Группа японских ученых разработала методику, с помощью которой атомно-силовой микроскоп можно использовать для получения цветных изображений. Кроме информации о топографии поверхности такой микроскоп измеряет значения трех параметров потенциала Морзе, которые затем преобразуют в цветовой код с информацией о локальном химическом составе. Исследование опубликовано в Applied Physics Letters.

Атомно-силовая микроскопия — один из наиболее точных современных микроскопических методов. С помощью очень тонкой иголки с нанометровым острием, которая отклоняется при контакте с исследуемым материалом, можно получать данные о рельефе поверхности с атомарным разрешением. 

Часто при микроскопическом исследовании материала хочется не только знать форму анализируемой поверхности, но и каким-то образом определить химический состав тех или иных особенностей рельефа поверхности. Электронную микроскопию для похожих целей часто объединяют, например, с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией, которая дает информацию о локальном элементном составе анализируемого образца. При атомно-силовой микроскопии анализ элементного состава пока не проводится, но кроме непосредственно топографии поверхности, она позволяет получить и дополнительную информацию о механических и физических свойствах поверхности.

Цветное изображение поверхности кремния, полученное с помощью предложенного метода. P. E. Allain et al./ Applied Physics Letters, 2017

Сейчас основным методом получения изображений с помощью атомно-силовой микроскопии является так называемый полуконтактный метод, при котором иголка микроскопа совершает вертикальные колебания с определенной частотой и определенной амплитудой. Иголка подводится к поверхности на определенное расстояние так, чтобы ее кончик касался поверхности, находясь в нижней части своей траектории. Дополнительную информацию из этих измерений можно извлечь, проанализировав изменения амплитуды, фазы и частоты колебаний при контакте с образцом. И если фазовый контраст исследователи иногда используют в качестве дополнительной информации об исследуемой поверхности, то остальные данные ученые анализируют достаточно редко.

В своей работе японские ученые предложили схему математической обработки зависимости частоты колебаний иголки микроскопа от расстояния до образца. Характерную кривую, которую ученые получали в качестве сигнала, они описывали с использованием потенциала Морзе, который характеризует электростатическое взаимодействие двух атомов в зависимости от расстояния между ними.

Зная частоту собственных колебаний иголки, частоту внешнего источника колебаний и сдвиг частоты при контакте с поверхностью, можно получить информацию о химических свойствах поверхности. В результате из параметров потенциала Морзе ученые получали значения трех величин: глубины потенциальной ямы, равновесного расстояния и длины затухания. По словам ученых, эти три параметра служат своеобразными «отпечатками пальцев» для атома на поверхности.

После этого три параметра нормировались и преобразовывались в цветовой код, где глубине потенциальной ямы присваивался синий цвет, равновесному расстоянию — красный, а длине затухания — зеленый.

Параметры эффективного потенциала Морзе для атомов на поверхности кремния, преобразованные в RGB-схему. P. E. Allain et al./ Applied Physics Letters, 2017

Объединяя три цветовых канала, можно получить цветное изображения с полной информацией о потенциале Морзе и, соответственно, зависимость химического состава от положения на поверхности.

Открытыми остаются вопросы о применимости потенциала Морзе для описания зависимости частоты от расстояния в данном эксперименте. Ученые также отмечают, что соответствие полученных параметров потенциала Морзе действительному химическому составу поверхности полностью не проверено. Тем не менее предложенный учеными выбор параметров для получения цветного изображения выглядит довольно перспективным для дальнейшего использования в материаловедении.

Использование атомно-силовой микроскопии не ограничивается исследованием структуры неорганических материалов. Так, ученым удалось приспособить ее для диагностирования рака и управления терагерцовыми лазерами. При этом некоторые модификации атомно-силовых микроскопов уже можно уместить на небольшом чипе.

Автор: Александр Дубов