Atomkraft-Mikroskopie (AFM) oder Abtastung der Kraft-Mikroskopie (SFM) sind ein sehr hochauflösender Typ, Untersuchungsmikroskopie mit der demonstrierten Entschlossenheit auf der Ordnung von Bruchteilen eines Nanometers mehr als 1000mal besser zu scannen, als die optische Beugungsgrenze. Der Vorgänger zum AFM, die Abtastung tunneling Mikroskop, wurde von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am Anfang der 1980er Jahre an IBM Research - Zürich, eine Entwicklung entwickelt, die sie der Nobelpreis für die Physik 1986 verdient hat. Binnig, Quate und Gerber haben das erste Atomkraft-Mikroskop (auch abgekürzt als AFM) 1986 erfunden. Das erste gewerblich verfügbare Atomkraft-Mikroskop wurde 1989 eingeführt. Der AFM ist eines der ersten Werkzeuge für die Bildaufbereitung, das Messen und die Manipulierung der Sache am nanoscale.

Die Information wird durch "das Gefühl" der Oberfläche mit einer mechanischen Untersuchung gesammelt.

Piezoelektrische Elemente, die winzige, aber genaue und genaue Bewegungen auf (dem elektronischen) Befehl erleichtern, ermöglichen die sehr genaue Abtastung. In einigen Schwankungen können elektrische Potenziale auch mit dem Leiten von Auslegern gescannt werden. In neueren fortgeschritteneren Versionen können Ströme sogar durch den Tipp passiert werden, um das elektrische Leitvermögen oder den Transport der zu Grunde liegenden Oberfläche zu untersuchen, aber das ist mit sehr wenigen Forschungsgruppen viel schwieriger, die konsequente Daten melden.

Kernprinzipien

Der AFM besteht aus einem Ausleger mit einem scharfen Tipp (Untersuchung) an seinem Ende, das verwendet wird, um die Muster-Oberfläche zu scannen. Der Ausleger ist normalerweise Silikon- oder Silikonnitrid mit einem Tipp-Radius der Krümmung auf der Ordnung von Nanometern. Wenn der Tipp in die Nähe einer Beispieloberfläche gebracht wird, führen Kräfte zwischen dem Tipp und der Probe zu einer Ablenkung des Auslegers gemäß dem Gesetz von Hooke. Abhängig von der Situation schließen Kräfte, die in AFM gemessen werden, mechanische Kontakt-Kraft, Kräfte von van der Waals, kapillare Kräfte, das chemische Abbinden, die elektrostatischen Kräfte, magnetische Kräfte ein (sieh magnetisches Kraft-Mikroskop, MFM), Kräfte von Casimir, solvation Kräfte, usw. Zusammen mit der Kraft können zusätzliche Mengen gleichzeitig durch den Gebrauch von Spezialtypen der Untersuchung gemessen werden (sieh scannende Thermalmikroskopie, Joule-Vergrößerungsmikroskopie, Photothermalmikrospektroskopie, usw. scannend) . Gewöhnlich wird die Ablenkung mit einem Laserpunkt gemessen, der von der Spitzenoberfläche des Auslegers in eine Reihe von Fotodioden widerspiegelt ist. Andere Methoden, die verwendet werden, schließen optischen interferometry, kapazitive Abfragung oder piezoresistive AFM Ausleger ein. Diese Ausleger werden mit piezoresistive Elementen fabriziert, die als ein Beanspruchungsmaß handeln. Mit einer Wheatstone-Brücke kann die Beanspruchung im AFM Ausleger wegen der Ablenkung gemessen werden, aber diese Methode ist nicht so empfindlich wie Laserablenkung oder interferometry.

Wenn der Tipp an einer unveränderlichen Höhe gescannt würde, würde eine Gefahr bestehen, dass der Tipp mit der Oberfläche kollidiert, Schaden verursachend. Folglich in den meisten Fällen wird ein Feed-Back-Mechanismus verwendet, um die Entfernung des Tipps zur Probe anzupassen, um eine unveränderliche Kraft zwischen dem Tipp und der Probe aufrechtzuerhalten. Traditionell wird die Probe auf einer piezoelektrischen Tube bestiegen, die die Probe in der z Richtung bewegen kann, für eine unveränderliche Kraft, und den x und die y Richtungen aufrechtzuerhalten, für die Probe zu scannen. Wechselweise kann eine 'Dreifuß'-Konfiguration von drei Piezokristallen, mit jedem verwendet werden, der dafür verantwortlich ist, im x, y und den z Richtungen zu scannen. Das beseitigt einige der mit einem Tube-Scanner gesehenen Verzerrungseffekten. In neueren Designs wird der Tipp auf einem vertikalen Piezoscanner bestiegen, während die Probe in X und Y gescannt wird, der einen anderen Piezoblock verwendet. Die resultierende Karte des Gebiets z = f (x, y) vertritt die Topografie der Probe.

Der AFM kann in mehreren Weisen abhängig von der Anwendung bedient werden. Im Allgemeinen werden mögliche Bildaufbereitungsweisen in den statischen (auch genannt Kontakt) Weisen und eine Vielfalt von dynamischen (Nichtkontakt geteilt oder "klopfend") Weisen, wo der Ausleger vibrieren lassen wird.

Bildaufbereitung von Weisen

Die primären Verfahrensweisen für einen AFM sind statische Weise und dynamische Weise. In der statischen Weise wird der Ausleger über die Oberfläche der Probe "geschleppt", und die Konturen der Oberfläche werden direkt mit der Ablenkung des Auslegers gemessen. In der dynamischen Weise wird der Ausleger an oder in der Nähe von seiner grundsätzlichen Klangfülle-Frequenz oder einer Harmonischen äußerlich in Schwingungen versetzt. Der Schwingungsumfang, die Phase und die Klangfülle-Frequenz werden durch mit dem Tippbeispielwechselwirkungskräfte modifiziert. Diese Änderungen in der Schwingung in Bezug auf die Schwingung des externen Verweises geben Auskunft über die Eigenschaften der Probe.

Setzen Sie sich mit Weise in Verbindung

In der statischen Weise-Operation wird die statische Tipp-Ablenkung als ein Feed-Back-Signal verwendet. Weil das Maß eines statischen Signals für das Geräusch und den Antrieb anfällig ist, werden niedrige Steifkeitsausleger verwendet, um das Ablenkungssignal zu erhöhen. Jedoch, in der Nähe von der Oberfläche der attraktiven Beispielkräfte kann ziemlich stark sein, den Tipp veranlassend - in" zur Oberfläche "zu schnappen. So wird statischer Weise-AFM fast immer im Kontakt getan, wo die gesamte Kraft abstoßend ist. Folglich wird diese Technik normalerweise "Kontakt-Weise" genannt. In der Kontakt-Weise, der Kraft zwischen dem Tipp und der Oberfläche wird unveränderlich während der Abtastung durch das Aufrechterhalten einer unveränderlichen Ablenkung behalten.

Setzen Sie sich mit Weise in Verbindung nicht

In dieser Weise setzt sich der Tipp des Auslegers mit der Beispieloberfläche nicht in Verbindung. Der Ausleger wird stattdessen an einer Frequenz ein bisschen über seiner Resonanzfrequenz in Schwingungen versetzt, wo der Umfang der Schwingung normalerweise einige Nanometer ist (

In der Umfang-Modulation stellen Änderungen im Schwingungsumfang oder der Phase das Feed-Back-Signal für die Bildaufbereitung zur Verfügung. In der Umfang-Modulation können Änderungen in der Phase der Schwingung verwendet werden, um zwischen verschiedenen Typen von Materialien auf der Oberfläche zu unterscheiden. Umfang-Modulation kann entweder im Nichtkontakt oder im Wackelkontakt-Regime bedient werden. In der dynamischen Kontakt-Weise wird der Ausleger solch in Schwingungen versetzt, dass die Trennungsentfernung zwischen dem freitragenden Tipp und der Beispieloberfläche abgestimmt wird.

Umfang-Modulation ist auch im Nichtkontakt-Regime an das Image mit der Atomentschlossenheit durch das Verwenden sehr steifer Ausleger und kleiner Umfänge in einer Ultrahochvakuum-Umgebung gewöhnt gewesen.

Das Klopfen der Weise

In umgebenden Bedingungen entwickeln die meisten Proben eine flüssige Meniskus-Schicht. Wegen dessen, den Untersuchungstipp nahe genug zur Probe für Kräfte für kurze Strecken behaltend, um feststellbar zu werden, während man den Tipp davon abhält, bei der Oberfläche zu bleiben, wirft ein Hauptproblem für den Nichtkontakt dynamische Weise in umgebenden Bedingungen auf. Dynamische Kontakt-Weise (auch genannt Wackelkontakt oder klopfende Weise) wurde entwickelt, um dieses Problem zu umgehen.

In der klopfenden Weise, auch genannt "AC Weise" oder "Wackelkontakt-Weise", wird der Ausleger gesteuert, oben und unten an der Nähe zu schwingen, seine Klangfülle-Frequenz durch ein kleines piezoelektrisches im AFM bestiegenes Element neigt Halter, der ähnlich ist, um sich mit Weise in Verbindung nichtzusetzen. Jedoch ist der Umfang dieser Schwingung größer als 10 nm, normalerweise 100 bis 200 nm. Wegen der Wechselwirkung von Kräften, die dem Ausleger folgen, wenn der Tipp in der Nähe von der Oberfläche, Kraft von Van der Waals kommt, veranlasst Dipoldipol-Wechselwirkung, elektrostatische Kräfte, usw. den Umfang dieser Schwingung abzunehmen, weil der Tipp näher an der Probe wird. Eine elektronische Rudermaschine verwendet den piezoelektrischen Auslöser, um die Höhe des Auslegers über der Probe zu kontrollieren. Die Rudermaschine passt die Höhe an, um einen freitragenden Satz-Schwingungsumfang aufrechtzuerhalten, weil der Ausleger über die Probe gescannt wird. Ein klopfendes AFM Image wird deshalb durch die Bildaufbereitung der Kraft der Wackelkontakte des Tipps mit der Beispieloberfläche erzeugt.

Diese Methode "zu klopfen" vermindert den Schaden, der durch die Oberfläche und den Tipp im Vergleich zum in der Kontakt-Weise getanen Betrag angerichtet ist.

Das Klopfen der Weise ist sogar für die Vergegenwärtigung von unterstütztem lipid bilayers sanft genug oder hat einzelne Polymer-Moleküle (zum Beispiel, 0.4 nm dicke Ketten von synthetischen Polyelektrolyten) unter dem flüssigen Medium adsorbiert. Mit richtigen Abtastungsrahmen kann die Angleichung von einzelnen Molekülen unverändert seit Stunden bleiben.

AFM freitragendes Ablenkungsmaß

Das Laserlicht von einer Diode des festen Zustands wird vom Rücken des Auslegers widerspiegelt und durch eine Position empfindlichen Entdecker (PSD) gesammelt, die aus zwei nah Fotodioden unter Drogeneinfluss besteht, deren Produktionssignal durch einen Differenzialverstärker gesammelt wird.

Die winkelige Versetzung des Auslegers läuft auf eine Fotodiode hinaus, die sich leichter versammelt als die andere Fotodiode, ein Produktionssignal erzeugend (der Unterschied zwischen den Fotodiode-Signalen, die durch ihre Summe normalisiert sind), der zur Ablenkung des Auslegers proportional ist. Es entdeckt freitragende Ablenkungen Außerdem, AFM wurde verwendet, um, in einer wässrigen Umgebung, die Streuungskraft wegen des auf dem Substrat adsorbierten Polymers zu messen. Kräfte der Ordnung von einigen piconewtons können jetzt mit einer vertikalen Entfernungsentschlossenheit besser alltäglich gemessen werden als 0.1 Nanometer. Kraft-Spektroskopie kann entweder mit statischen oder mit dynamischen Weisen durchgeführt werden. In dynamischen Weisen wird die Information über das freitragende Vibrieren zusätzlich zur statischen Ablenkung kontrolliert.

Probleme mit der Technik schließen kein direktes Maß der mit dem Tippbeispieltrennung und des allgemeinen Bedürfnisses nach niedrigen Steifkeitsauslegern ein, die dazu neigen, zur Oberfläche 'zu schnappen'. Das Schnappen - darin kann durch das Messen in Flüssigkeiten oder durch das Verwenden steiferer Ausleger reduziert werden, aber im letzten Fall ist ein empfindlicherer Ablenkungssensor erforderlich. Durch die Verwendung einer kleinen Aufregung auf den Tipp kann die Steifkeit (Kraft-Anstieg) des Bandes ebenso gemessen werden.

Identifizierung von individuellen Oberflächenatomen

Der AFM kann verwendet werden, um Atome und Strukturen auf einer Vielfalt von Oberflächen darzustellen und zu manipulieren. Das Atom an der Spitze der Tipp-"Sinn"-Person-Atome auf der zu Grunde liegenden Oberfläche, wenn es beginnende chemische Obligationen mit jedem Atom bildet. Weil diese chemischen Wechselwirkungen subtil die Schwingungszahl des Tipps verändern, können sie entdeckt und kartografisch dargestellt werden. Dieser Grundsatz wurde verwendet, um zwischen Atomen von Silikon, Dose zu unterscheiden und eine Legierungsoberfläche, durch das Vergleichen dieser 'Atomfingerabdrücke' mit bei groß angelegten Simulationen der Dichte funktionellen Theorie (DFT) erhaltenen Werten an die Nase herumzuführen.

Der Trick soll zuerst diese Kräfte genau für jeden Typ des Atoms messen, das in der Probe erwartet ist, und dann sich mit durch DFT Simulationen gegebenen Kräften zu vergleichen. Die Mannschaft hat gefunden, dass der Tipp am stärksten mit Silikonatomen aufeinander gewirkt hat, und 23 % und um 41 % weniger stark mit Dose und Leitungsatomen beziehungsweise aufeinander gewirkt hat. So kann jeder verschiedene Typ des Atoms in der Matrix identifiziert werden, als der Tipp über die Oberfläche bewegt wird.

Vorteile und Nachteile

Gerade wie jedes andere Werkzeug hat eine Nützlichkeit eines AFM Beschränkungen. Wenn es bestimmt, ob das Analysieren einer Probe mit einem AFM passend ist, gibt es verschiedene Vorteile und Nachteile, die betrachtet werden müssen.

Vorteile

AFM hat mehrere Vorteile gegenüber der Abtastung des Elektronmikroskops (SEM). Verschieden vom Elektronmikroskop, das einen zweidimensionalen Vorsprung oder ein zweidimensionales Image einer Probe zur Verfügung stellt, stellt der AFM ein dreidimensionales Oberflächenprofil zur Verfügung. Zusätzlich verlangen durch AFM angesehene Proben keine speziellen Behandlungen (wie Überzüge des Metalls/Kohlenstoff), der irreversibel ändern oder die Probe beschädigen würde, und darunter nicht normalerweise leidet, Kunsterzeugnisse im Endimage zu beladen. Während ein Elektronmikroskop eine teure Vakuumumgebung für die richtige Operation braucht, können die meisten AFM Weisen vollkommen gut in umgebender Luft oder sogar einer flüssigen Umgebung arbeiten. Das macht es möglich, biologische Makromoleküle und sogar lebende Organismen zu studieren. Im Prinzip kann AFM höhere Entschlossenheit zur Verfügung stellen als SEM. Wie man gezeigt hat, hat es wahre Atomentschlossenheit im Ultrahochvakuum (UHV) und mehr kürzlich in flüssigen Umgebungen gegeben. Hohe Entschlossenheit AFM ist in der Entschlossenheit gegenüber der Abtastung tunneling Mikroskopie und Übertragungselektronmikroskopie vergleichbar. AFM kann auch mit einer Vielfalt von optischen Mikroskopie-Techniken verbunden werden, weiter seine Anwendbarkeit ausbreitend. Vereinigte AFM-optische Instrumente sind in erster Linie in den biologischen Wissenschaften angewandt worden, aber hat auch eine Nische in einigen Material-Anwendungen, besonders diejenigen gefunden, die photovoltaics Forschung einschließen.

Nachteile

Ein Nachteil von AFM im Vergleich zur Abtastung des Elektronmikroskops (SEM) ist die einzelne Ansehen-Bildgröße. In einem Pass kann der SEM ein Gebiet auf der Ordnung von Quadratmillimetern mit einer Tiefe des Feldes auf der Ordnung von Millimetern darstellen, wohingegen der AFM nur eine maximale Höhe auf der Ordnung von 10-20 Mikrometern und einem maximalen Abtastungsgebiet ungefähr 150×150 Mikrometer darstellen kann. Eine Methode, die gescannte Bereichsgröße für AFM zu verbessern, ist durch das Verwenden paralleler Untersuchungen nach einer dieser der Tausendfuß-Datenlagerung ähnlichen Mode.

Die Abtastgeschwindigkeit eines AFM ist auch eine Beschränkung. Traditionell kann ein AFM nicht Images so schnell wie ein SEM scannen, mehrere Minuten für ein typisches Ansehen verlangend, während ein SEM zur Abtastung an der schritthaltenden Nähe, obwohl an der relativ niedrigen Qualität fähig ist. Die relativ langsame Rate der Abtastung während AFM, der häufig darstellt, führt zu Thermalantrieb im Image, das das AFM Mikroskop macht, das weniger passend ist, um genaue Entfernungen zwischen topografischen Eigenschaften auf dem Image zu messen. Jedoch wurden mehrere schnell handelnde Designs angedeutet, Mikroskop zu vergrößern, Produktivität einschließlich scannend, was videoAFM genannt wird (angemessene Qualitätsimages werden mit videoAFM an der Videorate erhalten: schneller als der durchschnittliche SEM). Um durch den Thermalantrieb veranlasste Bildverzerrungen zu beseitigen, sind mehrere Methoden eingeführt worden.

AFM Images können auch durch die Nichtlinearität, magnetische Trägheit betroffen werden, und vom piezoelektrischen Material und Quer-Gespräch zwischen dem x, y, z Äxte kriechen, die Softwareerhöhung und Entstörung verlangen können. Solche Entstörung konnte echte topografische Eigenschaften "glatt machen". Jedoch verwerten neuere AFMs Echtzeitkorrektur-Software (zum Beispiel, Eigenschaft-orientierte Abtastung) oder Scanner des geschlossenen Regelkreises, die praktisch diese Probleme beseitigen. Einige AFMs verwenden auch getrennte orthogonale Scanner (im Vergleich mit einer einzelnen Tube), die auch dienen, um einen Teil der Quer-Gespräch-Probleme zu beseitigen.

Als mit jeder anderen Bildaufbereitungstechnik gibt es die Möglichkeit von Bildkunsterzeugnissen, die durch einen unpassenden Tipp, eine schlechte Betriebsumgebung, oder sogar durch die Probe selbst veranlasst werden konnten. Wie gezeichnet, rechts. Diese Bildkunsterzeugnisse sind jedoch unvermeidlich, ihr Ereignis und Wirkung auf Ergebnisse können durch verschiedene Methoden reduziert werden.

Kunsterzeugnisse, die sich aus einem zu rauen Tipp ergeben, können zum Beispiel durch das unpassende Berühren oder tatsächlich die Kollisionen mit der Probe entweder durch die Abtastung zu schnell verursacht werden oder durch eine unvernünftig raue Oberfläche zu haben, die das wirkliche Tragen des Tipps verursacht.

Wegen der Natur von AFM-Untersuchungen können sie nicht steile Wände normalerweise messen oder hängen über. Besonders gemachte Ausleger und AFMs können verwendet werden, um die Untersuchung seitwärts sowie oben und unten (als mit dynamischen Kontakt- und Nichtkontakt-Weisen) abzustimmen, um Flanken auf Kosten von teureren Auslegern zu messen, seitliche Entschlossenheit und zusätzliche Kunsterzeugnisse zu senken.

Piezoelektrische Scanner

AFM Scanner werden vom piezoelektrischen Material gemacht, das sich ausbreitet und sich proportional zu einer angewandten Stromspannung zusammenzieht. Ob sie sich verlängern oder Vertrag von der Widersprüchlichkeit der angewandten Stromspannung abhängt. Der Scanner wird durch das Kombinieren gebaut unabhängig hat Piezoelektroden für X, Y, und Z in eine einzelne Tube bedient, einen Scanner bildend, der Proben und Untersuchungen mit der äußersten Präzision in 3 Dimensionen manipulieren kann. Unabhängige Stapel von piezos können statt einer Tube verwendet werden, decoupled X, Y, und Z Bewegung hinauslaufend.

Scanner werden durch ihre Empfindlichkeit charakterisiert, die das Verhältnis der Piezobewegung zur Piezostromspannung, d. h., dadurch ist, wie viel das Piezomaterial erweitert oder pro angewandtes Volt zusammenzieht. Wegen Unterschiede im Material oder der Größe ändert sich die Empfindlichkeit vom Scanner bis Scanner. Empfindlichkeit ändert sich nichtlinear in Bezug auf die Ansehen-Größe. Piezoscanner stellen mehr Empfindlichkeit am Ende aus als am Anfang eines Ansehens. Das veranlasst den nachschicke und das Rückansehen, sich verschieden zu benehmen und magnetische Trägheit zwischen den zwei Ansehen-Richtungen zu zeigen. Das kann durch die Verwendung einer nichtlinearen Stromspannung auf die Piezoelektroden korrigiert werden, um geradlinige Scanner-Bewegung und das Kalibrieren des Scanners entsprechend zu verursachen. Ein Nachteil dieser Annäherung ist, dass sie Wiederkalibrierung verlangt, weil die genaue nichtlineare Stromspannung nichtlineare Bewegung korrigieren musste, wird sich als die Piezoalter (sieh unten) ändern. Dieses Problem kann durch das Hinzufügen eines geradlinigen Sensors zur Beispielbühne oder Piezobühne überlistet werden, um die wahre Bewegung des Piezo-zu entdecken. Abweichungen von der idealen Bewegung können durch den Sensor und die auf das Piezolaufwerk-Signal angewandten Korrekturen entdeckt werden, für die nichtlineare Piezobewegung zu korrigieren. Dieses Design ist als ein 'geschlossener Regelkreis' AFM bekannt. Non-sensored Piezo-AFMs werden 'offene Schleife' AFMs genannt.

Die Empfindlichkeit von piezoelektrischen Materialien nimmt exponential mit der Zeit ab. Das veranlasst den grössten Teil der Änderung in der Empfindlichkeit, in den anfänglichen Stufen des Lebens des Scanners vorzukommen. Piezoelektrische Scanner werden seit etwa 48 Stunden geführt, bevor sie von der Fabrik verladen werden, so dass sie der Punkt vorbei sind, wo sie große Änderungen in der Empfindlichkeit haben können. Als die Scanner-Alter wird sich die Empfindlichkeit weniger mit der Zeit ändern, und der Scanner würde selten Wiederkalibrierung verlangen, obwohl verschiedene Hersteller-Handbücher monatlich der halbmonatlichen Kalibrierung der offenen Schleife AFMs empfehlen.

Siehe auch

• Reibungskraft, die kartografisch darstellt
• Die Abtastung tunneling Mikroskop
• Die Abtastung der Untersuchungsmikroskopie
• Die Abtastung der Stromspannungsmikroskopie
• Oberflächenkraft-Apparat
• Photoleitende Atomkraft-Mikroskopie

Links

• ICH 597/PHYS 570: Grundlagen der Atomkraft-Mikroskopie
• DoITPoMS lehrend und das Lernen des Pakets - Atomkraft-Mikroskopie
• SPM Galerie: Erscheinen Sie Ansehen, Collagen, Gestaltungsarbeiten, Tischtapeten

Weiterführende Literatur

• SPM - Untersuchungsmikroskopie-Website scannend
• Atomkraft-Mikroskopie-Quellenbibliothek
• R. W. Carpick und M. Salmeron, die Oberfläche Kratzend: Grundsätzliche Untersuchungen von tribology mit der Atomkraft-Mikroskopie, den Chemischen Rezensionen, vol. 97, iss. 4, Seiten 1163-1194 (1997).