Сканирующий атомно-силовой микроскоп - сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание иглы от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера иглы и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером.

В основе атомно-силового микроскопа лежит использование сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Если два атома находятся на малом расстоянии друг от друга (примерно одного ангстрема, 1 Ǻ = 10–8 см), то на них действуют силы отталкивания, если на большом – то силы притяжения. Этот же принцип действует и для любых сближающихся тел, коими в сканирующем атомно-силовом микроскопе являются исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Как правило, в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца – сканирует эту поверхность.

При изменении силы, действующей между поверхностью и острием, упругий элемент (пружинка), на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрирует датчик. Датчиками в атомно-силовом микроскопе могут служить любые особо точные и чувствительные – прецизионные – измерители перемещений, в частности оптические, емкостные или туннельные датчики. По величине отклонения пружинки можно судить о высоте рельефа – топографии поверхности и об особенностях межатомных взаимодействий. Главное отличие между атомно-силовым и сканирующим туннельным микроскопом состоит в том, что в атомно-силовом микроскопе сканирование исследуемого образца происходит по «поверхности постоянной силы», а в сканирующем туннельном микроскопе – по поверхности постоянного туннельного тока.

Основными техническими сложностями при создании микроскопа являются:

-Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

- Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

- Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

- Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

- Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

 

Использование атомно-силового микроскопа дает возможность на атомном уровне проводить анализ структур разнообразных твердых материалов, таких как стекло, керамика, пластики, металлы, полупроводники. В отличие от сканирующих туннельных микроскопов, при использовании атомно-силовых микроскопов измерение можно проводить не только в вакууме, но и на воздухе, в атмосфере любого газа и даже в капле жидкости, при использовании атомно-силового микроскопа не требуется, чтобы образец проводил электричество. Все это делает атомно-силовой микроскоп незаменимым для исследования биологических объектов, например - кристаллов аминокислот, белков, клеточных мембран, молекул ДНК и других макромолекул и многого другого.

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдо трёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрон². Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.
Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-скана, как правило, требуется несколько минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Достаточно медленная скорость развёртки АСМ часто приводит к появлению на изображении искажений, вызываемых тепловым дрейфом (Lapshin, 2004, 2007), ограничивая тем самым возможности микроскопа при точном измерении элементов сканируемого рельефа. Однако было предложено несколько быстродействующих конструкций, чтобы увеличить производительность сканирования микроскопа (Lapshin и Obyedkov, 1993), включая зондовый микроскоп, который был впоследствии назван видеоАСМ (удовлетворительного качества изображения были получены на видеоАСМ с частотой телевизионной развёртки, т.е. быстрее, чем на обычном РЭМ). Для коррекции искажений от термодрейфа было также предложено несколько методов (Lapshin, 2004, 2007).

Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера (Lapshin, 1995), а также перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, что может потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют программное обеспечение, которое вносит исправления в реальном масштабе времени (например, особенность-ориентированное сканирование, особенность-ориентированное позиционирование, Lapshin, 2004, 2007), либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы. Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используют XY и Z элементы сканера механически несвязанные друг с другом, что также позволяет исключить часть паразитных связей.
АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке.