Режимы работы и применение Атомного силового микроскопа

01 апр 2020г.

Введение

Атомно-силовая микроскопия (далее - АСМ, AFM) - это метод сканирования поверхности с разрешением до нанометрового масштаба. AFM описывает группу методов, используемых для неразрушающего исследования поверхности на наноуровне. Они имеют разрешение в 103 раза больше, чем предел разрешения оптической микроскопии. АСМ широко используется для сбора данных о различных механических, функциональных и электрических свойствах на наноуровне, а также для топографических (поверхностных) исследований.

blog 1 min 2

Изображения кантилевера с зондом.

 

Как правило, атомно-силовая микроскопия используется для трех основных функций:

  • Чаще всего - для визуализации топографии поверхности путем записи положения образца относительно наконечника, а затем записи высоты зонда, которая соответствует постоянному взаимодействию зонда с образцом, а также для исследования различных механических, функциональных и электрических свойств.
  • Для поверхностных манипуляций используют силы наконечника, например, сканирующую зондовую литографию.
  • Измерение силы между образцом и зондом как форму силовой спектроскопии, для изучения физико-механических свойств.

Режимы АСМ

В соответствии с необходимым применением AFM работает в нескольких режимах. Методы формирования изображения могут быть разделены на контактные или статические также есть различные способы касания или динамические способы, когда кантилевер зонда вибрирует с заданной частотой.

Контактный режим (Contact Mode) сканирования происходит, когда наконечник проходит через поверхность в постоянном взаимодействии. В этих случаях обратная связь поддерживает постоянное отклонение кантилевера (то есть усилие). Это достигается путем регулировки относительного положения Z зонда и образца при сканировании наконечника по всей поверхности. Движение кантилевера представляет собой рельеф поверхности и далее регистрируется. Сила, возникающая в результате контакта наконечника с образцом, может привести к повреждению образца и износу зонда.

Динамический полуконтактный режим (Tapping Mode) - кантилевер колеблется на своей резонансной частоте как бы “простукивая” поверхность (“to tap” - постукивать (англ.)). Амплитуда колебаний измеряется, а затем используется в качестве начальной точки регистрации обратной связи. Связь регулирует относительное положение Z образца и зонда, как в режиме контакта. В этом случае он должен поддерживать постоянную амплитуду, из чего и выстраивается топографическое изображение. Усилия образца и наконечника, особенно в боковом направлении, значительно снижаются, а повреждение образца и износ наконечника значительно минимизируются по сравнению с контактным способом. Однако тут есть свои недостатки: низкая скорость сканирования и повышенная чувствительность к внешним воздействиям.

blog 2 min 2

Изображения, полученные с помощью АСМ: a) Кишечная палочка; b) Фосфат кальция (зеленый) на цепочках ДНК; c) Поверхность человеческого волоса; d) Цепочка ДНК при макс. разрешении; e) Поверхность крыла мухи.

 

Но все же данные от полуконтактного способа могут быть проанализированы более подробно. В этих сигналах закодировано большое количество информации о взаимодействиях между зондом и образцом, а также между частицами исследуемого объекта.

Из этих дополнительных данных можно «вытащить» и количественно оценить различные свойства материала, такие как глубина деформации, адгезия и модуль упругости. Это означает, что АСМ может измерять и различать разные материалы, присутствующие в образцах, от биологических клеток до микроэлектрических устройств и полимеров.

Дополнительный метод визуализации, который измеряет кривые расстояния силы на высокой скорости (до 1000 Гц или более), в то же время захватывая каждую кривую при сканировании изображения, представляет собой Fast Force Mapping Mode. С помощью него  можно применять модели анализа в автономном режиме и в реальном времени для расчета адгезии, модуля упругости и ряда других свойств, а также для базовой топографии.

Применение и использование AFM

В настоящее время атомно-силовая микроскопия является одним из наиболее эффективных методов визуализации, используемых на наноразмерном и субнаномасштабном уровне. Этот метод был применен к множеству проблем в области естественных наук и может регистрировать диапазон свойств поверхности материала как в жидких средах, так и в воздухе, есть варианты низкотемпературных сканирующих микроскопов, для комнатной температуры или универсальные. Дисциплины, где используется AFM, включают в себя:

  • Полупроводниковая наука и техника;
  • Тонкие пленки и покрытия;
  • Трибология (взаимодействие поверхности и трения);
  • Поверхностная химия;
  • Химия и физика полимеров;
  • Клеточная биология;
  • Молекулярная биология;
  • Материалы накопления и генерации энергии;
  • Пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы.

АСМ является мощным методом визуализации и измерения, который стал критически важным для исследований в области наноразмеров и для промышленных НИОКР во всех их возможных формах. Хорошим примером этого является полупроводниковая промышленность, где АСМ используется для контроля качества и формирования изображений для кремниевых интегральных схем.

blog 3 min 2

Вирусы, отсканированные с помощью АСМ: a) Вирус коровьей оспы; b) Голова цианофага; c) Мимивирус; d) Поверхность вируса мозаики; e) ВИЧ; f) Иридовирус PBCV-1.

 

Он также, например, используется для визуализации и разработки графена, микроскоп позволил изучить и охарактеризовать графеновые композиционные материалы. Отрасли, такие как аэрокосмическая и автомобильная промышленность, полагаются на него при разработке материалов. Он настолько универсален, что может определять различные механические свойства на наноразмерном уровне, а также полностью характеризовать образец для испытаний материала в течении нескольких часов, а не дней, как это было раньше. Он может быть использован в биологических исследованиях, чтобы, например, отличить раковые клетки от нормальных клеток, основываясь на их жесткости. Каждый день появляются новые приложения для AFM, а количество исследовательских областей практически не ограничено.

Поделиться в соцсетях:

Связаться с нами

Если у Вас остались вопросы или вы хотите заказать
продукцию, просто заполните форму ниже

Неверный ввод
Неверный ввод
Неверный ввод
Неверный ввод
Неверный ввод
  • г. Минск, 220 073, ул. Скрыганова, 14,
    помещение номер 23

  • +7 (969) 077-72-72 (WhatsApp)

  • +375 (17) 270-07-81

  • +375 (29) 626-19-06

  • info@ilpa-tech.ru

  • Связаться с нами