Скануючий атомно-силовий мікроскоп

мікроскоп

Атомно-силовий мікроскоп(АСМ, англ. AFM - atomic-force microscope) - скануючий зондовий мікроскоп високої роздільної здатності. Використовується визначення рельєфу поверхні з роздільною здатністю від десятків ангстрем до атомарного.

На відміну від скануючого тунельного мікроскопа, за допомогою атомно-силового мікроскопа можна досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні. Зважаючи на здатність не тільки сканувати, а й маніпулювати атомами, названий силовим.

Зміст

Атомно-силовий мікроскоп був створений у 1982 році Гердом Біннігом, Кельвіном Куейтом і Крістофером Гербером у Цюріху (Швейцарія), як модифікація винайденого раніше скануючого тунельного мікроскопа.

Для визначення рельєфу поверхонь непровідних тіл використовувалася пружна консоль (кантилевер), відхилення якої, у свою чергу, визначалося зміни величини тунельного струму, як у тунельному мікроскопі, що сканує [1] . Однак такий метод реєстрації зміни положення кантилевера виявився не найвдалішим, і двома роками пізніше було запропоновано оптичну схему: промінь лазера прямує на зовнішню поверхню кантилевера, відбивається і потрапляє на фотодетектор [2] . Такий метод реєстрації відхилення кантилевера реалізований у більшості сучасних атомно-силових мікроскопів.

Спочатку атомно-силовий мікроскоп фактично був профілометром, тільки радіус закруглення голки був близько десятків ангстрем. Прагнення покращити латеральний дозвіл призвело до розвитку динамічних методів. П'єзовібратором збуджуються коливання кантилевера з певною частотою та фазою. При наближенні до поверхні на кантилевер починають діяти сили, що змінюють частотні властивості. Таким чином, відстежуючи частоту та фазуколивань кантилевера, можна зробити висновок про зміну сили, що діє з боку поверхні і, отже, про рельєф [3] .

Подальший розвиток атомно-силової мікроскопії призвело до виникнення таких методів, як магнітно-силова мікроскопія, силова мікроскопія п'єзовідгуку, електросилової мікроскопії.

Принцип роботи атомно-силового мікроскопа ґрунтується на реєстрації силової взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка та зондом. Як зонд використовується нанорозмірне вістря, що розташовується на кінці пружної консолі, яка називається кантилевером. Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до згинання консолі. Поява височин або западин під вістрям призводить до зміни сили, що діє на зонд, а значить, і зміни величини вигину кантилевера. Таким чином, реєструючи величину вигину, можна зробити висновок про рельєф поверхні.

Під силами, що діють між зондом і зразком, в першу чергу мають на увазі дальнодіючі сили Ван-дер-Ваальса, які спочатку є силами тяжіння, а при подальшому зближенні переходять у сили відштовхування.

Інші сили

Незважаючи на те, що при описі роботи атомно-силового мікроскопа дуже часто згадуються лише сили Ван-дер-Ваальса, насправді з боку поверхні діє ряд взаємодій, такі як пружні сили, сили адгезії, капілярні сили. Їх внесок особливо очевидний при роботі в напівконтактному режимі, коли внаслідок «прилипання» кантилевера до поверхні виникають гістерези, які можуть суттєво ускладнювати процес отримання зображення та інтерпретацію результатів.

Крім того, з боку поверхні можлива дія магнітних та електростатичних сил. Використовуючи певні методики та спеціальні зонди, можнадізнатися про їх розподіл по поверхні.

Основними конструктивними складовими атомно-силового мікроскопа є:

  • Жорсткий корпус, що утримує систему
  • Утримувач зразка, на якому зразок згодом закріплюється
  • Пристрої маніпуляції

Залежно від конструкції мікроскопа можливий рух зонда щодо нерухомого зразка або рух зразка щодо закріпленого зонда. Маніпулятори поділяються на дві групи. Перша група призначена для «грубого» регулювання відстані між кантилевером та зразком (діапазон руху порядку сантиметрів), друга – для прецизійного переміщення у процесі сканування (діапазон руху порядку мікрон). Як прецизійні маніпулятори (або сканерів) використовуються елементи з п'єзокераміки. Вони здатні здійснювати переміщення на відстані порядку ангстрем, проте їм притаманні такі недоліки, як термодрейф, нелінійність, гістерезис, повзучість (крип).

  • Зонд
  • Система реєстрації відхилення зонда. Існує кілька можливих систем:
  • Оптична (включає лазер та фотодіод, найбільш поширена)
  • П'єзоелектрична (використовує прямий та зворотний п'єзоефект)
  • Інтерферометрична (складається з лазера та оптоволокна)
  • Ємнісна (вимірюється зміна ємності між кантилевером і розташованою вище нерухомою пластиною)
  • Тунельна (історично перша, реєструє зміну тунельного струму між провідним кантилевером і розташованою вище тунельною голкою)
  • Система зворотного зв'язку
  • Керуючий блок із електронікою

У порівнянні з растровим електронним мікроскопом (РЕМ) атомно-силовий мікроскоп має низку переваг.Так, на відміну від РЕМ, який дає псевдотрьохвимірне 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 більший дозвіл, ніж РЕМ. Так, було показано, що АСМ може забезпечити реальне атомне дозвіл за умов надвисокого вакууму. Надвисококовакуумний АСМ за роздільною здатністю порівняємо 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.

Нелінійність, гістерезис та повзучість (крип) п'єзокераміки сканера також є причинами сильних спотворень АСМ-зображень. Крім того, частина спотворень виникає через взаємні паразитні зв'язки, що діють між X, Y, Z-маніпуляторами сканера. Для виправлення спотворень у реальномуВ масштабі часу сучасні АСМ використовують програмне забезпечення (наприклад, особливість-орієнтоване сканування) або сканери, забезпечені замкнутими системами, що стежать, до складу яких входять лінійні датчики положення. Деякі АСМ замість сканера у вигляді п'єзрубки використовують XY та Z-елементи, механічно незв'язані один з одним, що дозволяє виключити частину паразитних зв'язків. Однак у певних випадках, наприклад, при поєднанні з електронним мікроскопом або ультрамікротомами конструктивно виправдано використання саме сканерів на п'єзрубках.

АСМ можна використовувати визначення типу атома в кристалічній решітці. [6]

Як правило, зняте на сканувальному зондовому мікроскопі зображення важко піддається розшифровці через властиві даному методу спотворень. Майже завжди результати початкового сканування піддаються математичної обробки. Зазвичай, для цього використовується програмне забезпечення, що безпосередньо поставляється зі скануючого зондового мікроскопа (СЗМ), що не завжди зручно через те, що в такому випадку програмне забезпечення виявляється встановленим тільки на комп'ютері, який керує мікроскопом. [джерело не вказано 2005 днів]

В даний час скануючі зондові мікроскопи знайшли застосування практично у всіх галузях науки. У фізиці, хімії, біології використовують як інструмент дослідження АСМ. Зокрема, такі міждисциплінарні науки, як біофізика, матеріалознавство, біохімія, фармацевтика, нанотехнології, фізика та хімія поверхні, електрохімія, дослідження корозії, електроніка (наприклад, МЕМС), фотохімія та багато інших. Перспективним напрямом вважається поєднання скануючих зондових мікроскопів з іншими традиційними та сучасними методами дослідженнями, атакож створення нових приладів. Наприклад, поєднання СЗМ з оптичними мікроскопами (традиційними та конфокальними мікроскопами) [7] [8] [9] , електронними мікроскопами [10] , спектрометрами (наприклад, спектрометрами комбінаційного (раманівського) розсіювання та флюоресцентними) [11] [12] [13 ], ультрамікротомами [14] .

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

Температурний коефіцієнт лінійного розширення більшості матеріалів близько 10 -6 K -1. При розмірах маніпулятора кілька сантиметрів зміна температури на 0,01° призводить до переміщення голки внаслідок теплового дрейфу на 1 Å.