy naciskach ostrza na preparat zmieniających się w zakresie od 1 nN do 10 μN [274, 275].
Do detekcji sił tarcia między ostrzem a powierzchnią za pomocą mikroskopu sił atomowych stosuje się powszechnie natężeniowe detektory optyczne [114]. Detektory te umożliwiają obserwację ugięcia torsyjnego dźwigni, zmieniającego się pod wpły-wem siły tarcia. Należy jednak jednocześnie wskazać, że w przypadku detektorów natężeniowych procedura ilościowego określania wartości siły tarcia działającej na mikroostrze jest nadzwyczaj utrudniona lub wręcz niemożliwa. Analizy przeprowa-dzone przez autora monografii w przypadku dźwigni piezorezystywnych wykazały, że dźwignie takie są nieczułe na naprężenia torsyjne, występujące wówczas, gdy po-wierzchnia jest skanowana w kierunku prostopadłym do osi podłużnej czujnika [156,
276]. Zastosowanie prostej belki piezorezystywnej w mikroskopii sił tarcia
atomowe-go wymagało nowej techniki pomiarowej, nazywanej metodą modulacji poziomej [277]. Idea tej metody pomiarowej polega na modulacji położenia preparatu w kierun-ku osi podłużnej dźwigni pomiarowej. W objętości belki powstają w takim przypadkierun-ku naprężenia podłużne, które są związane z tarciem między ostrzem a powierzchnią oraz z topografią preparatu. Jeśli częstotliwość modulacji położenia preparatu jest dużo większa od górnej częstotliwości regulatora PI, sygnały z detektora piezorezystywne-go, związane z tarciem i topografią powierzchni, mogą być od siebie rozdzielone [277]. Zalety tej metody pomiarowej wiążą się głównie z możliwością pomiaru (a nie tylko detekcji) sił tarcia występujących między ostrzem a powierzchnią. Tarcie można obliczyć w tym przypadku na podstawie znajomości współczynników piezorezystyw-nych krzemu i wymiarów geometryczpiezorezystyw-nych dźwigni.
Druga metoda detekcji sił tarcia w mikroskopie sił atomowych wiąże się z zasto-sowaniem różnicowych dźwigni piezorezystywnych [156]. Dźwignie takie tworzy układ dwóch ramion połączonych w kształcie litery U. W każdym z ramion czujnika
Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych i sił tarcia 141 jest umieszczony mostkowy detektor piezorezystywny. Zakłada się, że podczas ob-serwacji topografii (tzn. pionowego ugięcia belki) sygnał otrzymany po sumowaniu sygnałów z obydwu detektorów odpowiada kształtowi powierzchni. W przypadku zaś obserwacji sił tarcia sygnały z obydwu mostków są od siebie odejmowane. Najwięk-szą wadą konstrukcji opisanej w pracy [156] była mała częstotliwość rezonansowa czujnika oraz jego duża stała sprężystości odnoszona do płaszczyzny działania sił tarcia.