Scanning atomic force mikroskop

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 24 april 2021; kontroller kräver 9 redigeringar .

Atomic force microscope (AFM, eng.  AFM - atomic-force microscope ) är ett högupplöst scanningsprobmikroskop . Behövs för att bestämma yttopografin med en upplösning som sträcker sig från 10 −9  m till atomär[ specificera ] .

Till skillnad från ett scanningstunnelmikroskop kan ett atomkraftmikroskop undersöka både ledande och icke-ledande ytor.

Atomkraftsmikroskopet skapades 1982 av Gerd Binnig , Kelvin Quayt och Christopher Gerber i Zürich (Schweiz), som en modifiering av det tidigare uppfunna skanningstunnelmikroskopet.

För att bestämma ytreliefen hos icke-ledande kroppar användes en elastisk konsol ( konsol ), vars avvikelse i sin tur bestämdes av förändringen i storleken på tunnelströmmen, som i ett avsökningstunnelmikroskop [1] . Denna metod för att upptäcka förändringar i konsolens position visade sig emellertid inte vara den mest framgångsrika, och två år senare föreslogs ett optiskt schema: en laserstråle riktas mot konsolens yttre yta, reflekteras och träffar en fotodetektor [2] . Denna metod för att registrera fribärande avböjning är implementerad i de flesta moderna atomkraftmikroskop.

Ursprungligen var atomkraftsmikroskopet i själva verket en profilometer , endast spetsens avrundningsradie var i storleksordningen 10 −9  m . Önskan att förbättra lateral upplösning har lett till utvecklingen av dynamiska metoder. Piezovibratorn exciterar fribärarens svängningar med en viss frekvens och fas . När man närmar sig ytan börjar krafter verka på fribäraren, vilket ändrar dess frekvensegenskaper. Genom att följa frekvensen och fasen av fribärande svängningar kan vi alltså dra slutsatsen att kraften som verkar från ytan förändras och följaktligen lättnaden [3] .

Ytterligare utveckling av atomkraftsmikroskopi ledde till uppkomsten av metoder som magnetisk kraftmikroskopi , piezoresponskraftmikroskopi och elektrisk kraftmikroskopi .

Hur det fungerar

Funktionsprincipen för ett atomkraftmikroskop är baserad på registreringen av kraftinteraktionen mellan ytan på provet som studeras och sonden. Som en sond används en spets i nanoskala, placerad i änden av en elastisk konsol som kallas en cantilever. Kraften som verkar på sonden från ytan får konsolen att böjas. Uppkomsten av höjder eller fördjupningar under spetsen leder till en förändring av kraften som verkar på sonden, och därmed till en förändring i storleken på den fribärande böjningen. Genom att registrera böjens storlek kan man alltså dra en slutsats om yttopografin.

Under krafterna som verkar mellan sonden och provets yta menar de långväga van der Waals-krafter , som på små avstånd är frånstötande krafter, och med en ytterligare ökning av avståndet övergår de till attraktionskrafter. Beroende på avståndet och typen av krafter mellan konsolen och provytan kan tre driftslägen för ett atomkraftmikroskop delas in:

  1. Kontakt ( kontaktläge  )
  2. Icke-kontakt ( eng.  icke-kontaktläge )
  3. Halvkontaktläge eller engelskt  tryckläge _ _ _ 

I figuren till höger motsvarar avståndet noll nollavståndet mellan kärnorna av ytatomer och den mest utskjutande atomen i fribäraren. Därför är jämviktspunkten med den minimala potentiella energin på ett ändligt avstånd som motsvarar "gränsen" för atomernas elektronskal.

Kontaktläge för ett atomkraftmikroskop

När skalen av atomer överlappar varandra, vilket inträffar under kontaktläget för ett atomkraftmikroskop, uppstår repulsion, liknande driftsättet för en profilometer . Den mest utskjutande fribärande atomen är i direkt kontakt med ytan. Återkoppling tillåter skanning i konstant kraftläge, när systemet bibehåller en konstant mängd fribärande böjning. När man studerar en ren yta med höjdskillnader i storleksordningen 10–10  m , är det möjligt att använda skanning på ett konstant medelavstånd mellan sonden och provytan. Rörelsen av fribäraren, i detta fall, sker vid en genomsnittlig höjd över provets yta. Fribärande böjning ΔZ, som är proportionell mot kraften som verkar på sonden, mäts för varje punkt. Och bilden i detta läge visar den rumsliga fördelningen av interaktionskraften mellan sonden och ytan.

Det finns flera fördelar med metoden:

Samt nackdelarna med metoden:

Beröringsfritt arbetssätt för ett atomkraftmikroskop

Vid drift i beröringsfritt läge är sonden placerad på ett avstånd där attraktionskrafter verkar. Piezoceramic exciterar resonanssvängningar hos sonden. I detta fall leder ytans egenskaper, genom krafterna från van der Waals, till en förskjutning i svängningarnas amplitud-frekvens och fas-frekvenskarakteristika. Det är också möjligt att mäta förändringen i signalens högre övertoner.

Tack vare återkopplingen upprätthålls en konstant amplitud av sondens oscillationer, och frekvensen och fasen mäts vid varje punkt på ytan. I ett annat läge är det möjligt att använda återkoppling för att upprätthålla ett konstant värde på svängningarnas frekvens eller fas.

Följande fördelar med metoden särskiljs:

Och nackdelarna inkluderar:

På grund av de många svårigheterna och nackdelarna med metoden har detta läge för AFM-drift inte funnit någon bred tillämpning.

Halvkontaktläge för ett atomkraftmikroskop

Vid drift i semi-kontaktläge, svänger även konsolen. I den nedre halvperioden av svängningar är fribäraren i området för frånstötande krafter. Därför intar denna metod en mellanposition mellan kontakt- och icke-kontaktmetoder.

Bland fördelarna med metoden är:

Nackdelen med metoden:

Andra krafter

Trots det faktum att när man beskriver driften av ett atomkraftmikroskop nämns endast van der Waals-krafter mycket ofta, i verkligheten verkar krafter som elastiska krafter , vidhäftningskrafter , kapillärkrafter från sidan av ytan . Deras bidrag är särskilt uppenbart när man arbetar i semi-kontaktläge, när hysteres uppstår på grund av att konsolen "fastnar" på ytan, vilket avsevärt kan komplicera processen att få en bild och tolka resultaten.


Dessutom är verkan av magnetiska och elektrostatiska krafter möjlig från sidan av ytan. Med hjälp av vissa tekniker och speciella sonder kan du ta reda på deras fördelning över ytan.

Konstruktion av ett atomkraftmikroskop

De viktigaste strukturella komponenterna i ett atomkraftmikroskop är:

Beroende på utformningen av mikroskopet kan sonden röra sig i förhållande till ett fast prov eller så kan provet röra sig i förhållande till en fast prob. Manipulatorer är indelade i två grupper. Den första gruppen är avsedd för "grov" reglering av avståndet mellan konsolen och provet (rörelseomfång i storleksordningen centimeter), den andra gruppen är för precisionsrörelse under skanning (rörelseomfång i storleksordningen mikron). Piezokeramiska element används som precisionsmanipulatorer (eller skannrar). De kan röra sig över avstånd i storleksordningen 10 −10  m , men de har sådana nackdelar som termisk drift, olinjäritet, hysteres , krypning (krypning).

Funktioner i arbetet

Jämfört med ett svepelektronmikroskop (SEM) har ett atomkraftmikroskop ett antal fördelar. Så till skillnad från SEM, som ger en pseudo-tredimensionell bild av provytan, låter AFM dig få en äkta tredimensionell yttopografi. Dessutom kräver en icke-ledande yta som ses av AFM ingen ledande metallbeläggning, vilket ofta leder till märkbar deformation av ytan. SEM kräver ett vakuum för att fungera korrekt, medan de flesta AFM-lägen kan implementeras i luft eller till och med i vätska. Denna omständighet öppnar för möjligheten att studera biomakromolekyler och levande celler. I princip kan AFM ge högre upplösning än SEM. Således visades det att AFM kan ge verklig atomupplösning under ultrahöga vakuumförhållanden. Ultrahögvakuum AFM är jämförbar i upplösning med ett sveptunnelmikroskop och ett transmissionselektronmikroskop.

En brist hos AFM jämfört med SEM bör också inkludera den lilla storleken på skanningsfältet. SEM kan skanna en yta på några millimeter i sidoplanet med en höjdskillnad på några millimeter i vertikalplanet. I AFM är den maximala höjdskillnaden flera mikroner, och det maximala avsökningsfältet är i bästa fall cirka 150 × 150 µm². Ett annat problem är att vid hög upplösning bestäms bildens kvalitet av krökningsradien för sondens spets, vilket, om sonden väljs felaktigt, leder till artefakter i den resulterande bilden.

Konventionell AFM kan inte skanna ytan lika snabbt som SEM gör. För att få en AFM-bild tar det från flera minuter till flera timmar, medan SEM efter utpumpning kan fungera i nästan realtid, dock med en relativt låg kvalitet. På grund av den låga svephastigheten hos AFM visar sig de resulterande bilderna vara förvrängda av termisk drift [4] , vilket minskar noggrannheten för att mäta elementen i den skannade reliefen. För att öka hastigheten på AFM har flera konstruktioner föreslagits, [5] bland vilka man kan peka ut ett sondmikroskop som kallas video AFM. Video AFM ger en tillfredsställande kvalitet på ytbilder vid en TV-skanningsfrekvens, vilket är till och med snabbare än konventionell SEM. Användningen av VideoAFM är dock begränsad, eftersom den bara fungerar i kontaktläge och på prover med en relativt liten höjdskillnad. För att korrigera de snedvridningar som introduceras av termisk drift har flera metoder föreslagits [4] .

Icke-linjäritet, hysteres och krypning (krypning) hos skannerns piezokeramer är också orsakerna till stark förvrängning av AFM-bilder. Dessutom uppstår en del av distorsionen på grund av ömsesidiga parasitförbindelser som verkar mellan X, Y, Z-manipulatorerna i skannern. För att korrigera förvrängningar i realtid använder moderna AFM:er mjukvara (till exempel funktionsbaserad skanning ) eller skannrar utrustade med slutna spårningssystem, som inkluderar linjära positionssensorer. Vissa AFM:er använder XY- och Z-element, som inte är mekaniskt anslutna till varandra, istället för en piezotube-scanner, vilket gör det möjligt att eliminera några av de parasitära anslutningarna. Men i vissa fall, till exempel i kombination med ett elektronmikroskop eller ultramikrotomer , är användningen av piezotube-skannrar konstruktivt motiverad.

AFM kan användas för att bestämma typen av en atom i ett kristallgitter [6] .

Bearbetning av mottagen information och återställning av de erhållna bilderna

Som regel är bilden som tas med ett skanningssondmikroskop svår att tyda på grund av de förvrängningar som är inneboende i denna metod. Nästan alltid utsätts resultaten av den första skanningen för matematisk bearbetning. Vanligtvis används programvara för detta direkt försedd med ett scanning probe microscope (SPM), vilket inte alltid är bekvämt på grund av att programvaran i detta fall endast installeras på datorn som styr mikroskopet.

Applikation

Skannasondmikroskop har funnit tillämpning inom nästan alla vetenskapsområden. Inom fysik, kemi, biologi används AFM som ett forskningsverktyg. I synnerhet tvärvetenskapliga vetenskaper som biofysik , materialvetenskap , biokemi , läkemedel , nanoteknik , ytfysik och kemi, elektrokemi , korrosionsforskning , elektronik (som MEMS ), fotokemi och många andra. En lovande riktning är[ av vem? ] kombination av scanningsprobmikroskop med andra traditionella och moderna forskningsmetoder, samt skapandet av fundamentalt nya enheter. Till exempel kombinationen av SPM med optiska mikroskop (traditionella och konfokala mikroskop ) [7] [8] [9] , elektronmikroskop [10] , spektrometrar (till exempel Raman- spektrometrar och fluorescens ) [11] [12] [13 ] , ultramikrotomer [14] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Gerber. Atomic Force Microscope, PRL 56, 9 (1986)
  2. ↑ G. Meyer, NM Amer. Ny optisk metod för atomkraftsmikroskopi. Appl. Phys. Lett. 53, 1045 (1988)
  3. ↑ Y. Martin, C. C. Williams och H. K. Wickramasinghe, Atomic force microscope-force mapping and profmng on a sub 100 A scale. Appl. Phys., vol. 61, nr. 10, 15 (1987)
  4. ↑ 1 2 V.Y. Yurov, A.N. Klimov.  Skanningstunnelmikroskopkalibrering och rekonstruktion av verklig bild : Eliminering av avdrift och lutning  // Granskning av vetenskapliga instrument : journal. - USA: AIP, 1994. - Vol. 65 , nr. 5 . - P. 1551-1557 . — ISSN 0034-6748 . - doi : 10.1063/1.1144890 . Arkiverad från originalet den 13 juli 2012.
  5. ↑ G. Schitter, MJ Rost. Skanningssondmikroskopi i videohastighet  //  Material idag : journal. - Storbritannien: Elsevier, 2008. - Nej . specialnummer . - S. 40-48 . — ISSN 1369-7021 . - doi : 10.1016/S1369-7021(09)70006-9 . Arkiverad från originalet den 9 september 2009.
  6. ↑ Sugimoto Y. et al ., Kemisk identifiering av individuella ytatomer genom atomkraftsmikroskopi, Nature 446 , 66 (2007) doi : 10.1038/nature05530 .
  7. ↑ Ett komplex för forskning inom området biologi och materialvetenskap, som kombinerar SPM och ett optiskt mikroskop . Hämtad 4 mars 2010. Arkiverad från originalet 28 mars 2010.
  8. ↑ Ett komplex för forskning baserat på ett direkt eller inverterat mikroskop, som kombinerar SPM och ett optiskt mikroskop . Datum för åtkomst: 7 mars 2010. Arkiverad från originalet den 25 februari 2010.
  9. ↑ Ett komplex för forskning inom området biologi, som kombinerar SPM och ett optiskt mikroskop (otillgänglig länk) . Hämtad 4 mars 2010. Arkiverad från originalet 4 mars 2010. 
  10. ↑ Komplex för forskning som kombinerar elektron- och svepsondmikroskop  (otillgänglig länk)
  11. ↑ Komplex baserat på SPM, optiskt mikroskop och spektrometer . Hämtad 7 mars 2010. Arkiverad från originalet 9 april 2010.
  12. ↑ SPM-komplex med konfokal Raman och fluorescensspektrometer  (otillgänglig länk)
  13. ↑ Forskningskomplex som kombinerar SPM, konfokalt lasermikroskop, Raman och fluorescensspektrometrar, optiskt mikroskop . Datum för åtkomst: 7 mars 2010. Arkiverad från originalet den 25 februari 2010.
  14. ↑ AFM installerad i en kryoultramikrotom (otillgänglig länk) . Hämtad 7 mars 2010. Arkiverad från originalet 14 oktober 2010. 

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 Skanningssondmikroskopi
Huvudtyper av mikroskop
Andra metoder
  • Elkraft
  • Elektrokemisk avsökningstunnel
  • Kelvin-metoden
  • magnetisk kraft
  • Magnetisk resonanskraft
  • Fototermisk mikrospektroskopi
  • Skanning kapacitiv
  • Scanning gate
  • Hallsensorskanning
  • Jonisk ledning
  • Spin polariserande scanning tunnling
  • Scanning stressmikroskopi
  • Nanolitografi
  • Funktionsorienterad skanning
Enheter och material
se även