Atom kuchi mikroskopi (afm, Eng. Afm atom quvvatiga EGA mikroskop) bu yuqori aniqlikdagi skanerlash mikroskopidir. Sirt topografiyasini atomgacha bo'lgan o'nlab angstromlarning o'lchamlari bilan aniqlash kerak

Atom kuchi mikroskopi (AFM, Eng. AFM - atom quvvatiga ega mikroskop) - bu yuqori aniqlikdagi skanerlash mikroskopidir. Sirt topografiyasini atomgacha bo'lgan o'nlab angstromlarning o'lchamlari bilan aniqlash kerak.

Skanerlash tunnelli mikroskopdan farqli o'laroq, har ikkala Supero'tkazuvchilar va o'tkazmaydigan sirtlarni ham atom kuchi mikroskopi yordamida tekshirish mumkin.

Atom kuchi mikroskopi 1982 yilda Syurixda (Shveytsariya) Gerd Binnig, Kalvin Kaytit va Kristofer Gerber tomonidan ixtiro qilingan skaner tunnel mikroskopining modifikatsiyasi sifatida yaratilgan.

Ishlamaydigan jismlarning sirt relyefini aniqlash uchun elastik kanalizatsiya vositasi (kantilevr) ishlatilgan, uning sapishi, o'z navbatida, skanerlash tunnel mikroskopidagi kabi tunnel oqimi kattaligining o'zgarishi bilan aniqlandi [1]. Biroq, kantilverning pozitsiyasini o'zgartirishni qayd etishning bu usuli eng muvaffaqiyatli emas edi va ikki yil o'tgach, optik sxema taklif qilindi: lazer nurlari kantilatorning tashqi yuzasiga yo'naltirilgan, fotodetektorni aks ettirdi va urdi [2]. Kantilevr defektlarini aniqlashning ushbu usuli zamonaviy zamonaviy atom kuch mikroskoplarida qo'llaniladi.

Dastlab, atom kuchi mikroskopi aslida profilometr edi, faqat igna radiusi o'nlab angstromlardan iborat edi. Yanal echimni yaxshilash istagi dinamik usullarning rivojlanishiga olib keldi. Piezo-vibrator ma'lum chastota va fazaga ega bo'lgan kantilever tebranishlarini qo'zg'atadi. Sirtga yaqinlashganda, uning chastota xususiyatlarini o'zgartiradigan kuchlar kantilverada harakat qila boshlaydi. Shunday qilib, kantilever tebranishlarining chastotasi va fazasini kuzatib, biz sirt tomon harakat qiluvchi kuch va shuning uchun relyef [3] o'zgaradi degan xulosaga kelishimiz mumkin.

Atom kuchi mikroskopiyasining yanada rivojlanishi magnit kuch mikroskopiyasi, piezoelektrik reaktsiyaning kuch mikroskopiyasi va elektr quvvat mikroskopiyasi kabi usullarning paydo bo'lishiga olib keldi.

Ish printsipi

Atom kuchi mikroskopining ishlash printsipi sinov namunasi yuzasi va zond o'rtasidagi kuch o'zaro ta'sirini ro'yxatdan o'tkazishga asoslangan. Zond sifatida, nanoskale uchi kantilver deb ataladigan elastik kanven oxirida joylashgan. Tekshirgichning sirt ustida ishlaydigan kuchi kantilatorning egilishiga olib keladi. Nayza ostida ko'tarilish yoki tushishlarning paydo bo'lishi zondga ta'sir etuvchi kuchning o'zgarishiga va shuning uchun kantilverma egilishi hajmining o'zgarishiga olib keladi. Shunday qilib, egilishning kattaligini ro'yxatdan o'tkazib, biz sirtning relefi haqida xulosa chiqarishimiz mumkin.

Prob va namuna o'rtasida harakat qiluvchi kuchlar, ular birinchi navbatda uzoq masofali Van der Waals kuchlarini anglatadi, ular birinchi yaqinlashuv kuchlar bo'lib, ular bir-biriga yaqinlashganda, itaruvchi kuchlarga aylanadi.

Boshqa kuchlar

Atom kuchi mikroskopining ishini tavsiflashda juda tez-tez faqat Van der Vaals kuchlari eslatib o'tilganiga qaramay, aslida, yuza tomonida elastik kuchlar, yopishish kuchlari, kapillyar kuchlar kabi bir qator o'zaro ta'sirlar mavjud. Ularning hissasi, ayniqsa, urish rejimida ishlaganda, gisterez tufayli kantilveraning yuzasiga «yopishishi» tufayli yuzaga keladi, bu esa rasm olish va natijalarni talqin qilish jarayonini sezilarli darajada murakkablashtirishi mumkin.

Bundan tashqari, sirtdan magnit va elektrostatik kuchlarning harakati mumkin. Muayyan texnikalar va maxsus zondlardan foydalanib, ularning sirt ustida tarqalishini bilib olishingiz mumkin.

Atom kuchi mikroskopining dizayni

Atom kuchi mikroskopining asosiy tarkibiy qismlari quyidagilardan iborat:

- Qattiq uy-joyni saqlash tizimi

- Namuna keyinchalik biriktirilgan namuna ushlagichi

- Manipulyatsiya asboblari

Mikroskopning dizayniga qarab, zondni statsionar namunaga nisbatan yoki namunani sobit probga nisbatan siljitish mumkin. Manipulyatorlar ikki guruhga bo'lingan. Birinchi guruh kantilver va namuna orasidagi masofani "qo'pol" tartibga solishga mo'ljallangan (santimetrning harakatlanish diapazoni), ikkinchisi - skanerlash paytida aniq harakat qilish uchun (mikron tartibida harakatlanish oralig'i). Piezokeramika nozik manipulyatorlar (yoki skanerlar) sifatida ishlatiladi. Ular angstrom tartibida masofani bosib o'tishga qodir, ammo ular termal siljish, chiziqsizlik, gisterez, krep (krep) kabi kamchiliklarga ega.

Prob

Probning og'ishlarini ro'yxatga olish tizimi. Bir necha mumkin bo'lgan tizimlar mavjud:

- Optik (eng keng tarqalgan lazer va fotodiodni o'z ichiga oladi)

- Piezoelektr (to'g'ridan-to'g'ri va teskari piezoelektr effektidan foydalanadi)

- Interferometrik (lazer va optik toladan iborat)

- Kapasitiv (yuqoridagi joylashgan statsionar plitka va statsionar plitalar o'rtasidagi sig'imning o'zgarishini o'lchagan holda)

- Tunnel (tarixan birinchisi, yuqorida joylashgan tunnel oqimi va Supero'tkazuvchilar oqim o'rtasidagi o'zgarishni qayd etadi)

- Qayta aloqa tizimi

- Elektron boshqaruvli boshqaruv bloki.

Ishning xususiyatlari

Tekshiruvchi elektron mikroskop (SEM) bilan taqqoslaganda, atom quvvatiga ega bo'lgan mikroskop bir nechta afzalliklarga ega. Shunday qilib, namuna yuzasining soxta uch o'lchovli tasvirini beradigan SEM-dan farqli o'laroq, AFM chindan ham uch o'lchovli sirt relefini olishga imkon beradi. Bundan tashqari, AFM yordamida tekshirilgan o'tkazuvchan bo'lmagan sirt, odatda sirtni sezilarli darajada deformatsiyasiga olib keladigan Supero'tkazuvchilar metall qoplamani qo'llashni talab qilmaydi. SEM normal ishlashi uchun vakuum talab qilinadi, aksariyat AFM rejimlari havoda yoki hatto suyuqlikda ham amalga oshirilishi mumkin. Ushbu holat biomakromolekulalar va tirik hujayralarni o'rganish imkoniyatini ochadi. Aslida, AFM SEM-ga qaraganda yuqori qaror qabul qilishga qodir. Shunday qilib, AFM u

ltrabinafsha vakuum ostida haqiqiy atom o'lchamlarini berishga qodir ekanligi ko'rsatildi. Ultratovushli vakuumli AFM o'lchamlarini skanerlash tunnel mikroskopi va elektron mikroskop bilan solishtirish mumkin.

SEM bilan taqqoslashda AFMning noqulayligi skanerlash maydonining kichik hajmini ham o'z ichiga olishi kerak. SEM vertikal tekislikda bir necha millimetr balandlik farqi bilan lateral tekislikda bir necha millimetrlik skanerlash imkoniyatiga ega. AFMlar uchun maksimal balandlik farqi bir necha mikronni tashkil qiladi va maksimal ko'rish maydoni kamida 150 × 150 mikron² ni tashkil qiladi. Yana bir muammo shundaki, yuqori aniqlikda tasvir sifati prob uchining egrilik radiusi bilan aniqlanadi, agar prob noto'g'ri tanlangan bo'lsa, natijada olingan tasvirni artefaktga olib keladi.

Odatiy AFMlar SEM kabi tez sirtni skanerlay olmaydi. AFM tasvirini olish uchun bir necha daqiqadan bir necha soatgacha vaqt ketadi, nasosdan keyin SEM esa nisbatan past sifatga qaramay real vaqt rejimida ishlashga qodir. AFM-ning past tezligi tufayli, olingan rasmlar termal siljish bilan buziladi, [4], bu skaner qilingan bo'rtma elementlarini o'lchash aniqligini pasaytiradi. AFM samaradorligini oshirish uchun bir nechta dizayn taklif qilindi, ular orasida video ASM deb nomlangan zond mikroskopini ajratib ko'rsatish mumkin. VideoASM odatdagi SEM-ga qaraganda tezroq bo'lgan televizor ko'rish chastotasi bilan sirt rasmlarining qoniqarli sifatini ta'minlaydi. Biroq, VideoASM-dan foydalanish cheklangan, chunki u faqat kontakt rejimida va balandlikda nisbatan kam farqli namunalarda ishlaydi. Termal drift tomonidan kiritilgan buzilishlarni tuzatish uchun bir necha usullar taklif qilingan. [4]

Skanerning piezoelektrik keramikasining chiziqsizligi, histerizasi va cho'kishi (o'rmalashi) ham AFM tasvirlarining kuchli buzilishining sababidir. Bundan tashqari, buzilishning bir qismi brauzerning X, Y, Z-manipulyatorlari o'rtasida ishlaydigan o'zaro soxta birikmalardan kelib chiqadi. Buzilishlarni real vaqt rejimida tuzatish uchun zamonaviy AFM-lar dasturiy ta'minotdan foydalanadilar (masalan, funktsional yo'naltirilgan skanerlash) yoki chiziqli pozitsiyali sensorlarni o'z ichiga olgan yopiq pastadir tizimlari bilan jihozlangan skanerlardan. Piezotube ko'rinishidagi skaner o'rniga ba'zi bir AFMlar bir-birlaridan mexanik ravishda ajratilgan XY va Z-elementlardan foydalanadilar, bu esa ba'zi soxta ulanishlarni yo'q qiladi. Biroq, ba'zi hollarda, masalan, elektron mikroskop yoki ultra mikrotomlar bilan birlashganda, piezotublarda skanerdan foydalanish konstruktiv ravishda asoslanadi.

AFM kristall paneldagi atom turini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin. [6]

Olingan ma'lumotlarni qayta ishlash va olingan rasmlarni tiklash

Qoida tariqasida, skanerlash probi mikroskopi yordamida olingan tasvirni ushbu usulning o'ziga xos buzilishlari tufayli aniqlash qiyin. Deyarli har doim dastlabki tekshirish natijalari matematik ishlov beriladi. Odatda, buning uchun skanerlash probi mikroskopidan (SPM) to'g'ridan-to'g'ri etkazib beriladigan dasturiy ta'minot ishlatiladi, bu har doim ham qulay emas, chunki bu holda dastur faqat mikroskopni boshqaradigan kompyuterga o'rnatiladi.

Skanerlash prob mikroskopiyasining hozirgi holati va rivojlanishi

Hozirgi vaqtda skanerlash mikroskoplari deyarli barcha fan sohalarida qo'llanilishini topdi. Fizika, kimyo, biologiyada AFM tadqiqot vositasi sifatida ishlatiladi. Xususan, biofizika, materialshunoslik, biokimyo, farmatsevtika, nanotexnologiya, fizika va sirt kimyosi, elektrokimyo, korroziyani tadqiq qilish, elektronika (masalan, MEMS), fotokimyo va boshqalar kabi fanlararo fanlar. Tekshiruv mikroskoplarini boshqa an'anaviy va zamonaviy tadqiqot usullari bilan birlashtirish, shuningdek, tubdan yangi qurilmalarni yaratish istiqbolli yo'nalish hisoblanadi. Masalan, SPMni optik mikroskoplar bilan (an'anaviy va konkokal mikroskoplar) [7] [8] [9], elektron mikroskoplar [10], spektrometrlar (masalan, Raman spektrometr va lyuminestsent) [11] [12] [13 ], ultramikrotomalar [14]

Qiziq faktlar

AFM va STM anipulyatori o'lchamlari bir necha santimetr bilan 0,1 a dan yaxshiroq bo'lgan ignani harakatlantirishga imkon beradi. Agar sanoat robotining o'lchamlari bir metrga teng bo'lgan aniq bir robot bo'lsa, unda manipulyatorlarda igna bilan o'ralgan holda u diametri bir necha nanometr bo'lgan doira chizishi mumkin edi.

Ko'pgina materiallarning chiziqli kengayishining harorat koeffitsienti taxminan 10–6 K - 1 ni tashkil qiladi. Manipulyatorning o'lchami bir necha santimetrga teng bo'lganda, haroratning o'zgarishi 0,01 ° haroratni 1 1 issiqlik pasayishi tufayli igna harakatiga olib keladi.