Достаточное условие надёжности измерений рельефа поверхности образца методом атомно-силовой микроскопии

Рассмотрены проблемы наноизмерений рельефа поверхности при экспериментальных исследованиях её разрушения под действием внешнего физического процесса, например эрозии поверхности твёрдого тела под действием мощных пучков заряженных частиц в различных внешних условиях, либо в условиях трения двух поверхностей. В настоящее время результаты измерений рельефа поверхности образцов в нанометровом диапазоне имеют вероятностный характер и не могут считаться надёжными и достоверными, если не указаны параметры неровностей поверхности образца и зонда, углы при вершине зонда и наклона кантилевера, а также наилучшее разрешение (наименьший шаг) измерений. Для повышения надёжности измерений рельефа поверхности с помощью атомно-силовых микроскопов необходимо в несколько раз повысить точность изготовления зондов, а также использовать зонды с наименьшим возможным углом при вершине. Кроме того, необходимо внести изменения в конструкцию микроскопов, в частности предусмотреть автоматический поворот предметного стола, чтобы направление оси зонда было близким к нормали к средней плоскости образца, а также геометрически увеличить длину консоли микроскопа, чтобы её основание было расположено за пределами образца. Предложено достаточное условие определения надёжности измерений рельефа поверхности образца методом атомно-силовой микроскопии для относительно небольших углов наклона кантилевера. Создана простая геометрическая модель определения нелокального контакта зонда и шероховатой поверхности. Установлена связь между основными геометрическими параметрами шероховатости поверхности, геометрическими отклонениями зонда, углов наклона кантилевера и наклона боковых граней зонда, а также размерами нелокальной точки вероятного контакта его боковых граней с выступами шероховатости. В качестве достаточного условия надёжности указанных измерений методом атомно-силовой микроскопии принято очевидное требование малости отношения размеров нелокальной точки к расстоянию между соседними нелокальными точками. 

1. Haugstad G., Atomic Force Microscopy: Understanding Basic Modes and Advanced Applications, JohnWiley & Sons, Inc., 2012, 520 p.

2. Vesely J., Nanoscale AFM and TEM Observations of Elementary Dislocation Mechanisms, Springer International Publishing AG, 2017, 100 p. DOI: 10.1007/978-3-319-48302-3

3. Springer Handbook of Nanotechnology, ed. Bhushan B., Springer-Verlag GmbH, 2017, 1704 p.

4. Aff errante L., Bottig lione F., Putignano C., Persson B. N. J., Carbone G., Tribology Letters, 2018, vol. 66, no. 75. DOI:10.1007/s11249-018-1026-x

5. Кравчук А. С., Кравчук А. И., Рымуза З., Валбуса У., Буцо Р. Теоретические основы идентификации фрактальности поверхности твердого тела // Трение и износ. 2011. Т. 32. № 5. С. 445–450.

6. Kravchuk A. S., Kravchuk A. I., Rymuza Z., Technische Mechanik, 2004, band 24, heft 2, pp. 116–124.

7. Кравчук А. С. Нелокальный контакт шероховатых тел по эллиптической области // Известия РАН. Механика твёрдого тела. 2005. № 3. C. 42–52.

8. Демкин Н. Б. Теория контакта реальных поверхностей и трибология // Трение и износ. 1995. Т. 16. № 6. С. 1003–1025.

9. Кузнецова Т. А. Применение атомно-силовой микроскопии в методах индентирования // Материалы VII Международного семинара «Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии», Минск, Беларусь, 1–3 ноября 2006. Минск: ИТМО НАНБ, 2006. С. 246–251.