Atominės jėgos mikroskopas AFM apibrėžimas ir veikimo principas

How an atomic force microscope works.

Atominės jėgos mikroskopai (AFM) yra mikroskopų rūšis. AFM atvaizduoja atomus, esančius ant paviršių arba juose. Kaip ir skenuojančiuoju elektroniniu mikroskopu (SEM), AFM paskirtis - tirti objektus atomų lygmeniu. Iš tikrųjų AFM gali būti naudojamas atskiriems atomams tirti. Jis dažniausiai naudojamas nanotechnologijose. AFM buvo sukurta 1986 m. (G. Binnig, C. F. Quate ir C. Gerber) ir nuo to laiko nuolat tobulinama.

Veikimo principas

AFM pagrindas – labai plona adatėlė (antgalis), pritvirtinta prie elastingos konsolinės sijos (kantileverio). Antgalis palietus arba artėjant prie paviršiaus patiria jėgas (pvz., van der Waals, elektrostatines, kapiliarines ar chemines jėgas), dėl kurių kantileveris deformuojasi arba vibruoja. Deformacijos fiksuojamos optiniu arba kitokiu detektoriu: dažniausiai lazerio spindulys atsispindi nuo kantileverio į fotodiodą, ir pokyčiai fotodiodo signale atspindi kantileverio pasvirimą.

Tipinis AFM nustatymo elementas:

antgalis (tipas, spindulys ir formos ypatumai lemia skiriamąją gebą),
kantileveris (jų elastingumas – pavasčio konstanta),
optinis detektorius (lazeris + fotodiodas) arba kitokios padėties jutikliai,
piezoelektrinis skaneris, judinantis mėginį arba antgalį trimis ašimis),
grįžtamojo ryšio (feedback) elektronika, palaikanti pastovų kontaktą arba jėgą),
programinė įranga vaizdų rekonstrukcijai ir duomenų analizei.

Skeneris braukia antgalį per paviršių rasteriu. Kontroliuodama kantileverio deformaciją, grįžtamojo ryšio sistema reguliuoja aukštį taip, kad tam tikra reikšmė (pvz., jėga ar amplitudė) būtų pastovi; taip gaunamas paviršiaus topografijos žemėlapis.

Pagrindiniai AFM veikimo režimai

Yra keli pagrindiniai režimai, dažniausiai sutinkami praktikoje:

Kontaktinis režimas – antgalis liečiasi su paviršiumi ir braukiamas nuolat; matuojamos kantileverio deformacijos. Nagrinėjama tiesioginė viršutinė topografija, tačiau gali būti didesnė rizika pažeisti minkštus mėginius.
Bakstelėjimo (tapping, intermitentinio kontakto) režimas – kantileveris vibruoja arti rezonansinės dažnio; antgalis periodiškai „baksnoja“ į paviršių. Sumažina šoninį trintį ir pažeidimo riziką, todėl tinkamas biologiniams ir minkštiems mėginiams.
Nekontaktinis režimas – antgalis neliestų paviršiaus, fiksuojamos ilgų atstumų jėgos (pvz., van der Waals), dažnai naudojamas labai švariems, kietiems paviršiams ir esant vakuumui.
Dinaminiai režimai – daug AFM metodų naudoja kantileverio rezonansą (vienfrekvenciniai ar multifrekvenciniai), leidžiantys gauti papildomos informacijos (pvz., fazės žemėlapius, mechanines savybes).
Fizikinių savybių matavimas – jėgų-atsako kreivių (force–distance) išanalizavimas leidžia nustatyti kietumą, lipnumą (adhesiją), elastines savybes, koeficientus ir t. t.
Specializuotos AFM rūšys: lateral force microscopy (trinties matavimai), magnetic force microscopy (MFM), conductive AFM (elektrinis laidumas), Kelvin probe force microscopy (paviršiaus potencialas) ir kt.

Jėgos ir signalai

AFM fiksuoja labai mažas jėgas (dažnai pikoNewtonų lygyje) ir aukštos vertikalinės skiriamosios gebos (sub-ångstrominės) pokyčius. Lateralus (šoninis) signalas leidžia tirti trintį, o fazės signalas – skirtingas mechanines ar adhezines savybes. AFM taip pat dažnai suderinamas su elektriniais ir magnetiniais matavimais, todėl vienu metu galima gauti ir topografiją, ir funkcines savybes.

Taikymo sritys

Nanotechnologijos ir paviršių fizika (atomų ir molekulių struktūrų tyrimai).
Biologija ir medicina – gyvų ląstelių paviršiaus ir membranų tyrimai vandens terpėje.
Medžiagų mokslas – kietumo, elastingumo ir nusidėvėjimo tyrimai (tribologija).
Elektronika – puslaidininkių paviršiaus analizė, laidumo matavimai.
Nanomanipuliacija ir nanolitografija – atomų ar nanodalelių perkėlimas bei paviršių modifikavimas.

Privalumai ir trūkumai

Privalumai:

Gali dirbti ore, vakuume arba skystyje (tinka gyviems mėginiams).
Didelė vertikalioji skiriamoji geba (sub-ångstrominė).
Galimybė matuoti mechanines, elektrines ir magnetines savybes vietiniu mastu.
Nereikalauja laidžių mėginių (skirtingai nuo SEM).

Trūkumai:

Vaizdo skiriamąją gebą riboja antgalio forma (tipinė „konvoliucijos“ klaida) – aštrus antgalis būtinas smulkiausiai topografijai.
Palankus tik paviršiui; vidinių struktūrų vaizdavimas reikalauja kitų metodų.
Lėtesnis skenavimo greitis nei kai kurių elektroninių metodų.
Antgalio nusidėvėjimas ir galimos artefaktai (driftas, vibracijos, neteisinga kalibracija).

Praktiniai aspektai ir patarimai

Kiekvienam tyrimui svarbu pasirinkti tinkamą kantileverį (pavasčio konstantą) ir antgalio tipą pagal mėginio kietumą ir reikalingą skiriamąją gebą.
Vengti vibracijų ir temperatūros svyravimų (naudoti antivibracines stalus, aplinkos kamerą), nes jie mažina vaizdo kokybę.
Reguliari kalibracija (vertikalus poslinkis, jautris fotodiodui, pavasčio konstanta) – patikimesniems kiekybiniams matavimams.

Ateities kryptys

AFM technologija nuolat vystoma: didelio greičio AFM leidžia stebėti dinamiką realiu laiku, multifrekvenciniai metodai suteikia daugiau cheminės ir mechaninės informacijos, o nauji antgaliai (pvz., funkcionalizuoti ar elektriniu būdu laidūs) plečia pritaikomumo sritis. Dėl šių pažangų AFM lieka viena pagrindinių priemonių paviršių ir nanostruktūrų tyrimams.

Apibendrinant, AFM – universali ir jautri technika, leidžianti ne tik matyti paviršiaus topografiją atominiu mastu, bet ir kiekybiškai įvertinti vietines mechanines, elektrines bei magnetines savybes, kas daro ją nepakeičiama daugelyje mokslinių ir taikomųjų disciplinų.

Susiję puslapiai

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra atominės jėgos mikroskopas (AFM)?

A.: Atominių jėgų mikroskopas (AFM) - tai mikroskopo tipas, kuriuo galima matyti atomų vaizdus ant paviršių arba paviršiuose. Juo galima stebėti atskirus atomus ir jis dažniausiai naudojamas nanotechnologijose.

K: Kaip veikia AFM?

A.: AFM veikia naudodamas itin ploną adatėlę, pritvirtintą prie konsolinės sijos. Adatos galiukas perbraukia per vaizduojamos medžiagos keteras ir slėnius, "apčiuopdamas" paviršių. Kai antgalis dėl paviršiaus juda aukštyn ir žemyn, konsolė pakrypsta. Vienoje iš pagrindinių konfigūracijų lazeris šviečia į konsolę įstrižu kampu, todėl keičiant lazerio spindulio kritimo kampą galima tiesiogiai išmatuoti konsolės deformaciją. Taip sukuriama vaizdą atskleidžianti konfigūracija, kai molekulės yra atvaizduojamos aparatu.

K.: Kokie yra kai kurie AFM privalumai, palyginti su skenuojančiais elektroniniais mikroskopais (SEM)?

A: AFM užtikrina didesnę skiriamąją gebą nei SEM, be to, jiems nereikia veikti vakuume, kaip SEM - jie gali veikti aplinkos ore arba vandenyje, todėl juos galima naudoti biologiniams mėginiams, pavyzdžiui, gyvoms ląstelėms, jų nepažeidžiant.

K: Kokie yra AFM veikimo režimai?

A.: Dažniausiai naudojami tokie AFM darbo režimai: kontaktinis režimas, kai antgalis paprasčiausiai judinamas paviršiumi ir matuojamos konsolės deformacijos; prisilietimo režimas, kai antgalis, judėdamas išilgai, prisiliečia prie paviršiaus; pertraukiamo kontakto režimas; nekontaktinis režimas; dinaminis režimas; statinis režimas; ir kiti - tai dažnai yra pirmiau aprašytų prisilietimo ir kontaktinio režimo variantai.

K.: Kuo skiriasi bakstelėjimo režimas nuo kontaktinio režimo?

A.: Bakstelėjimo režimas skiriasi nuo kontaktinio režimo, nes naudojant bakstelėjimo režimą antgalis baksnoja į paviršių judėdamas išilgai, užuot judėjęs skersai - tai leidžia jam atsitraukti nuo paviršiaus, kai adata užčiuopia briauną, kad judėdamas skersai jis nesusidurtų su paviršiumi, todėl jis naudingas minkštiems paviršiams, pvz., biologiniams mėginiams, nes taip mažiau tikėtina juos pažeisti.