Scannende atomkraftmikroskop

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. april 2021; checks kræver 9 redigeringer .

Atomic force microscope (AFM, eng.  AFM - atomic-force microscope ) er et højopløsnings scanning probe mikroskop . Nødvendig for at bestemme overfladetopografien med en opløsning fra 10 −9  m til atom[ angiv ] .

I modsætning til et scanningstunnelmikroskop kan et atomkraftmikroskop undersøge både ledende og ikke-ledende overflader.

Atomkraftmikroskopet blev skabt i 1982 af Gerd Binnig , Kelvin Quayt og Christopher Gerber i Zürich (Schweiz), som en modifikation af det tidligere opfundne scanningstunnelmikroskop.

For at bestemme overfladerelieffet af ikke-ledende legemer blev der brugt en elastisk cantilever ( cantilever ), hvis afvigelse igen blev bestemt af ændringen i størrelsen af ​​tunnelstrømmen, som i et scanning tunneling mikroskop [1] . Denne metode til at detektere ændringer i cantileverens position viste sig imidlertid ikke at være den mest succesrige, og to år senere blev et optisk skema foreslået: en laserstråle rettes mod den ydre overflade af cantileveren, reflekteres og rammer en fotodetektor [2] . Denne metode til registrering af cantilever-afbøjningen er implementeret i de fleste moderne atomkraftmikroskoper.

Oprindeligt var atomkraftmikroskopet i virkeligheden et profilometer , kun spidsens afrundingsradius var i størrelsesordenen 10 −9  m . Ønsket om at forbedre lateral opløsning har ført til udviklingen af ​​dynamiske metoder. Piezovibratoren exciterer udkragningens svingninger med en bestemt frekvens og fase . Når man nærmer sig overfladen, begynder kræfter at virke på cantileveren, hvilket ændrer dens frekvensegenskaber. Ved at spore frekvensen og fasen af ​​udkragningsoscillationerne kan vi således konkludere, at kraften, der virker fra overfladen, ændrer sig og følgelig relieffet [3] .

Yderligere udvikling af atomkraftmikroskopi førte til fremkomsten af ​​metoder som magnetisk kraftmikroskopi , piezoresponskraftmikroskopi og elektrisk kraftmikroskopi .

Sådan virker det

Funktionsprincippet for et atomkraftmikroskop er baseret på registreringen af ​​kraftinteraktionen mellem overfladen af ​​prøven under undersøgelse og sonden. Som sonde bruges en nanoskala spids, placeret for enden af ​​en elastisk konsol kaldet en cantilever. Kraften, der virker på sonden fra overfladen, får cantileveren til at bøje. Fremkomsten af ​​forhøjninger eller fordybninger under spidsen fører til en ændring i kraften, der virker på sonden, og dermed til en ændring i størrelsen af ​​udkragningsbøjningen. Ved at registrere bøjningens størrelse kan man således drage en konklusion om overfladetopografien.

Under de kræfter, der virker mellem sonden og overfladen af ​​prøven, betyder de langtrækkende van der Waals-kræfter , som på små afstande er frastødende kræfter, og med en yderligere forøgelse af afstanden bliver de til tiltrækkende kræfter. Afhængigt af afstanden og typen af ​​kræfter mellem cantileveren og prøveoverfladen kan tre driftsformer for et atomkraftmikroskop opdeles:

  1. Kontakt ( eng.  contact mode )
  2. Ikke-kontakt ( eng.  non-contact mode )
  3. Semi - kontakt - tilstand eller engelsk  aflytning 

I figuren til højre svarer afstanden taget som nul til nul-afstanden mellem kernerne af overfladeatomer og det mest fremspringende atom i cantileveren. Derfor er ligevægtspunktet med den minimale potentielle energi i en endelig afstand svarende til "grænsen" af atomernes elektronskaller.

Kontaktfunktionsmåde for et atomkraftmikroskop

Når skallerne af atomer overlapper hinanden, hvilket opstår under kontakttilstanden til drift af et atomkraftmikroskop, opstår frastødning, svarende til driftsmåden for et profilometer . Det mest fremspringende cantilever-atom er i direkte kontakt med overfladen. Feedback tillader scanning i konstant krafttilstand, når systemet opretholder en konstant mængde udkraget bøjning. Når man studerer en ren overflade med højdeforskelle i størrelsesordenen 10-10  m , er det muligt at bruge scanning ved en konstant gennemsnitsafstand mellem sonden og prøveoverfladen. Bevægelsen af ​​cantilever, i dette tilfælde, sker i en gennemsnitlig højde over overfladen af ​​prøven. Cantilever bøjning ΔZ, som er proportional med kraften, der virker på sonden, måles for hvert punkt. Og billedet i denne tilstand viser den rumlige fordeling af sondens interaktionskraft med overfladen.

Der er flere fordele ved metoden:

Samt ulemperne ved metoden:

Berøringsfri driftstilstand for et atomkraftmikroskop

Ved drift i berøringsfri tilstand er sonden placeret i en afstand, hvor tiltrækkende kræfter virker. Piezoceramic exciterer resonansoscillationer af sonden. I dette tilfælde fører overfladens træk, gennem van der Waals kræfter, til et skift i amplitude-frekvens- og fase-frekvenskarakteristikaene for oscillationerne. Det er også muligt at måle ændringen i signalets højere harmoniske.

Takket være feedbacken opretholdes en konstant amplitude af sondeoscillationerne, og frekvensen og fasen måles i hvert punkt på overfladen. I en anden tilstand er det muligt at bruge feedback til at opretholde en konstant værdi af frekvensen eller fasen af ​​oscillationerne.

Der skelnes mellem følgende fordele ved metoden:

Og ulemperne inkluderer:

På grund af de mange vanskeligheder og mangler ved metoden har denne AFM-driftsmåde ikke fundet bred anvendelse.

Semi-kontakt funktionsmåde for et atomkraftmikroskop

Ved drift i semi-kontakt-tilstand, svinger cantileveren også. I den nedre halve periode af svingninger er cantileveren i området for frastødende kræfter. Derfor indtager denne metode en mellemposition mellem kontakt og ikke-kontakt metoder.

Blandt fordelene ved metoden er:

Ulempen ved metoden:

Andre kræfter

På trods af det faktum, at når man beskriver driften af ​​et atomkraftmikroskop, nævnes kun van der Waals-kræfter meget ofte, i virkeligheden virker kræfter som elastiske kræfter , adhæsionskræfter , kapillarkræfter fra siden af ​​overfladen . Deres bidrag er især tydeligt, når de opererer i semi-kontakt tilstand, når hysterese opstår på grund af cantilever "klæber" til overfladen, hvilket betydeligt kan komplicere processen med at opnå et billede og fortolke resultaterne.


Derudover er virkningen af ​​magnetiske og elektrostatiske kræfter mulig fra siden af ​​overfladen. Ved hjælp af visse teknikker og specielle sonder kan du finde ud af deres fordeling over overfladen.

Konstruktion af et atomkraftmikroskop

De vigtigste strukturelle komponenter i et atomkraftmikroskop er:

Afhængigt af designet af mikroskopet kan proben bevæge sig i forhold til en fast prøve, eller prøven kan bevæge sig i forhold til en fastgjort sonde. Manipulatorer er opdelt i to grupper. Den første gruppe er beregnet til "grov" regulering af afstanden mellem cantileveren og prøven (bevægelsesområde i størrelsesordenen centimeter), den anden gruppe er til præcisionsbevægelse under scanning (bevægelsesområde i størrelsesordenen mikron). Piezokeramiske elementer bruges som præcisionsmanipulatorer (eller scannere). De er i stand til at bevæge sig over afstande i størrelsesordenen 10 −10  m , men de har sådanne ulemper som termisk drift, ikke-linearitet, hysterese , krybning (krybning).

Funktioner ved arbejde

Sammenlignet med et scanningselektronmikroskop (SEM) har et atomkraftmikroskop en række fordele. Så i modsætning til SEM, som giver et pseudo-tredimensionelt billede af prøveoverfladen, giver AFM dig mulighed for at få en ægte tredimensionel overfladetopografi. Derudover kræver en ikke-ledende overflade set af AFM ikke en ledende metalbelægning, hvilket ofte fører til mærkbar deformation af overfladen. SEM kræver et vakuum for at fungere korrekt, mens de fleste AFM-tilstande kan implementeres i luft eller endda i væske. Denne omstændighed åbner mulighed for at studere biomakromolekyler og levende celler. I princippet er AFM i stand til at levere højere opløsning end SEM. Således blev det vist, at AFM er i stand til at give reel atomopløsning under ultrahøjvakuumforhold. Ultrahøjvakuum AFM kan sammenlignes i opløsning med et scanning tunnelmikroskop og et transmissionselektronmikroskop.

En mangel ved AFM sammenlignet med SEM bør også omfatte den lille størrelse af scanningsfeltet. SEM'en er i stand til at scanne et overfladeareal på få millimeter i sideplanet med en højdeforskel på få millimeter i det lodrette plan. I AFM er den maksimale højdeforskel adskillige mikron, og det maksimale scanningsfelt er i bedste fald omkring 150 × 150 µm². Et andet problem er, at ved høj opløsning bestemmes billedets kvalitet af krumningsradius af sondespidsen, hvilket, hvis sonden er valgt forkert, fører til artefakter i det resulterende billede.

Konventionel AFM er ikke i stand til at scanne overfladen så hurtigt som SEM gør. At få et AFM-billede tager det fra flere minutter til flere timer, mens SEM'en efter udpumpning er i stand til at fungere i næsten realtid, dog med en relativt lav kvalitet. På grund af den lave sweep-hastighed af AFM viser de resulterende billeder sig at være forvrænget af termisk drift [4] , hvilket reducerer nøjagtigheden af ​​måling af elementerne i det scannede relief. For at øge hastigheden af ​​AFM, er flere designs blevet foreslået, [5] blandt hvilke man kan udpege et sondemikroskop kaldet video AFM. Video AFM giver en tilfredsstillende kvalitet af overfladebilleder ved en tv-scanningsfrekvens, som er endnu hurtigere end konventionel SEM. Brugen af ​​VideoAFM er dog begrænset, da den kun virker i kontakttilstand og på prøver med en relativt lille højdeforskel. For at korrigere de forvrængninger, der indføres af termisk drift, er flere metoder blevet foreslået [4] .

Ikke-linearitet, hysterese og krybning (krybning) af piezokeramikken i scanneren er også årsagerne til stærk forvrængning af AFM-billeder. Derudover opstår en del af forvrængningen på grund af gensidige parasitforbindelser, der virker mellem X, Y, Z-manipulatorerne på scanneren. For at korrigere forvrængninger i realtid bruger moderne AFM'er software (for eksempel funktionsbaseret scanning ) eller scannere udstyret med sporingssystemer med lukket sløjfe, som inkluderer lineære positionssensorer. Nogle AFM'er bruger XY- og Z-elementer, som ikke er mekanisk forbundet med hinanden, i stedet for en piezotube-scanner, som gør det muligt at eliminere nogle af de parasitiske forbindelser. Men i visse tilfælde, for eksempel, når det kombineres med et elektronmikroskop eller ultramikrotomer , er brugen af ​​piezotube-scannere konstruktivt berettiget.

AFM kan bruges til at bestemme typen af ​​et atom i et krystalgitter [6] .

Behandling af den modtagne information og gendannelse af de opnåede billeder

Som regel er billedet taget på et scanningprobemikroskop svært at tyde på grund af de forvrængninger, der er forbundet med denne metode. Næsten altid udsættes resultaterne af den indledende scanning for matematisk behandling. Normalt bruges software til dette direkte forsynet med et scanning probe mikroskop (SPM), hvilket ikke altid er praktisk, da softwaren i dette tilfælde kun er installeret på den computer, der styrer mikroskopet.

Ansøgning

Scanning probe mikroskoper har fundet anvendelse i næsten alle områder af videnskaben. I fysik, kemi, biologi bruges AFM som forskningsværktøj. Især tværfaglige videnskaber såsom biofysik , materialevidenskab , biokemi , farmaceutiske produkter , nanoteknologi , overfladefysik og kemi, elektrokemi , korrosionsforskning , elektronik (såsom MEMS ), fotokemi og mange andre. En lovende retning er[ af hvem? ] kombination af scanning probe mikroskoper med andre traditionelle og moderne forskningsmetoder, samt skabelsen af ​​fundamentalt nye enheder. For eksempel kombinationen af ​​SPM med optiske mikroskoper (traditionelle og konfokale mikroskoper ) [7] [8] [9] , elektronmikroskoper [10] , spektrometre (for eksempel Raman- spektrometre og fluorescens ) [11] [12] [13 ] , ultramikrotomer [14] .

Se også

Noter

  1. ↑ G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber. Atomic Force Microscope, PRL 56, 9 (1986)
  2. ↑ G. Meyer, NM Amer. Ny optisk tilgang til atomkraftmikroskopi. Appl. Phys. Lett. 53, 1045 (1988)
  3. ↑ Y. Martin, C. C. Williams og H. K. Wickramasinghe, Atomic force microscope-force mapping and profmng on a sub 100 A scale. Appl. Phys., bind. 61, nr. 10, 15 (1987)
  4. ↑ 1 2 V.Y. Yurov, A.N. Klimov.  Scanning tunneling mikroskop kalibrering og rekonstruktion af virkeligt billede : Drift og hældning eliminering  // Gennemgang af videnskabelige instrumenter : journal. - USA: AIP, 1994. - Vol. 65 , nr. 5 . - S. 1551-1557 . — ISSN 0034-6748 . - doi : 10.1063/1.1144890 . Arkiveret fra originalen den 13. juli 2012.
  5. ↑ G. Schitter, MJ Rost. Scanning probe mikroskopi ved video-rate  //  Materials Today : journal. - Storbritannien: Elsevier, 2008. - Nej. specialnummer . - S. 40-48 . — ISSN 1369-7021 . - doi : 10.1016/S1369-7021(09)70006-9 . Arkiveret fra originalen den 9. september 2009.
  6. ↑ Sugimoto Y. et al ., Kemisk identifikation af individuelle overfladeatomer ved atomkraftmikroskopi, Nature 446 , 66 (2007) doi : 10.1038/nature05530 .
  7. ↑ Et kompleks til forskning inden for biologi og materialevidenskab, der kombinerer SPM og et optisk mikroskop . Hentet 4. marts 2010. Arkiveret fra originalen 28. marts 2010.
  8. ↑ Et kompleks til forskning baseret på et direkte eller omvendt mikroskop, der kombinerer SPM og et optisk mikroskop . Dato for adgang: 7. marts 2010. Arkiveret fra originalen 25. februar 2010.
  9. ↑ Et kompleks til forskning inden for biologi, der kombinerer SPM og et optisk mikroskop (utilgængeligt link) . Hentet 4. marts 2010. Arkiveret fra originalen 4. marts 2010. 
  10. ↑ Kompleks til forskning, der kombinerer elektron- og scanningprobemikroskoper  (utilgængeligt link)
  11. ↑ Kompleks baseret på SPM, optisk mikroskop og spektrometer . Hentet 7. marts 2010. Arkiveret fra originalen 9. april 2010.
  12. ↑ SPM-kompleks med konfokal Raman og fluorescensspektrometer  (utilgængeligt link)
  13. ↑ Forskningskompleks, der kombinerer SPM, konfokalt lasermikroskop, Raman og fluorescensspektrometre, optisk mikroskop . Dato for adgang: 7. marts 2010. Arkiveret fra originalen 25. februar 2010.
  14. ↑ AFM installeret i en kryoultramikrotom (utilgængeligt link) . Hentet 7. marts 2010. Arkiveret fra originalen 14. oktober 2010. 

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger
 Scanning probe mikroskopi
Hovedtyper af mikroskoper
Andre metoder
  • Elektrisk strøm
  • Elektrokemisk scanningstunnel
  • Kelvin metode
  • magnetisk kraft
  • Magnetisk resonanskraft
  • Fototermisk mikrospektroskopi
  • Scanning kapacitiv
  • Scanning gate
  • Hall sensor scanning
  • Ionisk ledning
  • Spin polariserende scanningstunneling
  • Scanningsspændingsmikroskopi
  • Nanolitografi
  • Funktionsorienteret scanning
Enheder og materialer
se også