Применение Атомной силовой микроскопии разных областях науки

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) стала хорошо зарекомендовавшим себя и распространенным методом исследования во многих отраслях промышленности и научных областях. АСМ используется для картирования поверхности материала, но введение новых режимов визуализации в последние годы расширило возможности АСМ, и теперь метод можно использовать для исследования множества различных свойств материала. Это также расширило сферу применения АСМ. В этой статье мы рассмотрим множество приложений, в которых АСМ стала жизненно важной техникой построения изображений и определения характеристик.

АСМ - это метод визуализации, который использует пьезоэлектрически заряженный зонд, состоящий из гибкого кантилевера и атомно-острого наконечника, для сканирования поверхности образца. Когда зонд сканирует поверхность, межмолекулярные взаимодействия между поверхностью и наконечником заставляют наконечник двигаться к поверхности (и во многих случаях касаться поверхности).

Это движение также вызывает отклонение лазерного луча, падающего на заднюю часть кантилевера. Это лазерное отклонение регистрируется позиционно-чувствительным фотодиодом (PSPD). Вся система сбрасывается с помощью контура обратной связи, когда зонд возвращается в исходное положение, и тот же процесс происходит для каждого атома в образце. Это позволяет отображать положение каждого атома. Внедрение новых режимов визуализации позволило сопоставить электрические, диэлектрические, механические, оптические и термические свойства образца наряду с топографией поверхности.

Биология

Мягкие биологические образцы могут быть не лучшим выбором для исследований, но АСМ имеет режим визуализации, известный как бесконтактный режим. Он, в отличие от других режимов, никогда не касается поверхности образца. Развитие этого режима визуализации позволило определить структуру и свойства биомолекул и биологических образцов.

 

(A) АСМ изображения расположения коннексонов (гексамерные полуканалы, которые перекрывают внеклеточное пространство между соседними плазматическими мембранами) в бляшках щелевых контактов. (B) Вид сверху и сбоку одного коннексона. (C) Улучшенные структурные детали одного коннексона.

 

АСМ также используется для визуализации других фундаментальных биологических процессов и биомолекул, включая вирусы, мембраны, клеточные компартменты, клеточные процессы (такие как экзоцитоз), механические свойства клеток, силы контакта между клетками, как клетки и биомолекулы взаимодействуют, а также ДНК и то, как другие биомолекулы взаимодействуют с ДНК, и это лишь несколько примеров конкретных анализов.

Атомные силовые микроскопы также широко используется в прикладных биологических областях, таких как биоинженерия, и может использоваться для исследования свойств поверхности имплантатов и того, насколько хорошо они взаимодействуют с биологическим веществом, особенно в отношении наноразмерных свойств, и того, как клетки хозяина будут прикрепляться к имплантату, чтобы организм не отторгал его.

Нанотехнологии

Учитывая, что большинство наноматериалов имеют активную поверхность, а в случае 2D-материалов обладают только поверхностью, многие свойства наноматериалов определяются структурой поверхности наноматериалов, поэтому исследование поверхности наноматериалов стало одной из самых важных и широких областей использования АСМ.

 

Изображение графена с атомарным разрешением, подтверждающее его однородную сотовую структуру.

 

Помимо определения структурных, электрических, механических, оптических и тепловых свойств наноматериала, АСМ также может использоваться в сочетании с методами нанопроизводства для управления структурой (и свойствами) наноматериалов. Например, можно добиться химического изменения поверхности с помощью наконечника АСМ или с помощью таких методов, как электронно-лучевая литография и литография с погружным пером, для физического удаления атомов из наноматериала или для создания определенного рисунка на поверхности наноматериала.

Помимо использования в качестве инструмента для манипулирования наноматериалом, AFM также может использоваться для измерения последующих эффектов пост-изготовления атомных манипуляций.

Полупроводники

Полупроводниковые материалы и изделия, в которых используются полупроводники, - это еще один класс материалов, в которых АСМ является полезным инструментом. АСМ также используется в качестве инструмента управления технологическим процессом на линиях производства полупроводников для контроля качества, анализа отказов, идентификации дефектов, а также измерения шероховатости поверхности и свойств пластин в устройстве.

АСМ также можно использовать для исследования свойств полупроводниковых материалов, используемых в устройстве. Применение варьируется от измерения электрических свойств полупроводникового перехода до определения уровней примеси в полупроводниковом материале, количества дефектов в материале, подвижности носителей заряда и свойств затвора полупроводникового перехода (хотя это последнее свойство обычно только для металлооксидных полупроводников).

АСМ также можно использовать в целом, законченном устройстве, в котором используется полупроводниковый материал, причем солнечные элементы (фотоэлектрические - фотоэлектрические) являются одним из наиболее распространенных примеров применения. Оно включает в себя измерение наноразмерных свойств устройства, определение донорно-акцепторных областей устройства, квантовой и энергетической эффективности устройства, а также фотоактивных областей и областей фототока фотоэлектрического устройства.