Mikroskopie atomové síly - Atomic force microscopy

AFM generuje obrázky naskenováním malé konzoly po povrchu vzorku. Ostrý hrot na konci konzoly se dotýká povrchu, ohýbá konzolu a mění množství laserového světla odraženého do fotodiody. Výška konzoly se poté upraví, aby se obnovil signál odezvy, což má za následek, že měřená výška konzoly sleduje povrch.

Mikroskopie atomové síly ( AFM ) nebo skenovací silová mikroskopie ( SFM ) je typ mikroskopie skenovací sondy (SPM) s velmi vysokým rozlišením , s prokázaným rozlišením v řádu zlomků nanometrů , více než 1000krát lepším než optická difrakce -limit .

Přehled

Mikroskop atomové síly vlevo s ovládacím počítačem vpravo

Mikroskopie atomové síly (AFM) je typ mikroskopie skenovací sondy (SPM) s prokázaným rozlišením na řádu zlomků nanometrů , více než 1000krát lepším než je limit optické difrakce . Informace jsou shromažďovány „cítit“ nebo „dotýkat se“ povrchu mechanickou sondou. Piezoelektrické prvky, které usnadňují drobné, ale přesné a přesné pohyby na (elektronickém) příkazu, umožňují přesné skenování. Navzdory názvu atomový mikroskop nepoužívá jadernou sílu .

Schopnosti

Mikroskop pro atomovou sílu

AFM má tři hlavní schopnosti: měření síly, topografické zobrazování a manipulace.

Při měření sil lze AFM použít k měření sil mezi sondou a vzorkem jako funkci jejich vzájemného oddělení. To lze použít k provádění silové spektroskopie , k měření mechanických vlastností vzorku, jako je například Youngův modul , měřítko tuhosti.

Pro zobrazování může být reakce sondy na síly, které na ni vzorek působí, použita k vytvoření obrazu trojrozměrného tvaru (topografie) povrchu vzorku ve vysokém rozlišení. Toho je dosaženo rastrovým skenováním polohy vzorku vzhledem ke špičce a zaznamenáváním výšky sondy, která odpovídá konstantní interakci sondy a vzorku (další podrobnosti viz část topografické zobrazování v AFM). Povrchová topografie se běžně zobrazuje jako pseudocolorový graf. Ačkoli původní publikace o mikroskopii atomové síly od Binniga, Quata a Gerbera v roce 1986 spekulovala o možnosti dosáhnout atomového rozlišení, bylo nutné překonat hluboké experimentální výzvy, než bylo atomové rozlišení defektů a okrajů kroků v okolních (kapalných) podmínkách prokázáno v 1993 Ohnesorge a Binnig. Skutečné atomové rozlišení povrchu křemíku 7x7 - atomové obrazy tohoto povrchu získané STM přesvědčily vědeckou komunitu o velkolepém prostorovém rozlišení skenovací tunelové mikroskopie - musely počkat o něco déle, než to ukázal Giessibl.

Při manipulaci mohou být síly mezi špičkou a vzorkem také použity ke změně vlastností vzorku řízeným způsobem. Mezi příklady patří atomová manipulace, litografie skenovací sondy a lokální stimulace buněk.

Souběžně se získáváním topografických obrazů lze lokálně měřit další vlastnosti vzorku a zobrazovat je jako obraz, často s podobně vysokým rozlišením. Příklady takových vlastností jsou mechanické vlastnosti, jako je tuhost nebo přilnavost, a elektrické vlastnosti, jako je vodivost nebo povrchový potenciál. Ve skutečnosti je většina technik SPM rozšířením AFM, které používají tuto modalitu.

Další mikroskopické technologie

Hlavní rozdíl mezi mikroskopií atomové síly a konkurenčními technologiemi, jako je optická mikroskopie a elektronová mikroskopie, spočívá v tom, že AFM nepoužívá čočky ani ozařování paprskem. Netrpí proto omezením prostorového rozlišení v důsledku difrakce a aberace a příprava prostoru pro vedení paprsku (vytvořením vakua) a barvení vzorku není nutná.

Existuje několik typů skenovací mikroskopie, včetně mikroskopie rastrovací sondy (která zahrnuje AFM, skenovací tunelovací mikroskopii (STM) a skenovací optický mikroskop blízkého pole (SNOM/NSOM), STED mikroskopii (STED) a skenovací elektronovou mikroskopii a elektrochemickou AFM , EC -AFM). Přestože SNOM a STED používají k osvětlení vzorku viditelné , infračervené nebo dokonce terahertzové světlo, jejich rozlišení není omezeno limitem difrakce.

Konfigurace

Obr. 3 ukazuje AFM, který obvykle sestává z následujících funkcí. Čísla v závorkách odpovídají číslovaným znakům na obr. 3. Směr souřadnic je definován souřadnicovým systémem (0).

Obr. 3: Typická konfigurace AFM.
(1) : Cantilever, (2) : Support for cantilever, (3) : Piezoelectric element (to oscillate cantilever at its eigen Frequency), (4) : Tip (Fixed to open end of a cantilever, funguje as the probe), (5) : Detektor průhybu a pohybu konzoly, (6) : Vzorek měřený pomocí AFM, (7) : pohon xyz, (pohybuje vzorkem (6) a stolem (8) ve směru x, y a z s ohledem na vrchol hrotu (4)) a (8) : Fáze.

Malá pružinová konzola (1) je nesena podpěrou (2). Volitelně piezoelektrický prvek (typicky vyrobený z keramického materiálu) (3) osciluje konzolu (1). Ostrý hrot (4) je připevněn k volnému konci konzoly (1). Detektor (5) zaznamenává průhyb a pohyb konzoly (1). Vzorek (6) je namontován na stupnici vzorku (8). Pohon xyz (7) umožňuje přemístit vzorek (6) a stupeň vzorku (8) ve směru x, y a z vzhledem ke špičce hrotu (4). Ačkoli obr. 3 ukazuje pohon připojený ke vzorku, pohon může být také připojen ke špičce, nebo mohou být k oběma připojeny nezávislé pohony, protože je třeba kontrolovat relativní posunutí vzorku a hrotu. Řadiče a plotter nejsou na obr. 3 zobrazeny.

Podle výše popsané konfigurace je interakce mezi špičkou a vzorkem, což může být jev v atomovém měřítku, přenesena do změn pohybu konzoly, což je jev v makro měřítku. Ke kvantifikaci interakce mezi špičkou a vzorkem lze použít několik různých aspektů konzolového pohybu, nejčastěji hodnotu výchylky, amplitudu uložené oscilace konzoly nebo posun rezonanční frekvence konzoly (viz část Zobrazovací režimy).

Detektor

Detektor (5) AFM měří výchylku (posunutí vzhledem k rovnovážné poloze) konzoly a převádí ji na elektrický signál. Intenzita tohoto signálu bude úměrná posunutí konzoly.

Lze použít různé způsoby detekce, např. Interferometrii, optické páky, piezoelektrickou metodu a detektory na bázi STM (viz část „Měření průhybu konzoly AFM“).

Tvorba obrazu

Poznámka: Následující odstavce předpokládají, že je použit 'kontaktní režim' (viz část Režimy zobrazení). U ostatních zobrazovacích režimů je postup podobný, jen s tím rozdílem, že 'výchylka' by měla být nahrazena příslušnou zpětnou vazbou.

Při použití AFM k zobrazení vzorku se špička uvede do kontaktu se vzorkem a vzorek se rastruje skenováním podél mřížky x -y (obr. 4). Nejčastěji se používá elektronická zpětnovazební smyčka, která udržuje sílu vzorku a sondy během skenování konstantní. Tato zpětnovazební smyčka má jako vstup vychýlení konzoly a její výstup řídí vzdálenost podél osy z mezi podporou sondy (2 na obr. 3) a podporou vzorku (8 na obr. 3). Dokud je hrot v kontaktu se vzorkem a vzorek je snímán v rovině x – y, kolísání výšky ve vzorku změní průhyb konzoly. Zpětná vazba poté upraví výšku podpory sondy tak, aby se průhyb obnovil na uživatelem definovanou hodnotu (požadovanou hodnotu). Správně nastavená zpětnovazební smyčka upravuje separaci podpůrného vzorku během skenovacího pohybu tak, aby průhyb zůstal přibližně konstantní. V této situaci se výstup zpětné vazby rovná topografii povrchu vzorku s malou chybou.

Historicky byla použita jiná provozní metoda, ve které je vzdálenost podpěry vzorku a sondy udržována konstantní a není řízena zpětnou vazbou ( servomechanismus ). V tomto režimu, obvykle označovaném jako „režim konstantní výšky“, se vychýlení konzoly zaznamenává jako funkce polohy x – y vzorku. Dokud je hrot v kontaktu se vzorkem, průhyb pak odpovídá povrchové topografii. Hlavním důvodem, proč tato metoda již není příliš populární, je to, že síly mezi špičkou a vzorkem nejsou kontrolovány, což může vést k dostatečně vysokým silám, které by poškodily špičku nebo vzorek. Je však běžnou praxí zaznamenávat průhyb i při skenování v „režimu konstantní síly“ se zpětnou vazbou. To odhalí malou chybu sledování zpětné vazby a někdy může odhalit funkce, pro které zpětnou vazbu nebylo možné upravit.

Signály AFM, jako je výška vzorku nebo průhyb konzoly, jsou zaznamenávány do počítače během skenování x -y. Jsou vykresleny na pseudocolor obrázku, kde každý pixel představuje polohu x – y na vzorku a barva představuje zaznamenaný signál.

Obr. 5: Topografický obraz tvořený AFM.
(1) : Apex tip, (2) : Sample surface, (3) : Z-orbit of Tip apex, (4) : Cantilever.

Dějiny

AFM vynalezli vědci IBM v roce 1985. Předchůdce AFM, skenovací tunelovací mikroskop (STM), byl vyvinut Gerdem Binnigem a Heinrichem Rohrerem na začátku 80. let minulého století v IBM Research - Zurich , což je vývoj, který jim v roce 1986 vynesl Nobelovu cenu. Cena za fyziku . Binnig vynalezl mikroskop atomové síly a první experimentální implementaci provedli Binnig, Quate a Gerber v roce 1986.

První komerčně dostupný mikroskop s atomovou silou byl představen v roce 1989. AFM je jedním z předních nástrojů pro zobrazování, měření a manipulaci s hmotou v nanoměřítku .

Aplikace

AFM byl aplikován na problémy v celé řadě oborů přírodních věd, včetně fyziky pevných látek , polovodičové vědy a technologie, molekulárního inženýrství , polymerní chemie a fyziky , povrchové chemie , molekulární biologie , buněčné biologie a medicíny .

Aplikace v oblasti fyziky pevných látek zahrnují (a) identifikaci atomů na povrchu, (b) vyhodnocení interakcí mezi konkrétním atomem a jeho sousedními atomy a (c) studium změn fyzikálních vlastností vyplývajících ze změn v atomovém uspořádání atomovou manipulací.

V molekulární biologii lze AFM použít ke studiu struktury a mechanických vlastností proteinových komplexů a sestav. Například AFM byl použit k zobrazení mikrotubulů a měření jejich tuhosti.

V buněčné biologii lze AFM použít k pokusu rozlišit rakovinné buňky a normální buňky na základě tvrdosti buněk a vyhodnotit interakce mezi konkrétní buňkou a jejími sousedními buňkami v kompetitivním kultivačním systému. AFM lze také použít k odsazení buněk a ke studiu toho, jak regulují tuhost nebo tvar buněčné membrány nebo stěny.

V některých variantách lze elektrické potenciály skenovat také pomocí vodivých konzol . V pokročilejších verzích mohou proudy procházet špičkou a snímat elektrickou vodivost nebo transport podkladového povrchu, ale toto je náročný úkol, protože několik výzkumných skupin uvádí konzistentní data (stav z roku 2004).

Zásady

Elektronový mikrofotografie použité konzoly AFM. Šířka obrazu ~ 100 mikrometrů
Elektronový mikrofotografie použité konzoly AFM. Šířka obrazu ~ 30 mikrometrů

AFM se skládá z konzoly s ostrým hrotem (sonda) na svém konci, která slouží ke skenování povrchu vzorku. Konzolové zařízení je obvykle křemík nebo nitrid křemíku s poloměrem zakřivení hrotu v řádu nanometrů. Když se hrot dostane do blízkosti povrchu vzorku, síly mezi špičkou a vzorkem vedou k vychýlení konzoly podle Hookeova zákona . V závislosti na situaci zahrnují síly měřené v AFM mechanickou kontaktní sílu, van der Waalsovy síly , kapilární síly , chemické vazby , elektrostatické síly , magnetické síly (viz mikroskop s magnetickou silou , MFM), kazimirské síly , solvatační síly atd. silou lze dodatečně měřit další veličiny pomocí specializovaných typů sond (viz skenovací termální mikroskopie , skenovací joulova expanzní mikroskopie , fototermální mikrospektroskopie atd.).

Mikroskop atomové síly topografický sken povrchu skla. Lze pozorovat mikroskopické a nanoúrovňové vlastnosti skla, které zobrazují drsnost materiálu. Obrazový prostor je (x, y, z) = (20 µm × 20 µm × 420 nm).

AFM lze provozovat v několika režimech, v závislosti na aplikaci. Obecně jsou možné zobrazovací režimy rozděleny do statických (také nazývaných kontaktních ) režimů a různých dynamických (bezkontaktních nebo „tapping“) režimů, kdy konzola vibruje nebo kmitá na dané frekvenci.

Zobrazovací režimy

Provoz AFM je obvykle popisován jako jeden ze tří režimů podle povahy pohybu hrotu: kontaktní režim, nazývaný také statický režim (na rozdíl od ostatních dvou režimů, které se nazývají dynamické režimy); režim klepání, nazývaný také přerušovaný kontakt, režim AC nebo vibrační režim, nebo, po detekčním mechanismu, amplitudová modulace AFM; bezkontaktní režim, nebo opět po detekčním mechanismu frekvenční modulace AFM.

Navzdory nomenklatuře může dojít k odpudivému kontaktu nebo se mu lze vyhnout jak u AFM s amplitudovou modulací, tak u AFM s frekvenční modulací, v závislosti na nastavení.

Kontaktní režim

V kontaktním režimu se hrot „táhne“ po povrchu vzorku a obrysy povrchu se měří buď pomocí vychýlení konzoly přímo, nebo běžněji pomocí zpětnovazebního signálu potřebného k udržení konzoly v konstantní poloze . Protože je měření statického signálu náchylné k šumu a driftu, používají se konzoly s nízkou tuhostí (tj. Konzoly s nízkou konstantou pružiny, k) k dosažení dostatečně velkého výchylkového signálu při zachování nízké interakční síly. V blízkosti povrchu vzorku mohou být atraktivní síly poměrně silné, což způsobí, že se hrot „přichytí“ k povrchu. Kontaktní režim AFM se tedy téměř vždy provádí v hloubce, kde je celková síla odpudivá, to znamená v pevném „kontaktu“ s pevným povrchem.

Režim poklepání

Jednotlivé polymerní řetězce (tloušťka 0,4 nm) zaznamenané v režimu odpichu pod vodným médiem s různým pH.

V okolních podmínkách se u většiny vzorků vytvoří vrstva tekutého menisku. Z tohoto důvodu představuje udržování špičky sondy dostatečně blízko vzorku, aby se síly krátkého dosahu staly detekovatelnými, a zároveň zabraňují přilepení špičky k povrchu, což je hlavní problém kontaktního režimu v okolních podmínkách. K obejití tohoto problému byl vyvinut dynamický režim kontaktu (nazývaný také přerušovaný kontakt, režim AC nebo režim klepání). V současné době je režim klepání nejčastěji používaným režimem AFM při provozu v okolních podmínkách nebo v kapalinách.

V režimu klepání je konzola poháněna kmitat nahoru a dolů na nebo blízko své rezonanční frekvence. Této oscilace se běžně dosahuje malým piezoelektrickým prvkem v konzolovém držáku, ale další možnosti zahrnují střídavé magnetické pole (s magnetickými konzolami), piezoelektrické konzoly nebo periodické zahřívání modulovaným laserovým paprskem. Amplituda této oscilace se obvykle pohybuje od několika nm do 200 nm. V režimu klepání jsou frekvence a amplituda budicího signálu udržovány na konstantní úrovni, což vede ke konstantní amplitudě oscilace konzoly, pokud nedochází k driftu nebo interakci s povrchem. Interakce sil působících na konzolu, když se hrot přiblíží k povrchu, Van der Waalsovy síly , interakce dipól-dipól , elektrostatické síly atd. Způsobí, že se amplituda oscilace konzoly změní (obvykle sníží), jak se hrot přiblíží ke vzorku. Tato amplituda se používá jako parametr, který vstupuje do elektronického serva, které řídí výšku konzoly nad vzorkem. Servo nastavuje výšku tak, aby udržovala nastavenou amplitudu oscilace konzoly při skenování konzoly přes vzorek. Poklepáním AFM obraz je proto vyrábí zobrazovací silou přerušovaných kontaktů hrotu s povrchem vzorku.

Přestože špičkové síly působící během kontaktní části oscilace mohou být mnohem vyšší, než se obvykle používají v kontaktním režimu, režim poklepání obecně snižuje poškození povrchu a hrotu ve srovnání s množstvím provedeným v kontaktním režimu. To lze vysvětlit krátkým trváním aplikované síly a tím, že boční síly mezi špičkou a vzorkem jsou v režimu klepání oproti režimu kontaktu výrazně nižší. Zobrazování v režimu klepání je dostatečně jemné i pro vizualizaci nanesených lipidových dvojvrstev nebo adsorbovaných jednotlivých polymerních molekul (například 0,4 nm silné řetězce syntetických polyelektrolytů) pod kapalným médiem. Při správných skenovacích parametrech může konformace jednotlivých molekul zůstat nezměněna po celé hodiny a dokonce i monomolekulární motory lze zobrazovat za pohybu.

Při provozu v režimu klepání lze zaznamenat také fázi oscilace konzoly vzhledem k řídicímu signálu. Tento signální kanál obsahuje informace o energii rozptylované konzolou v každém oscilačním cyklu. Vzorky, které obsahují oblasti s různou tuhostí nebo s různými vlastnostmi adheze, mohou v tomto kanálu poskytnout kontrast, který není v topografickém obrázku viditelný. Extrahování vlastností materiálu vzorku kvantitativním způsobem z fázových obrazů však často není možné.

Bezkontaktní režim

V bezkontaktním režimu mikroskopie atomové síly se špička konzoly nedotýká povrchu vzorku. Konzola je místo toho oscilována buď na své rezonanční frekvenci (frekvenční modulace), nebo těsně nad (amplitudová modulace), kde amplituda oscilace je typicky od několika nanometrů (<10 nm) až po několik pikometrů. Van der Waalsovy síly , které jsou nejsilnější od 1 nm do 10 nm nad povrchem, nebo jiné dlouhé vzdálenosti síla, která se rozprostírá nad povrch působí ke snížení rezonanční frekvenci raménka. Toto snížení rezonanční frekvence v kombinaci se systémem zpětnovazební smyčky udržuje konstantní amplitudu nebo frekvenci oscilace úpravou průměrné vzdálenosti od špičky ke vzorku. Měření vzdálenosti hrotu ke vzorku v každém (x, y) datovém bodě umožňuje skenovacímu softwaru sestavit topografický obraz povrchu vzorku.

Bezkontaktní režim AFM netrpí účinky degradace špiček nebo vzorků, které jsou někdy pozorovány po provedení mnoha skenů s kontaktním AFM. Díky tomu je bezkontaktní AFM výhodnější než AFM pro měření měkkých vzorků, např. Biologických vzorků a organického tenkého filmu. V případě tuhých vzorků mohou kontaktní a bezkontaktní obrázky vypadat stejně. Pokud však na povrchu tuhého vzorku leží několik monovrstev adsorbované tekutiny, mohou obrázky vypadat úplně jinak. AFM pracující v kontaktním režimu pronikne kapalinovou vrstvou, aby zobrazil podkladový povrch, zatímco v bezkontaktním režimu bude AFM oscilovat nad adsorbovanou kapalinovou vrstvou, aby se zobrazila kapalina i povrch.

Schémata pro provoz v dynamickém režimu zahrnují frekvenční modulaci, kde je fázově uzamčená smyčka použita ke sledování rezonanční frekvence konzoly a běžnější amplitudová modulace se servopohonem na místě, aby udržovala konzolové buzení na definované amplitudě. Při frekvenční modulaci poskytují změny ve frekvenci oscilace informace o interakcích tip-vzorek. Frekvence může být měřena s velmi vysokou citlivostí, a proto režim frekvenční modulace umožňuje použití velmi tuhých konzol. Tuhá konzola poskytuje stabilitu velmi blízko povrchu a v důsledku toho byla tato technika první technikou AFM, která poskytovala skutečné atomové rozlišení v podmínkách ultra vysokého vakua .

V amplitudové modulaci poskytují změny v amplitudě nebo fázi oscilace signál zpětné vazby pro zobrazování. V amplitudové modulaci mohou být použity změny fáze oscilace k rozlišení různých typů materiálů na povrchu. Amplitudovou modulaci lze provozovat buď v bezkontaktním, nebo v přerušovaném kontaktním režimu. V dynamickém kontaktním režimu je konzola oscilována tak, že je modulována separační vzdálenost mezi špičkou konzoly a povrchem vzorku.

Amplitudová modulace byla také použita v bezkontaktním režimu k zobrazení s atomovým rozlišením pomocí velmi tuhých konzol a malých amplitud v prostředí s velmi vysokým vakuem.

Topografický obrázek

Tvorba obrazu je metoda vykreslování, která vytváří barevné mapování změnou polohy x – y hrotu při skenování a zaznamenávání měřené proměnné, tj. Intenzity řídicího signálu, na každou souřadnici x – y. Barevné mapování ukazuje naměřenou hodnotu odpovídající každé souřadnici. Obrázek vyjadřuje intenzitu hodnoty jako odstín. Korespondence mezi intenzitou hodnoty a odstínem je obvykle ve vysvětlivkách doprovázejících obrázek znázorněna jako barevná stupnice.

Jaký je topografický obraz mikroskopu atomové síly?

Provozní režim vytváření obrazu AFM je obecně z hlediska hlediska klasifikován do dvou skupin, ať už používá smyčku z-Feedback (není zobrazena) k udržování vzdálenosti špičkového vzorku pro udržení intenzity signálu exportované detektorem. První z nich (používající smyčku z-Feedback), údajně „konstantní režim XX “ ( XX je něco, co udržuje smyčka z-Feedback).

Topografický režim vytváření obrazu je založen na výše uvedeném „konstantním režimu XX “, smyčka z-Feedback řídí relativní vzdálenost mezi sondou a vzorkem prostřednictvím výstupních řídicích signálů tak, aby byla udržována konstantní frekvence, vibrace a fáze, která obvykle odpovídá pohybu konzoly (například napětí je aplikováno na Z-piezoelektrický prvek a pohybuje vzorkem nahoru a dolů ve směru Z.

Podrobnosti budou vysvětleny v případě, že zejména „konstantní režim df“ (FM-AFM) mezi AFM jako instance v další části.

Topografický snímek FM-AFM

Když je vzdálenost mezi sondou a vzorkem přenesena do rozsahu, kde může být detekována atomová síla, zatímco konzola je vzrušena svou vlastní vlastní frekvencí (f 0 ), nastane jev, že se rezonanční frekvence (f) konzoly posune ze své původní rezonanční frekvence (vlastní vlastní frekvence). Jinými slovy, v rozsahu, kde může být detekována atomová síla, bude pozorován frekvenční posun (df = ff 0 ). Když je tedy vzdálenost mezi sondou a vzorkem v bezkontaktní oblasti, frekvenční posun se zvyšuje v negativním směru, protože vzdálenost mezi sondou a vzorkem se zmenšuje.

Pokud má vzorek konkávnost a konvexnost, vzdálenost mezi vrcholem špičky a vzorkem se mění v souladu s konkávností a konvexitou doprovázenou skenováním vzorku ve směru x – y (bez regulace výšky ve směru z). V důsledku toho dochází k posunu frekvence. Obraz, ve kterém jsou hodnoty frekvence získané rastrovým skenováním podél směru x – y povrchu vzorku vyneseny proti souřadnici x – y každého měřicího bodu, se nazývá obraz konstantní výšky.

Na druhé straně lze df udržovat konstantní pohybem sondy nahoru a dolů (viz (3) na OBR. 5) ve směru z pomocí negativní zpětné vazby (pomocí smyčky zpětné vazby z), zatímco rastrové skenování povrch vzorku ve směru x – y. Obraz, ve kterém jsou vynesena množství negativní zpětné vazby (pohybující se vzdálenost sondy směrem nahoru a dolů ve směru z) proti souřadnici x – y každého měřeného bodu, je topografický obraz. Jinými slovy, topografický obraz je stopa špičky sondy regulovaná tak, že df je konstantní a může být také považována za graf povrchu df s konstantní výškou.

Proto topografický obraz AFM není samotná přesná povrchová morfologie, ale ve skutečnosti obraz ovlivněný pořadím vazeb mezi sondou a vzorkem, nicméně topografický obraz AFM je považován za odrážející geografický tvar povrch více než topografický obraz mikroskopu skenovacího tunelu.

Silová spektroskopie

Další hlavní aplikací AFM (kromě zobrazování) je silová spektroskopie , přímé měření interakčních sil hrot-vzorek jako funkce mezery mezi špičkou a vzorkem (výsledek tohoto měření se nazývá křivka síla-vzdálenost). U této metody je hrot AFM vysunut směrem k povrchu a zasunut z povrchu, protože průhyb konzoly je monitorován jako funkce piezoelektrického posunu. Tato měření byla použita k měření kontaktů v nanoměřítku, atomových vazeb , Van der Waalsových sil a Casimirových sil , disolučních sil v kapalinách a protahovacích a praskajících sil jednotlivých molekul. Kromě toho byl AFM použit k měření ve vodném prostředí disperzní síly způsobené polymerem adsorbovaným na substrátu. Síly řádově několika piconewtonů lze nyní rutinně měřit s rozlišením svislé vzdálenosti lepším než 0,1 nanometru. Silovou spektroskopii lze provádět buď ve statickém nebo dynamickém režimu. V dynamických režimech jsou kromě statické deformace monitorovány také informace o vibracích konzoly.

Problémy s touto technikou zahrnují žádné přímé měření oddělení špiček a vzorků a běžnou potřebu konzol s nízkou tuhostí, které mají tendenci „přichytávat“ se k povrchu. Tyto problémy nejsou nepřekonatelné. Byla vyvinuta AFM, která přímo měří oddělení hrotu a vzorku. Zacvaknutí lze snížit měřením v kapalinách nebo použitím tužších konzol, ale v druhém případě je zapotřebí citlivější snímač vychýlení. Nanesením malého rozkladu na špičku lze měřit také tuhost (gradient síly) vazby.

Biologické aplikace a další

Silová spektroskopie se v biofyzice používá k měření mechanických vlastností živého materiálu (jako je tkáň nebo buňky) nebo k detekci struktur s různou tuhostí uložených v převážné části vzorku pomocí tomografie tuhosti. Další aplikací bylo měření interakčních sil mezi jednou rukou materiálem přilepeným na špičce konzoly a druhou rukou povrchem částic buď volných, nebo obsazených stejným materiálem. Z křivky rozložení adhezní síly byla odvozena střední hodnota sil. Umožnilo to udělat kartografii povrchu částic, pokrytých materiálem nebo bez něj. AFM byly také použity pro mechanicky se rozvíjející proteiny. V takových experimentech vede analýza středních sil odvíjení s příslušným modelem k získání informací o rychlosti rozvinutí a parametrech profilu volné energie proteinu.

Identifikace jednotlivých povrchových atomů

AFM lze použít k zobrazení a manipulaci s atomy a strukturami na různých površích. Atom na vrcholu špičky „cítí“ jednotlivé atomy na podkladovém povrchu, když s každým atomem vytváří počínající chemické vazby. Protože tyto chemické interakce nenápadně mění frekvenci vibrací hrotu, lze je detekovat a mapovat. Tento princip byl použit k rozlišení atomů křemíku, cínu a olova na povrchu slitiny porovnáním těchto „atomových otisků prstů“ s hodnotami získanými ze simulací husté funkční teorie (DFT) ve velkém měřítku .

Jde o to nejprve změřit tyto síly přesně pro každý typ atomu očekávaného ve vzorku a poté porovnat se silami danými simulacemi DFT. Tým zjistil, že hrot interagoval nejsilněji s atomy křemíku a s atomy cínu respektive o 24% méně interagoval. Každý jiný typ atomu lze tedy v matici identifikovat, když se hrot pohybuje po povrchu.

Sonda

Sonda AFM má ostrý hrot na volně výkyvném konci konzoly, která vyčnívá z držáku. Rozměry konzoly jsou v měřítku mikrometrů. Poloměr špičky je obvykle v rozsahu několika nanometrů až několika desítek nanometrů. (Specializované sondy existují s mnohem většími koncovými poloměry, například sondy pro odsazení měkkých materiálů.) Konzolový držák, také nazývaný držák čipu - často o velikosti 1,6 mm x 3,4 mm - umožňuje operátorovi držet sestavu konzoly/sondy AFM pomocí pinzetu a zasuňte ji do odpovídajících držáků držáků na skenovací hlavě mikroskopu atomové síly.

Toto zařízení se nejčastěji nazývá „sonda AFM“, ale mezi další názvy patří „tip AFM“ a „ konzola “ (jako název celého zařízení se používá název jedné části). Sonda AFM je určitým typem sondy SPM ( mikroskopie rastrovací sondy ).

Sondy AFM jsou vyráběny technologií MEMS . Většina použitých sond AFM je vyrobena ze silikonu (Si), ale používá se také borosilikátové sklo a nitrid křemíku . Sondy AFM jsou považovány za spotřební materiál, protože jsou často vyměňovány, když je vrchol špičky matný nebo znečištěný nebo když je konzola zlomena. Mohou stát od několika desítek dolarů až po stovky dolarů za konzolu pro nej Specializovanější kombinace konzola/sonda.

Jen špička je přivedena velmi blízko k povrchu zkoumaného objektu, konzola je vychýlena interakcí mezi špičkou a povrchem, což je AFM navrženo k měření. Prostorovou mapu interakce lze vytvořit měřením průhybu v mnoha bodech na 2D povrchu.

Lze detekovat několik typů interakcí. V závislosti na zkoumané interakci je třeba povrch špičky sondy AFM upravit povlakem. Mezi použité povlaky patří zlato - pro kovalentní vazbu biologických molekul a detekci jejich interakce s povrchem, diamant pro zvýšení odolnosti proti opotřebení a magnetické povlaky pro detekci magnetických vlastností zkoumaného povrchu. Existuje jiné řešení pro dosažení magnetického zobrazování s vysokým rozlišením: mít sondu vybavenou microSQUID . Špičky AFM jsou vyrobeny pomocí křemíkového mikroobrábění a přesné umístění smyčky microSQUID se provádí litografií elektronového paprsku. Dodatečné připojení kvantové tečky ke špičce vodivé sondy umožňuje zobrazování povrchového potenciálu s vysokým laterálním rozlišením, skenovací mikroskopii kvantových teček .

Rovněž lze upravit povrch konzol. Tyto povlaky se většinou používají za účelem zvýšení odrazivosti konzoly a zlepšení signálu ohybu.

Síly vs geometrie hrotu

Síly mezi špičkou a vzorkem silně závisí na geometrii hrotu. V minulých letech byly využity různé studie k zápisu sil jako funkce parametrů hrotu.

Mezi různými silami mezi špičkou a vzorkem jsou síly vodního menisku velmi zajímavé, a to jak ve vzduchu, tak v kapalném prostředí. Je třeba vzít v úvahu další síly, jako Coulombova síla , van der Waalsovy síly , interakce dvou vrstev , solvatační síly, hydratační a hydrofobní síly.

Vodní meniskus

Síly vodního menisku jsou velmi zajímavé pro měření AFM ve vzduchu. Vzhledem k okolní vlhkosti se během měření vzduchu mezi špičkou a vzorkem vytvoří tenká vrstva vody. Výsledná kapilární síla vyvolává silnou přitažlivou sílu, která vytáhne špičku na povrch. Ve skutečnosti adhezní síle měřené mezi špičkou a vzorkem v okolním vzduchu s konečnou vlhkostí obvykle dominují kapilární síly. V důsledku toho je obtížné odtrhnout hrot od povrchu. U měkkých vzorků zahrnujících mnoho polymerů a zejména biologických materiálů vede silná adhezivní kapilární síla k degradaci a destrukci vzorku při zobrazování v kontaktním režimu. Historicky byly tyto problémy důležitou motivací pro rozvoj dynamického zobrazování ve vzduchu (např. „Režim klepání“). Během zobrazovacího režimu ve vzduchu se stále vytvářejí kapilární můstky. Přesto pro vhodné zobrazovací podmínky kapilární můstky vznikají a lámou se v každém oscilačním cyklu konzoly kolmé k povrchu, jak lze odvodit z analýzy křivek amplitudy konzoly a fáze vs. vzdálenosti. V důsledku toho jsou destruktivní smykové síly do značné míry sníženy a lze zkoumat měkké vzorky.

Aby bylo možné kvantifikovat rovnovážnou kapilární sílu, je nutné vycházet z Laplaceovy rovnice pro tlak:

Model pro vodní meniskus AFM

kde γ L je povrchová energie a r 0 a r 1 jsou definovány na obrázku.

Tlak se aplikuje na oblast o

kde d, θ a h jsou definovány na obrázku.

Síla, která spojuje oba povrchy dohromady, je

Stejný vzorec lze také vypočítat jako funkci relativní vlhkosti.

Gao vypočítal vzorce pro různé geometrie špiček. Síla se například snižuje o 20% pro kuželový hrot vzhledem k kulovému hrotu.

Když jsou tyto síly vypočítány, musí být proveden rozdíl mezi mokrou a suchou situací a mokrou a mokrou situací.

Pro sférický hrot je síla:

pro suché na mokré

na mokré na mokré

kde θ je kontaktní úhel suché koule a φ je úhel ponoření, jak je znázorněno na obrázku Také R, h a D jsou znázorněny na stejném obrázku.

Pro kuželovitý hrot platí vzorec:

pro suché na mokré

na mokré na mokré

kde δ je půlkuželový úhel a r 0 a h jsou parametry profilu menisku.

Měření průhybu konzoly AFM

Měření průhybu paprsku

Detekce vychýlení paprsku AFM

Nejběžnější metodou pro měření průhybu konzoly je metoda vychylování paprsku. Při této metodě se laserové světlo z polovodičové diody odráží od zadní části konzoly a je shromažďováno detektorem citlivým na polohu (PSD) sestávajícím ze dvou blízko sebe umístěných fotodiod , jejichž výstupní signál je shromažďován diferenciálním zesilovačem . Úhlové přemístění konzoly má za následek, že jedna fotodioda sbírá více světla než druhá fotodioda a vytváří výstupní signál (rozdíl mezi signály fotodiody normalizovaný jejich součtem), který je úměrný vychýlení konzoly. Citlivost metody paprsků vychýlení je velmi vysoká, je úroveň šumu v řádu 10 fm Hz - 1 / 2, je možno získat běžně v dobře navrženého systému. Ačkoli se této metodě někdy říká metoda „optické páky“, není signál zesílen, pokud je dráha paprsku delší. Delší dráha paprsku zvyšuje pohyb odraženého bodu na fotodiodách, ale také bod díky difrakci o stejné množství rozšiřuje , takže se z jedné fotodiody do druhé přesouvá stejné množství optického výkonu. „Optický pákový efekt“ (výstupní signál detektoru dělený průhybem konzoly) je nepřímo úměrný numerické apertuře optiky paprskového zaostřování, pokud je zaostřený laserový bod dostatečně malý, aby zcela spadl na konzolu. Je také nepřímo úměrná délce konzoly.

Relativní popularitu metody vychylování paprsku lze vysvětlit její vysokou citlivostí a jednoduchým ovládáním a skutečností, že konzoly nevyžadují elektrické kontakty ani jiné speciální úpravy, a proto je lze vyrobit relativně levně s ostrými integrovanými hroty.

Jiné metody měření průhybu

Existuje mnoho dalších metod pro měření průhybu paprsku.

  • Piezoelektrická detekce - konzoly vyrobené z křemene (například konfigurace qPlus ) nebo jiných piezoelektrických materiálů mohou přímo detekovat výchylku jako elektrický signál. U této metody byly zjištěny konzolové oscilace do 22 hodin.
  • Laserová dopplerovská vibrometrie - Laserový dopplerovský vibrometr lze použít k výrobě velmi přesných měření průhybů pro oscilující konzolu (používá se tedy pouze v bezkontaktním režimu). Tato metoda je drahá a používá ji jen relativně málo skupin.
  • Skenovací tunelový mikroskop (STM) - První atomový mikroskop používal k měření průhybu STM kompletní s vlastním mechanismem zpětné vazby. Tato metoda je velmi obtížně implementovatelná a ve srovnání s moderními metodami reaguje pomalu na změny průhybu.
  • Optická interferometrie - Optickou interferometrii lze použít k měření průhybu konzoly. Vzhledem k odchylkám nanometrové stupnice naměřených v AFM interferometr běží v režimu sub-fringe, takže jakýkoli drift výkonu laseru nebo vlnové délky má na měření silný vliv. Z těchto důvodů musí být měření optického interferometru prováděno s velkou péčí (například pomocí kapalin porovnávajících index mezi spoji optických vláken), s velmi stabilními lasery. Z těchto důvodů se optická interferometrie používá jen zřídka.
  • Kapacitní detekce - konzoly potažené kovem mohou tvořit kondenzátor s dalším kontaktem umístěným za konzolou. Průhyb mění vzdálenost mezi kontakty a lze jej měřit jako změnu kapacity.
  • Piezorezistivní detekce - konzoly mohou být vyrobeny s piezorezistivními prvky, které fungují jako tenzometr . Pomocí můstku Wheatstone lze změřit napětí v konzole AFM způsobené průhybem. To se ve vakuových aplikacích běžně nepoužívá, protože piezorezistivní detekce rozptyluje energii ze systému ovlivňující Q rezonance.

Piezoelektrické skenery

Skenery AFM jsou vyrobeny z piezoelektrického materiálu, který expanduje a smršťuje se úměrně s aplikovaným napětím. Zda se prodlouží nebo zmenší, závisí na polaritě použitého napětí. Špička nebo vzorek je tradičně upevněn na „stativ“ tří piezo krystalů, přičemž každý je zodpovědný za skenování ve směrech x , y a z . V roce 1986, ve stejném roce, kdy byl vynalezen AFM , byl pro použití v STM vyvinut nový piezoelektrický skener, trubkový skener. Pozdější trubicové skenery byly začleněny do AFM. Trubicový skener může pohybovat vzorkem ve směrech x , y a z pomocí jediného trubicového piezo s jediným vnitřním kontaktem a čtyřmi vnějšími kontakty. Výhodou elektronkového skeneru ve srovnání s původním designem stativu je lepší vibrační izolace, vyplývající z vyšší rezonanční frekvence konstrukce jednoho prvku, v kombinaci se stupněm izolace s nízkou rezonanční frekvencí. Nevýhodou je, že pohyb x - y může způsobit nežádoucí pohyb z s následkem zkreslení. Další populární design pro AFM skenerů je přizpůsobivá etapa, která využívá samostatné Piezos pro každou osu a páry je prostřednictvím mechanismu ohybu.

Skenery se vyznačují svou citlivostí, což je poměr pohybu piezoelektrického piezoelektrického napětí, tj. Toho, jak moc se piezoelektrický materiál roztahuje nebo smršťuje na aplikovaný volt. Vzhledem k rozdílům v materiálu nebo velikosti se citlivost liší od skeneru ke skeneru. Citlivost se liší nelineárně s ohledem na velikost skenování. Piezo skenery vykazují na konci větší citlivost než na začátku skenování. To způsobí, že se dopředné a zpětné skenování chová odlišně a zobrazí hysterezi mezi dvěma směry skenování. To lze napravit použitím nelineárního napětí na piezoelektrody, které způsobí lineární pohyb skeneru, a podle toho kalibrovat skener. Jednou z nevýhod tohoto přístupu je, že vyžaduje rekalibraci, protože přesné nelineární napětí potřebné ke korekci nelineárního pohybu se bude měnit, jak piezoelektrické stárnutí (viz níže). Tento problém lze obejít přidáním lineárního senzoru do vzorkovacího nebo piezoelektrického stupně, aby se detekoval skutečný pohyb piezo. Odchylky od ideálního pohybu mohou být detekovány snímačem a korekcemi aplikovanými na signál piezo pohonu pro korekci nelineárního piezo pohybu. Tento design je známý jako AFM s „uzavřenou smyčkou“. Nesenzorované piezo AFM se označují jako AFM s „otevřenou smyčkou“.

Citlivost piezoelektrických materiálů s časem exponenciálně klesá. To způsobí, že většina změn citlivosti nastane v počátečních fázích života skeneru. Piezoelektrické skenery jsou v provozu přibližně 48 hodin, než jsou odeslány z továrny, takže jsou za bodem, kde mohou mít velké změny citlivosti. Jak skener stárne, citlivost se bude časem méně měnit a skener bude jen zřídka vyžadovat rekalibraci, ačkoli různé příručky výrobce doporučují měsíční až půlměsíční kalibraci AFM s otevřenou smyčkou.

Výhody a nevýhody

První mikroskop atomové síly

Výhody

AFM má oproti rastrovacímu elektronovému mikroskopu (SEM) několik výhod . Na rozdíl od elektronového mikroskopu, který poskytuje dvourozměrnou projekci nebo dvojrozměrný obraz vzorku, AFM poskytuje trojrozměrný povrchový profil. Kromě toho vzorky prohlížené AFM nevyžadují žádné speciální úpravy (jako jsou povlaky kov/uhlík), které by nevratně změnily nebo poškodily vzorek a obvykle netrpí nabíjením artefaktů v konečném obrazu. Zatímco elektronový mikroskop potřebuje pro správnou funkci nákladné vakuové prostředí, většina režimů AFM může dokonale fungovat v okolním vzduchu nebo dokonce v kapalném prostředí. To umožňuje studovat biologické makromolekuly a dokonce i živé organismy. V zásadě může AFM poskytovat vyšší rozlišení než SEM. Bylo prokázáno, že poskytuje skutečné atomové rozlišení v ultra vysokém vakuu (UHV) a nověji v kapalném prostředí. AFM s vysokým rozlišením je v rozlišení srovnatelný se skenovací tunelovou mikroskopií a transmisní elektronovou mikroskopií . AFM lze také kombinovat s různými technikami optické mikroskopie a spektroskopie, jako je fluorescenční mikroskopie infračervené spektroskopie, což vede ke skenování optické mikroskopie blízkého pole , nano-FTIR a dále rozšiřuje její použitelnost. Kombinované AFM-optické přístroje byly použity především v biologických vědách, ale v poslední době přitahují velký zájem o fotovoltaiku a výzkum skladování energie, polymerní vědy, nanotechnologie a dokonce i lékařský výzkum.

Nevýhody

Nevýhodou AFM ve srovnání se skenovacím elektronovým mikroskopem (SEM) je velikost jednoho skenovaného obrazu. Při jednom průchodu může SEM zobrazit oblast v řádu milimetrů čtverečních s hloubkou ostrosti v řádu milimetrů, zatímco AFM dokáže zobrazit pouze maximální skenovací plochu přibližně 150 × 150 mikrometrů a maximální výšku objednávky. 10–20 mikrometrů. Jedním ze způsobů vylepšení velikosti skenované oblasti pro AFM je použití paralelních sond podobným způsobem jako u mnohonásobného ukládání dat .

Omezením je také rychlost skenování AFM. AFM tradičně neumí skenovat obrázky tak rychle jako SEM, což u typického skenování vyžaduje několik minut, zatímco SEM je schopné skenovat téměř v reálném čase, i když v relativně nízké kvalitě. Relativně pomalá rychlost skenování během zobrazování AFM často vede k tepelnému driftu v obrazu, což činí AFM méně vhodným pro měření přesných vzdáleností mezi topografickými prvky na obrázku. Bylo však navrženo několik rychle působících návrhů ke zvýšení produktivity mikroskopického skenování, včetně toho, čemu se říká videoAFM (s videoAFM se získávají obrázky přiměřené kvality rychlostí videa: rychlejší než průměrný SEM). Aby se eliminovalo zkreslení obrazu způsobené tepelným driftem, bylo zavedeno několik metod.

Zobrazující artefakt AFM vycházející ze špičky s vysokým poloměrem zakřivení vzhledem k prvku, který má být vizualizován
Artefakt AFM, strmá topografie vzorku

Snímky AFM mohou být také ovlivněny nelinearitou, hysterezí a dotvarováním piezoelektrického materiálu a křížovým rozhovorem mezi osami x , y , z, které mohou vyžadovat softwarové vylepšení a filtrování. Takové filtrování by mohlo „zploštit“ skutečné topografické rysy. Novější AFM však používají software pro korekci v reálném čase (například skenování orientované na funkce ) nebo skenery s uzavřenou smyčkou, které tyto problémy prakticky eliminují. Některé AFM také používají oddělené ortogonální skenery (na rozdíl od jedné trubice), které také slouží k odstranění části problémů s cross-talk.

Stejně jako u jakékoli jiné zobrazovací techniky existuje možnost obrazových artefaktů , které mohou být způsobeny nevhodným hrotem, špatným operačním prostředím nebo dokonce samotným vzorkem, jak je znázorněno vpravo. Těmto obrazovým artefaktům se nelze vyhnout; jejich výskyt a účinek na výsledky však lze omezit různými metodami. Artefakty vyplývající z příliš hrubé špičky mohou být způsobeny například nevhodnou manipulací nebo de facto kolizemi se vzorkem buď příliš rychlým skenováním nebo nepřiměřeně drsným povrchem, což způsobuje skutečné opotřebení špičky.

Vzhledem k povaze sond AFM nemohou normálně měřit strmé stěny nebo převisy. Speciálně vyrobené konzoly a AFM lze použít k modulaci sondy do stran i nahoru a dolů (jako u dynamických kontaktních a bezkontaktních režimů) k měření bočnic za cenu dražších konzol, nižšího laterálního rozlišení a dalších artefaktů.

Další aplikace v různých studijních oborech

AFM snímek části Golgiho aparátu izolovaného z buněk HeLa

Nejnovější úsilí v integraci nanotechnologií a biologického výzkumu bylo úspěšné a do budoucna je velkým příslibem. Vzhledem k tomu, že nanočástice jsou potenciálním nosičem podávání léčiv, biologické reakce buněk na tyto nanočástice se neustále zkoumají, aby se optimalizovala jejich účinnost a jak by bylo možné zlepšit jejich design. Pyrgiotakis a kol. byli schopni studovat interakci mezi nanočásticemi a buňkami inženýrsky upravenými nanočásticemi CeO 2 a Fe 2 O 3 připojením upravených nanočástic ke špičce AFM. Studie využily výhodu AFM k získání dalších informací o chování živých buněk v biologických médiích. Spektroskopie atomové síly v reálném čase (nebo nanoskopie) a dynamická spektroskopie atomové síly byly použity ke studiu živých buněk a membránových proteinů a jejich dynamického chování ve vysokém rozlišení na nanometru. Zobrazování a získávání informací o topografii a vlastnostech buněk také poskytlo pohled na chemické procesy a mechanismy, ke kterým dochází interakcí mezi buňkami a interakcemi s jinými signálními molekulami (např. Ligandy). Evans a Calderwood použili mikroskopii síly jedné buňky ke studiu sil adheze buněk , kinetiky vazeb/síly dynamické vazby a její role v chemických procesech, jako je buněčná signalizace. Scheuring, Lévy a Rigaud přezkoumali studie, ve kterých AFM prozkoumala krystalovou strukturu membránových proteinů fotosyntetických bakterií. Alsteen a kol. použili nanoskopii založenou na AFM k provedení analýzy interakce mezi živými mykobakteriemi a antimykobakteriálními léky (konkrétně isoniazidem , etionamidem , ethambutolem a streptomycinem ) v reálném čase , která slouží jako příklad hlubší analýzy patogenů a léčiv interakce, které lze provést prostřednictvím AFM.

Viz také

Aplikace Nuvola kalzium.svg Vědecký portál

Reference

Další čtení

externí odkazy