Комплексное влияние параметров системы зонд– образец на режим колебаний зонда и формирование биустойчивости в полуконтактной атомно-силовой микроскопии

Включение полуконтактного режима атомно-силовой микроскопии не гарантирует реализации именно прерывисто-контактного взаимодействия: в зависимости от сочетания параметров система зонд–образец может вместо этого проявлять бесконтактное (притягивающее) либо смешанное поведение. Последнее является нежелательным из-за нестабильности сканирования, известной как биустойчивость колебаний зонда. Целью данной работы являлось выявление влияния каждого из комплекса параметров зонда (изгибная жёсткость и добротность), образца (модуль Юнга, постоянная Гамакера) и сканирования (амплитуда колебаний пьезогенератора) на реализацию биустойчивого режима взаимодействия, а также нахождение условий достижения стабильного полуконтактного взаимодействия зонда и образца. Решалось уравнение колебаний острия зонда с учётом упруго-адгезионного контакта зонда и образца по модели Джонсона–Кенделла–Робертса. Получены зависимости характеристик динамического взаимодействия зонда и образца от расстояния между зондом и образцом. Зависимости проанализированы на предмет переключения между отталкивающим и притягивающим режимами взаимодействия. Результаты наглядно демонстрируют, какой из режимов динамического взаимодействия реализуется при том или ином сочетании параметров, и применимы на практике для выбора зондов. Получены закономерности: упругий (собственно полуконтактный) режим взаимодействия реализуется при повышении амплитуды колебаний пьезоэлемента, более высоких значениях жёсткости и добротности зонда, модуля Юнга материала образца и/или при более низких значениях постоянной Гамакера образца. Более высокие значения постоянной Гамакера и/или меньшие значения остальных параметров приводят к смешанному режиму взаимодействия. При еще более высокой постоянной Гамакера и дальнейшем снижении величин других параметров возможна реализация адгезионного режима (бесконтактная атомно-силовой микроскопия).

1. Abetkovskaia SO, Chizhik SA. Complex influence of probe and material characteristics, amplitude of piezogenerator vibration on probe oscillation mode in tapping atomic force microscopy. Methodological aspects of scanning probe microscopy : XIV International Conf., dedicated to the memory of Tatiana Anatolievna Kuznetsova, Minsk, October 21–24, 2025: proceedings. 2025;99-103. (In Russ.).

2. Derjaguin BV, Muller VM, Toporov YuP. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. J. of Colloid and Interface Sci. 1975;53(2):314-326. DOI: 10.1016/0021-9797(75)90018-1

3. García R, Pérez P. Dynamic atomic microscopy methods. Surf. Sci. Rep. 2002;47:197-301. DOI: 10.1016/S0167-5729(02)00077-8

4. Keyvani A. Tamer MS, van Wingerden J-W, Goosen JFL, van Keulen F. A comprehensive model for transient behavior of tapping mode atomic force microscope. Nonlinear Dynamics.2019;97:1601-1617. DOI: 10.1007/s11071-019-05079-2

5. Gleyzes P, Kuo PK, Boccara A. Bistable behavior of a vibrating tip near a solid surface. Appl. Phys. Lett. 1991;58(25):2989-2991. DOI: 10.1063/1.104690

6. Sarid D. Scanning force microscopy with applications to electric, magnetic and atomic forces. New York; 1994.263 p.

7. Anczykowski B, Krüger D, Babcock KL, Fuchs H. Basic properties of dynamic force spectroscopy with the scanning force microscope in experiment and simulation. Ultramicroscopy. 1996;66(3-4):251-259. DOI: 10.1016/S0304-3991(97)00002-8

8. Nony L, Boisgard R, Aime JP. Nonlinear dynamical properties of an oscillating tip–cantilever system in the tapping mode. J. of Chem. Phys. 1999;111(4):1615-1627. DOI: 10.1063/1.479422

9. García R, San Paulo A. Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Phys. Rev. B. 1999;60(7):4961-4967. DOI: 10.1103/PhysRevB.60.4961

10. San Paulo Á, García R. Unifying theory of tapping-mode atomic-force microscopy. Phys. Rev. B. 2002;66:041406(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.66.041406

11. Kiracofe D, Melcher J, Raman A. Gaining insight into the physics of dynamic atomic force microscopy in complex environments using the VEDA simulator. Rev. of Sci. Instr. 2012;83(1):013702. DOI: 10.1063/1.3669638

12. Li YingZi, Qian JianQiang, Li XiaoFeng, Li Yuan, Hua BaoCheng, Yao JunEn. Elimination of bistability in constant-phase mode in atomic force microscopy. Appl. Phys. 2012;57(5):460-465. DOI: 10.1007/s11434-011-4825-0

13. Söngen H, Bechstein R, Kühnle A. Quantitative atomic force microscopy. J. of Phys.: Condensed Matter. 2017;29:274001. DOI: 10.1088/1361-648X/aa6f8b

14. Abetkovskaia SО, Chizhik SА. Influence of the probe spring constant and the quality factor on its oscillation characteristics in dynamic mode of atomic force microscopy. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2024;68(6):513-518. DOI: 10.29235/1561-8323-2024-68-6-513-518

15. Abetkovskaia SO, Chizhik SA, Guangbin Yu. Tapping mode of an atomic force microscope with a probe cantilever of a low spring constant. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-tekhnichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2025;70(1):57-68. DOI: 10.29235/1561-8358-2025-70-1-57-68