Microscop cu forță atomică de scanare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 aprilie 2021; verificările necesită 9 modificări .

Microscopul cu forță atomică (AFM, ing.  AFM - microscop cu forță atomică ) este un microscop cu sondă de scanare de înaltă rezoluție . Este necesar să se determine topografia suprafeței cu o rezoluție cuprinsă între 10 −9  m și atomică[ specificați ] .

Spre deosebire de un microscop cu scanare tunel , un microscop cu forță atomică poate examina atât suprafețele conductoare, cât și neconductoare.

Microscopul cu forță atomică a fost creat în 1982 de Gerd Binnig , Kelvin Quayt și Christopher Gerber în Zurich (Elveția), ca o modificare a microscopului de scanare tunel inventat anterior.

Pentru a determina relieful suprafeței corpurilor neconductoare, a fost folosit un cantilever elastic ( cantilever ), a cărui abatere, la rândul său, a fost determinată de modificarea mărimii curentului de tunel, ca într-un microscop cu scanare tunel [1] . Cu toate acestea, această metodă de detectare a modificărilor poziției consolului s-a dovedit a nu fi cea mai de succes și doi ani mai târziu a fost propusă o schemă optică: un fascicul laser este îndreptat către suprafața exterioară a consolului, reflectat și lovește un fotodetector . [2] . Această metodă de înregistrare a deflexiunii cantilever este implementată în majoritatea microscoapelor moderne de forță atomică.

Inițial, microscopul cu forță atomică era de fapt un profilometru , doar raza de rotunjire a vârfului era de ordinul a 10 -9  m . Dorința de a îmbunătăți rezoluția laterală a condus la dezvoltarea metodelor dinamice. Piezovibratorul excită oscilațiile consolei cu o anumită frecvență și fază . Când se apropie de suprafață, forțele încep să acționeze asupra consolei, modificându-i proprietățile de frecvență. Astfel, urmărind frecvența și faza oscilațiilor cantilever, putem concluziona că se modifică forța care acționează de la suprafață și, în consecință, relieful [3] .

Dezvoltarea ulterioară a microscopiei cu forță atomică a condus la apariția unor metode precum microscopia cu forță magnetică , microscopia cu forță piezorăspunsă și microscopia cu forță electrică .

Cum funcționează

Principiul de funcționare al unui microscop cu forță atomică se bazează pe înregistrarea interacțiunii forțelor dintre suprafața probei studiate și sondă. Ca sondă, se folosește un vârf la scară nanometrică, situat la capătul unei console elastice numită cantilever. Forța care acționează asupra sondei de la suprafață determină îndoirea cantileverului. Apariția unor cote sau depresiuni sub vârf duce la o modificare a forței care acționează asupra sondei și, prin urmare, la o modificare a mărimii îndoirii în consolă. Astfel, prin înregistrarea mărimii curbei, se poate trage o concluzie despre topografia suprafeței.

Sub forțele care acționează între sondă și suprafața probei, ele înseamnă forțe van der Waals cu rază lungă de acțiune , care la distanțe mici sunt forțe de respingere și, odată cu creșterea în continuare a distanței, se transformă în forțe atractive. În funcție de distanța și tipul de forțe dintre cantilever și suprafața probei, trei moduri de funcționare ale unui microscop cu forță atomică pot fi împărțite:

  1. Contact ( ing.  modul contact )
  2. Fără contact ( ing.  modul fără contact )
  3. Modul semi -contact sau modul de atingere în engleză  

În figura din dreapta, distanța luată ca zero corespunde distanței zero dintre nucleele atomilor de suprafață și cel mai proeminent atom al cantileverului. Prin urmare, punctul de echilibru cu energia potențială minimă se află la o distanță finită corespunzătoare „limitei” învelișurilor de electroni ale atomilor.

Modul de funcționare de contact al unui microscop cu forță atomică

Când învelișurile atomilor se suprapun, ceea ce are loc în timpul modului de funcționare de contact al unui microscop cu forță atomică, are loc repulsie, similară modului de funcționare al unui profilometru . Cel mai proeminent atom de cantilever este în contact direct cu suprafața. Feedback-ul permite scanarea în modul de forță constantă, atunci când sistemul menține o cantitate constantă de îndoire în consolă. Când se studiază o suprafață curată cu diferențe de înălțime de ordinul 10-10  m , este posibil să se utilizeze scanarea la o distanță medie constantă între sondă și suprafața probei. Mișcarea cantileverului, în acest caz, are loc la o înălțime medie deasupra suprafeței probei. Îndoirea în consolă ΔZ, care este proporțională cu forța care acționează asupra sondei, este măsurată pentru fiecare punct. Și imaginea în acest mod arată distribuția spațială a forței de interacțiune a sondei cu suprafața.

Există mai multe avantaje ale metodei:

Precum și dezavantajele metodei:

Modul de funcționare fără contact al unui microscop cu forță atomică

Când funcționează în modul fără contact, sonda este situată la o distanță în care acționează forțele atractive. Piezoceramica excită oscilațiile rezonante ale sondei. În acest caz, caracteristicile suprafeței, prin forțele lui van der Waals, conduc la o schimbare a caracteristicilor amplitudine-frecvență și fază-frecvență ale oscilațiilor. De asemenea, este posibil să se măsoare modificarea armonicilor superioare ale semnalului.

Datorită feedback-ului, se menține o amplitudine constantă a oscilațiilor sondei, iar frecvența și faza sunt măsurate în fiecare punct de pe suprafață. Într-un alt mod, este posibil să se utilizeze feedback pentru a menține o valoare constantă a frecvenței sau fazei oscilațiilor.

Se disting următoarele avantaje ale metodei:

Iar dezavantajele includ:

Datorită numeroaselor dificultăți și neajunsuri ale metodei, acest mod de funcționare AFM nu și-a găsit o aplicare largă.

Modul de funcționare semi-contact al unui microscop cu forță atomică

Când funcționează în modul semi-contact, cantileverul oscilează și el. În jumătatea inferioară a oscilațiilor, cantileverul se află în regiunea forțelor de respingere. Prin urmare, această metodă ocupă o poziție intermediară între metodele de contact și cele fără contact.

Printre avantajele metodei se numără:

Dezavantajul metodei:

Alte forțe

În ciuda faptului că atunci când se descrie funcționarea unui microscop cu forță atomică, doar forțele van der Waals sunt foarte des menționate, în realitate, forțe precum forțele elastice, forțele de adeziune , forțele capilare acționează din partea suprafeței . Contribuția lor este evidentă mai ales atunci când funcționează în modul semi-contact, când apare histerezisul din cauza „lipirii” cantileverului de suprafață, ceea ce poate complica semnificativ procesul de obținere a unei imagini și interpretare a rezultatelor.


În plus, acțiunea forțelor magnetice și electrostatice este posibilă din partea laterală a suprafeței. Folosind anumite tehnici și sonde speciale, puteți afla distribuția lor pe suprafață.

Construcția unui microscop cu forță atomică

Principalele componente structurale ale unui microscop cu forță atomică sunt:

În funcție de designul microscopului, sonda se poate mișca în raport cu o probă fixă ​​sau proba se poate deplasa în raport cu o probă fixă. Manipulatorii sunt împărțiți în două grupuri. Primul grup este destinat pentru reglarea „grundă” a distanței dintre cantilever și eșantion (gamă de mișcare de ordinul centimetrilor), al doilea grup este pentru mișcarea de precizie în timpul scanării (gama de mișcare de ordinul micronilor). Elementele piezoceramice sunt folosite ca manipulatoare de precizie (sau scanere). Ele sunt capabile să se deplaseze pe distanțe de ordinul 10-10  m , totuși, au dezavantaje precum deriva termică, neliniaritate, histerezis , fluaj (fluaj).

Caracteristicile muncii

În comparație cu un microscop electronic cu scanare (SEM), un microscop cu forță atomică are o serie de avantaje. Deci, spre deosebire de SEM, care oferă o imagine pseudo-tridimensională a suprafeței probei, AFM vă permite să obțineți o topografie tridimensională adevărată a suprafeței. În plus, o suprafață neconductivă vizualizată de AFM nu necesită o acoperire metalică conductivă, ceea ce duce adesea la deformarea vizibilă a suprafeței. SEM necesită un vid pentru a funcționa corect, în timp ce majoritatea modurilor AFM pot fi implementate în aer sau chiar în lichid. Această împrejurare deschide posibilitatea studierii biomacromoleculelor și celulelor vii. În principiu, AFM este capabil să ofere o rezoluție mai mare decât SEM. Astfel, s-a demonstrat că AFM este capabil să ofere o rezoluție atomică reală în condiții de vid ultraînalt. AFM cu vid ultraînalt este comparabil ca rezoluție cu un microscop tunel de scanare și cu un microscop electronic cu transmisie.

Un dezavantaj al AFM în comparație cu SEM ar trebui să includă și dimensiunea mică a câmpului de scanare. SEM este capabil să scaneze o suprafață de câțiva milimetri în plan lateral cu o diferență de înălțime de câțiva milimetri în plan vertical. În AFM, diferența maximă de înălțime este de câțiva microni, iar câmpul maxim de scanare este în cel mai bun caz de aproximativ 150 × 150 µm². O altă problemă este că la rezoluție mare, calitatea imaginii este determinată de raza de curbură a vârfului sondei, care, dacă sonda este aleasă incorect, duce la artefacte în imaginea rezultată.

AFM convențional nu este capabil să scaneze suprafața la fel de rapid ca SEM. Pentru a obține o imagine AFM, durează de la câteva minute la câteva ore, în timp ce SEM după pompare este capabil să funcționeze aproape în timp real, deși cu o calitate relativ scăzută. Datorită vitezei reduse de baleiaj a AFM, imaginile rezultate se dovedesc a fi distorsionate de deriva termică [4] , ceea ce reduce acuratețea măsurării elementelor reliefului scanat. Pentru a crește viteza AFM, au fost propuse mai multe modele, [5] printre care se poate evidenția un microscop cu sondă numit video AFM. Video AFM oferă o calitate satisfăcătoare a imaginilor de suprafață la o frecvență de scanare a televiziunii, care este chiar mai rapidă decât SEM convențional. Cu toate acestea, utilizarea VideoAFM este limitată, deoarece funcționează numai în modul de contact și pe mostre cu o diferență de înălțime relativ mică. Pentru a corecta distorsiunile introduse de deriva termica au fost propuse mai multe metode [4] .

Neliniaritatea, histerezisul și fluajul (fluajul) piezoceramicului scanerului sunt, de asemenea, cauzele unei distorsiuni puternice a imaginilor AFM. În plus, o parte din distorsiune are loc datorită conexiunilor parazitare reciproce care acționează între manipulatorii X, Y, Z ai scanerului. Pentru a corecta distorsiunile în timp real, AFM-urile moderne folosesc software (de exemplu, scanare bazată pe caracteristici ) sau scanere echipate cu sisteme de urmărire în buclă închisă, care includ senzori de poziție liniară. Unele AFM folosesc elemente XY și Z, care nu sunt conectate mecanic între ele, în locul unui scanner piezotub, ceea ce face posibilă eliminarea unora dintre conexiunile parazitare. Cu toate acestea, în anumite cazuri, de exemplu, atunci când sunt combinate cu un microscop electronic sau ultramicrotomi , utilizarea scanerelor piezotub este justificată constructiv.

AFM poate fi folosit pentru a determina tipul unui atom dintr-o rețea cristalină [6] .

Prelucrarea informațiilor primite și restaurarea imaginilor obținute

De regulă, imaginea luată pe un microscop cu sondă de scanare este dificil de descifrat din cauza distorsiunilor inerente acestei metode. Aproape întotdeauna, rezultatele scanării inițiale sunt supuse prelucrării matematice. De obicei, se folosește software-ul furnizat direct cu un microscop cu sondă de scanare (SPM), ceea ce nu este întotdeauna convenabil datorită faptului că în acest caz software-ul este instalat doar pe computerul care controlează microscopul.

Aplicație

Microscoapele cu sondă de scanare și-au găsit aplicații în aproape toate domeniile științei. În fizică, chimie, biologie, AFM este folosit ca instrument de cercetare. În special, științe interdisciplinare, cum ar fi biofizica , știința materialelor , biochimia , farmaceutica , nanotehnologia , fizica și chimia suprafețelor, electrochimia , cercetarea coroziunii , electronica (cum ar fi MEMS ), fotochimia și multe altele. O direcție promițătoare este[ de cine? ] combinație de microscoape cu sondă de scanare cu alte metode de cercetare tradiționale și moderne, precum și crearea de dispozitive fundamental noi. De exemplu, combinația de SPM cu microscoape optice (microscoape tradiționale și confocale ) [7] [8] [9] , microscoape electronice [10] , spectrometre (de exemplu, spectrometre Raman și fluorescență ) [11] [12] [13 ] , ultramicrotoame [14] .

Vezi și

Note

  1. ↑ G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber. Microscop cu forță atomică, PRL 56, 9 (1986)
  2. ↑ G. Meyer, NM Amer. Abordare optică nouă a microscopiei cu forță atomică. Aplic. Fiz. Lett. 53, 1045 (1988)
  3. ↑ Y. Martin, C. C. Williams și H. K. Wickramasinghe, Atomic force microscope-force mapping and profmng on a sub 100 A scale. Aplic. Phys., voi. 61, nr. 10, 15 (1987)
  4. ↑ 1 2 V.Y. Yurov, A.N. Klimov.  Calibrarea microscopului cu tunel de scanare și reconstrucția imaginii reale : eliminarea derivei și a pantei  // Revizuirea instrumentelor științifice : jurnal. - SUA: AIP, 1994. - Vol. 65 , nr. 5 . - P. 1551-1557 . — ISSN 0034-6748 . - doi : 10.1063/1.1144890 . Arhivat din original pe 13 iulie 2012.
  5. ↑ G. Schitter, MJ Rost. Microscopie cu sondă de scanare la viteză video  //  Materials Today : jurnal. - Marea Britanie: Elsevier, 2008. - Nr. problema speciala . - P. 40-48 . — ISSN 1369-7021 . - doi : 10.1016/S1369-7021(09)70006-9 . Arhivat din original pe 9 septembrie 2009.
  6. ↑ Sugimoto Y. și colab ., Identificarea chimică a atomilor de suprafață individuali prin microscopie cu forță atomică, Nature 446 , 66 (2007) doi : 10.1038/nature05530 .
  7. ↑ Un complex pentru cercetare în domeniul biologiei și științei materialelor, combinând SPM și un microscop optic . Consultat la 4 martie 2010. Arhivat din original pe 28 martie 2010.
  8. ↑ Un complex pentru cercetare bazat pe un microscop direct sau inversat, care combină SPM și un microscop optic . Data accesului: 7 martie 2010. Arhivat din original pe 25 februarie 2010.
  9. ↑ Un complex pentru cercetare în domeniul biologiei, combinând SPM și un microscop optic (link inaccesibil) . Consultat la 4 martie 2010. Arhivat din original pe 4 martie 2010. 
  10. ↑ Complex pentru cercetare care combină microscoape cu sonde electronice și cu scanare  (link inaccesibil)
  11. ↑ Complex bazat pe SPM, microscop optic și spectrometru . Preluat la 7 martie 2010. Arhivat din original la 9 aprilie 2010.
  12. ↑ Complex SPM cu Raman confocal și spectrometru de fluorescență  (link inaccesibil)
  13. ↑ Complex de cercetare care combină SPM, microscop laser confocal, spectrometre Raman și fluorescență, microscop optic . Data accesului: 7 martie 2010. Arhivat din original pe 25 februarie 2010.
  14. ↑ AFM instalat într-un crioultramicrotom (link inaccesibil) . Preluat la 7 martie 2010. Arhivat din original la 14 octombrie 2010. 

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Microscopie cu sondă de scanare
Principalele tipuri de microscoape
Alte metode
  • Energie electrică
  • Tunel de scanare electrochimică
  • metoda Kelvin
  • forta magnetica
  • Puterea de rezonanță magnetică
  • Microspectroscopie fototermală
  • Scanare capacitivă
  • Poarta de scanare
  • Scanare cu senzor Hall
  • Conducție ionică
  • Tunelul de scanare polarizat în rotație
  • Microscopie de stres cu scanare
  • Nanolitografia
  • Scanare orientată spre caracteristici
Dispozitive și materiale
Vezi si