Скануючий атомно-силовий мікроскоп, Наука, FANDOM powered by Wikia

Атомно-силовий мікроскоп(англ.AFM - atomic force microscope) - скануючий зондовий мікроскоп високої роздільної здатності, заснований на взаємодії голки кантильовера (зонда) з поверхнею досліджуваного зразка. Зазвичай під взаємодією розуміється тяжіння чи відштовхування кантилевера від поверхні через сили Ван-дер Ваальса. Але при використанні спеціальних кантилеверів можна вивчати електричні та магнітні властивості поверхні. На відміну від скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) може досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні, навіть через шар рідини, що дозволяє працювати з органічними молекулами (ДНК). Просторова роздільна здатність атомно-силового мікроскопа залежить від розміру кантилевера і кривизни його вістря. Роздільна здатність досягає на атомарному рівні по горизонталі і істотно перевищує його по вертикалі.

Атомно-силовий мікроскоп був винайдений у 1986 році Гердом Біннігом та Крістофом Гербером у США. Атомно-силовий мікроскоп застосовується для фотографування профілю поверхні та зміни її рельєфу, а також для маніпулювання: переміщення, додавання, видалення мікроелементів на поверхні об'єкта

Принцип роботи

Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) є системою зразок + голка. На малих відстанях між двома атомами, один на підкладці, інший на вістря, на відстані близько одного ангстрему діють сили відштовхування, а на великих - сили тяжіння. Розмір цього зусилля експоненційно залежить від відстані зразок-голка. Відхилення зонда при дії близьких атомів реєструються за допомогою вимірювача нанопереміщень, зокрема використовують оптичні, ємнісні або тунельні сенсори. Додавши до цієї системи пристрійрозгортки по осях X і Y, одержують скануючий АСМ. Приймаючи, що електронні стани (орбіталі) локалізовані кожному атомному ділянці, то при скануванні поверхні зразка у бік X чи Y з одночасним виміром вихідного аналогового сигналу у напрямку Z можна отримати картину поверхневої структури на атомному рівні системі координат XYZ, тобто.3Dвигляді.

Основні технічні складності під час створення мікроскопа:

Створення голки, загостреної до атомних розмірів.
Забезпечення механічної (у тому числі теплової та вібраційної) стабільності на рівні краще 0,1 ангстрему.
Створення детектора, здатного надійно фіксувати такі малі переміщення.
Створення системи розгортки з кроком у частині ангстрему.
Забезпечує плавне зближення голки з поверхнею.

Переваги та недоліки

У порівнянні з растровим електронним мікроскопом (РЕМ) атомно-силовий мікроскоп має низку переваг. Так, на відміну від РЕМ, який дає псевдо тривимірне зображення поверхні зразка, АСМ дозволяє отримати тривимірний рельєф поверхні. Крім того, непровідна поверхня, що розглядається за допомогою АСМ, не вимагає нанесення провідного металевого покриття, яке часто призводить до помітної деформації поверхні. Для нормальної роботи РЕМ потрібен вакуум, тоді як більшість режимів АСМ можуть бути реалізовані на повітрі або навіть у рідині. Ця обставина відкриває можливість вивчення біомакромолекул та живих клітин. У принципі, АСМ здатний дати вищу роздільну здатність ніж РЕМ. Так було показано, що АСМ може забезпечити реальне атомне дозвіл за умов надвисокого вакууму. Надвисококовакуумний АСМ з дозволупорівняємо зі скануючим тунельним мікроскопом і електронним мікроскопом, що просвічує.

До нестачі АСМ при його порівнянні з РЕМ слід віднести невеликий розмір поля сканування. РЕМ в змозі просканувати область поверхні розміром кілька міліметрів в латеральній площині з перепадом висот кілька міліметрів у вертикальній площині. У АСМ максимальний перепад висот становить кілька мікронів, а максимальне поле сканування в кращому випадку близько 150×150 мікронів. Інша проблема полягає в тому, що при високій роздільній здатності якість зображення визначається радіусом кривизни кінчика зонда, що при неправильному виборі зонда призводить до появи артефактів на зображенні.

Зображення, отримані на АСМ, можуть бути спотворені гістерезисом п'єзокерамічного матеріалу сканера (Lapshin, 1995), а також перехресними паразитними зв'язками, що діють між X, Y, Z елементами сканера, що може вимагати програмної корекції. Сучасні АСМ використовують програмне забезпечення, яке вносить виправлення в реальному масштабі часу (наприклад, особливість-орієнтоване сканування, особливість-орієнтоване позиціонування, Lapshin, 2004, 2007), або сканери, забезпечені замкнутими системами, що стежать, які практично усувають дані проблеми. Деякі АСМ замість п'єзрубки використовують XY та Z елементи сканера механічно незв'язані один з одним, що також дозволяє виключити частину паразитних зв'язків.

АСМ можна використовувати для визначення типу атома в кристалічній решітці [1].

Цікаві наслідки

Маніпулятор АСМ і СТМ дозволяє при габаритах в кілька сантиметрів пересувати голку з роздільною здатністю краще 0,1 Ǻ. Якби промисловий робот мав таку точність переміщеньпри габаритах близько метра, то голкою, затиснутою в маніпуляторах, він міг би намалювати коло діаметром кілька нанометрів.

Коефіцієнт температурного розширення більшості матеріалів близько 10 -6. При розмірах маніпулятора кілька сантиметрів зміна температури на 0,01° призводить до переміщення голки внаслідок теплового дрейфу на 1 Ǻ.