Атомно-силовая микроскопия

АСМ генерирует изображения путем сканирования небольшого кантилевера по поверхности образца. Острый кончик кантилевера контактирует с поверхностью, изгибая кантилевер и изменяя количество лазерного света, отражающегося на фотодиод. Затем высоту кантилевера корректируют для восстановления ответного сигнала, в результате чего измеренная высота кантилевера повторяет поверхность.

Атомно-силовая микроскопия ( АСМ ) или сканирующая силовая микроскопия ( СФМ ) представляет собой тип сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) с очень высоким разрешением, с продемонстрированным разрешением порядка долей нанометра, что более чем в 1000 раз лучше, чем оптическая дифракция. предел .

Обзор

Атомно-силовой микроскоп слева и управляющий компьютер справа.

Атомно-силовая микроскопия (AFM) — это тип СЗМ с разрешением порядка долей нанометра, что более чем в 1000 раз превышает предел оптической дифракции . Информация собирается путем «ощупывания» или «касания» поверхности механическим зондом. Пьезоэлектрические элементы, которые обеспечивают крошечные, но точные и точные движения по (электронной) команде, обеспечивают точное сканирование. Несмотря на название, атомно-силовой микроскоп не использует ядерную силу .

Способности и пространственное разрешение

Атомно-силовой микроскоп

АСМ обладает тремя основными возможностями: измерение силы, топографическая визуализация и манипулирование.

При измерении силы АСМ можно использовать для измерения сил между зондом и образцом в зависимости от их взаимного разделения. Это можно применить для проведения силовой спектроскопии , для измерения механических свойств образца, таких как модуль Юнга образца , мера жесткости.

Для визуализации реакция зонда на силы, которые на него воздействует образец, может быть использована для формирования изображения трехмерной формы (топографии) поверхности образца с высоким разрешением. Это достигается путем растрового сканирования положения образца относительно зонда и регистрации высоты зонда, которая соответствует постоянному взаимодействию зонда с образцом ( см. § Топографическое изображение подробнее ). Топография поверхности обычно отображается в виде псевдоцветного графика.

Хотя в первой публикации Биннига, Квейта и Гербера об атомно-силовой микроскопии в 1986 году высказывались предположения о возможности достижения атомного разрешения, необходимо было преодолеть серьезные экспериментальные проблемы, прежде чем в 1993 году было продемонстрировано атомное разрешение дефектов и ступенчатых краев в окружающих (жидких) условиях. Онезорге и Бинниг. Истинное атомное разрешение поверхности кремния 7x7 — атомные изображения этой поверхности, полученные с помощью СТМ, убедили научное сообщество в впечатляющем пространственном разрешении сканирующей туннельной микроскопии — пришлось подождать немного дольше, прежде чем это было показано Гиссиблем. Субатомное разрешение (т.е. способность разрешать структурные детали в пределах электронной плотности одного атома также было достигнуто с помощью АСМ.

При манипуляциях силы между наконечником и образцом также можно использовать для контролируемого изменения свойств образца. Примеры этого включают атомные манипуляции, литографию с помощью сканирующих зондов и локальную стимуляцию клеток.

Одновременно с получением топографических изображений другие свойства образца могут быть измерены локально и отображены в виде изображения, часто с таким же высоким разрешением. Примерами таких свойств являются механические свойства, такие как жесткость или прочность сцепления, и электрические свойства, такие как проводимость или поверхностный потенциал. Фактически, большинство методов СЗМ являются расширениями АСМ, использующими эту модальность.

технологии

Основное различие между атомно-силовой микроскопией и конкурирующими технологиями, такими как оптическая микроскопия и электронная микроскопия, заключается в том, что в АСМ не используются линзы или лучевое облучение. Следовательно, он не страдает ограничением пространственного разрешения из-за дифракции и аберрации, а подготовка пространства для направления луча (путем создания вакуума) и окрашивание образца не требуются.

Существует несколько типов сканирующей микроскопии, включая СЗМ (включая АСМ, сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (SNOM/NSOM), STED-микроскопию (STED), а также сканирующую электронную микроскопию и электрохимическую АСМ , EC-AFM. ). Хотя SNOM и STED используют видимый , инфракрасный или даже терагерцовый свет для освещения образца, их разрешение не ограничено дифракционным пределом.

Конфигурация

На рис. 3 показан АСМ, который обычно состоит из следующих функций. Числа в скобках соответствуют нумерованным объектам на рис. 3. Направления координат определяются системой координат (0).

Рис. 3: Типичная конфигурация АСМ.
(1) : Консоль, (2) : Опора кантилевера, (3) : Пьезоэлектрический элемент (для колебаний кантилевера на его собственной частоте), (4) : Наконечник (прикреплен к открытому концу кантилевера, действует как зонд), (5) : Детектор отклонения и движения кантилевера, (6) : Образец, измеряемый с помощью АСМ, (7) : привод xyz (перемещает образец (6) и столик (8) в направлениях x, y и z относительно вершины кончика (4)), и (8) : Стадия.

Небольшая пружинная консоль (1) поддерживается опорой (2). Необязательно, пьезоэлектрический элемент (обычно изготовленный из керамического материала) (3) приводит в движение кантилевер (1). Острый наконечник (4) закреплен на свободном конце кантилевера (1). Детектор (5) фиксирует отклонение и движение кантилевера (1). Образец (6) устанавливается на предметный столик (8). Привод xyz (7) позволяет перемещать образец (6) и предметный столик (8) в направлениях x, y и z относительно вершины наконечника (4). Хотя на рис. 3 показан привод, прикрепленный к образцу, привод может быть прикреплен и к игле, либо к обоим могут быть прикреплены независимые приводы, поскольку необходимо контролировать относительное смещение образца и иглы. Контроллеры и плоттер на рис. 3 не показаны.

В соответствии с описанной выше конфигурацией взаимодействие между зондом и образцом, которое может быть явлением атомного масштаба, преобразуется в изменения движения кантилевера, что является явлением макромасштаба. Для количественной оценки взаимодействия между зондом и образцом можно использовать несколько различных аспектов движения кантилевера, чаще всего величину отклонения, амплитуду вынужденного колебания кантилевера или сдвиг резонансной частоты кантилевера (см. раздел Режимы изображения).

Детектор

Детектор (5) АСМ измеряет отклонение (смещение относительно положения равновесия) кантилевера и преобразует его в электрический сигнал. Интенсивность этого сигнала будет пропорциональна смещению кантилевера.

Могут использоваться различные методы обнаружения, например, интерферометрия, оптические рычаги, пьезоэлектрический метод и детекторы на основе СТМ (см. раздел «Измерение отклонения кантилевера АСМ»).

Формирование имиджа

Этот раздел относится конкретно к визуализации в § контактном режиме . Для других режимов визуализации процесс аналогичен, за исключением того, что «отклонение» следует заменить соответствующей переменной обратной связи.

При использовании АСМ для изображения образца наконечник соприкасается с образцом, и образец растрово сканируется по сетке x-y (рис. 4). Чаще всего для поддержания постоянного усилия зонд-образец во время сканирования используется электронная петля обратной связи. Эта петля обратной связи имеет на входе отклонение кантилевера, а ее выход управляет расстоянием по оси z между опорой зонда (2 на рис. 3) и опорой образца (8 на рис. 3). Пока наконечник остается в контакте с образцом и образец сканируется в плоскости x-y, изменения высоты образца будут изменять отклонение кантилевера. Затем обратная связь регулирует высоту опоры датчика так, чтобы отклонение восстановилось до заданного пользователем значения (заданного значения). Правильно настроенная петля обратной связи непрерывно регулирует расстояние между опорой и образцом во время сканирующего движения, так что отклонение остается примерно постоянным. В этой ситуации выходной сигнал обратной связи соответствует топографии поверхности образца с точностью до небольшой ошибки.

Исторически использовался другой метод работы, при котором расстояние между опорой пробы и зонда поддерживается постоянным и не контролируется обратной связью ( сервомеханизм ). В этом режиме, обычно называемом «режимом постоянной высоты», отклонение кантилевера регистрируется как функция положения образца x – y. Пока наконечник находится в контакте с образцом, отклонение соответствует топографии поверхности. В настоящее время этот метод используется реже, поскольку силы между зондом и образцом не контролируются, что может привести к тому, что силы будут достаточно высокими, чтобы повредить зонд или образец. Однако общепринятой практикой является запись отклонения даже при сканировании в режиме постоянной силы с обратной связью. Это выявляет небольшую ошибку отслеживания обратной связи и иногда может выявить особенности, которые обратная связь не смогла скорректировать.

Сигналы АСМ, такие как высота образца или отклонение кантилевера, записываются на компьютер во время сканирования x-y. Они отображаются в псевдоцветном изображении, в котором каждый пиксель представляет положение x–y на образце, а цвет представляет записанный сигнал.

Рис. 5: Формирование топографического изображения с помощью АСМ.
(1) : Вершина наконечника, (2) : Поверхность образца, (3) : Z-орбита вершины наконечника, (4) : Кантилевер.

История

АСМ был изобретен учеными IBM в 1985 году. Предшественник АСМ, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), был разработан Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в начале 1980-х годов в исследовательском центре IBM в Цюрихе , и эта разработка принесла им Нобелевскую премию по физике 1986 года . Бинниг изобрел атомно-силовой микроскоп, и первая экспериментальная реализация была сделана Биннигом, Квейтом и Гербером в 1986 году.

Первый коммерчески доступный атомно-силовой микроскоп был представлен в 1989 году. АСМ является одним из передовых инструментов для визуализации, измерения и манипулирования веществом на наноуровне .

Приложения

АСМ применяется для решения задач в широком спектре дисциплин естественных наук, включая физику твердого тела , полупроводников науку и технологию , молекулярную инженерию , полимеров химию и физику , химию поверхности , молекулярную биологию , клеточную биологию и медицину .

Приложения в области физики твердого тела включают (а) идентификацию атомов на поверхности, (б) оценку взаимодействий между конкретным атомом и соседними с ним атомами и (в) исследование изменений физических свойств, возникающих в результате изменений. в атомной структуре посредством атомных манипуляций.

В молекулярной биологии АСМ можно использовать для изучения структуры и механических свойств белковых комплексов и агрегатов. Например, АСМ использовался для визуализации микротрубочек и измерения их жесткости.

В клеточной биологии АСМ можно использовать, чтобы попытаться отличить раковые клетки от нормальных клеток на основе твердости клеток, а также для оценки взаимодействия между конкретной клеткой и соседними с ней клетками в конкурентной культуральной системе. АСМ также можно использовать для исследования клеток, чтобы изучить, как они регулируют жесткость или форму клеточной мембраны или стенки.

В некоторых вариантах электрические потенциалы также можно сканировать с помощью проводящих кантилеверов. В более продвинутых версиях токи через наконечник можно пропускать , чтобы исследовать электропроводность или транспортировку подстилающей поверхности, но это сложная задача, поскольку лишь немногие исследовательские группы сообщают последовательные данные (по состоянию на 2004 год).

Принципы

Электронная микрофотография использованного кантилевера АСМ. Ширина изображения ~100 микрометров

Электронная микрофотография использованного кантилевера АСМ. Ширина изображения ~30 микрометров

АСМ состоит из кантилевера с острым наконечником (зондом) на конце, который используется для сканирования поверхности образца. Кантилевер обычно представляет собой кремний или нитрид кремния кончика с радиусом кривизны порядка нанометров. Когда игла приближается к поверхности образца, силы между иглой и образцом приводят к отклонению кантилевера в соответствии с законом Гука . В зависимости от ситуации силы, измеряемые с помощью АСМ, включают механическую контактную силу, силы Ван-дер-Ваальса , капиллярные силы , химическую связь , электростатические силы , магнитные силы (см. магнитно-силовой микроскоп , МСМ), силы Казимира , силы сольватации и т. д. с силой одновременно могут быть измерены дополнительные величины за счет использования специализированных типов зондов (см. сканирующая термическая микроскопия , сканирующая джоулевая микроскопия , фототермическая микроспектроскопия и др.).

Топографическое сканирование поверхности стекла атомно-силовым микроскопом. Можно наблюдать микро- и наноразмеры стекла, отражающие шероховатость материала. Пространство изображения (x,y,z) = (20 мкм × 20 мкм × 420 нм).

AFM может работать в нескольких режимах, в зависимости от применения. В общем, возможные режимы визуализации делятся на статические (также называемые контактными ) режимы и различные динамические (бесконтактные или «постукивающие») режимы, в которых кантилевер вибрирует или колеблется с заданной частотой.

Режимы визуализации

Работу АСМ обычно описывают как один из трех режимов в зависимости от характера движения зонда: контактный режим, также называемый статическим режимом (в отличие от двух других режимов, которые называются динамическими режимами); режим постукивания, также называемый прерывистым контактом, режимом переменного тока или режимом вибрации, или, после механизма обнаружения, АСМ с амплитудной модуляцией; и бесконтактный режим, или, опять же после механизма обнаружения, АСМ с частотной модуляцией.

Несмотря на номенклатуру, отталкивающий контакт может возникнуть или избежать его как при АСМ с амплитудной модуляцией, так и при АСМ с частотной модуляцией, в зависимости от настроек.

Контактный режим

В контактном режиме игла «протаскивается» по поверхности образца, и контуры поверхности измеряются либо с использованием непосредственного отклонения кантилевера, либо, что чаще, с использованием сигнала обратной связи, необходимого для удержания кантилевера в постоянном положении. . Поскольку измерение статического сигнала подвержено шуму и дрейфу, используются кантилеверы низкой жесткости (т. е. кантилеверы с низкой жесткостью пружины k) для достижения достаточно большого сигнала отклонения при сохранении низкой силы взаимодействия. Вблизи поверхности образца силы притяжения могут быть довольно сильными, заставляя наконечник «защелкиваться» на поверхности. Таким образом, АСМ в контактном режиме почти всегда выполняется на глубине, где общая сила отталкивания, то есть при прочном «контакте» с твердой поверхностью.

Режим касания

Одиночные полимерные цепи (толщиной 0,4 нм), записанные в постукивающем режиме в водных средах с различным pH.

В условиях окружающей среды у большинства образцов образуется жидкий менисковый слой. По этой причине удержание кончика зонда достаточно близко к образцу, чтобы можно было обнаружить силы ближнего действия, при этом предотвращая прилипание наконечника к поверхности, представляет собой серьезную проблему для контактного режима в условиях окружающей среды. Режим динамического контакта (также называемый прерывистым контактом, режимом переменного тока или режимом постукивания) был разработан для решения этой проблемы. В настоящее время режим постукивания является наиболее часто используемым режимом АСМ при работе в условиях окружающей среды или в жидкостях.

В режиме постукивания кантилевер совершает колебания вверх и вниз на своей резонансной частоте или около нее. Это колебание обычно достигается с помощью небольшого пьезоэлемента в держателе кантилевера, но другие возможности включают магнитное поле переменного тока (с магнитными кантилеверами), пьезоэлектрические кантилеверы или периодический нагрев модулированным лазерным лучом. Амплитуда этого колебания обычно варьируется от нескольких нм до 200 нм. В режиме постукивания частота и амплитуда управляющего сигнала остаются постоянными, что приводит к постоянной амплитуде колебаний кантилевера до тех пор, пока нет дрейфа или взаимодействия с поверхностью. Взаимодействие сил, действующих на кантилевер при приближении зонда к поверхности, силы Ван-дер-Ваальса , диполь-дипольные взаимодействия , электростатические силы и т. д. вызывают изменение (обычно уменьшение) амплитуды колебаний кантилевера по мере приближения зонда. к образцу. Эта амплитуда используется в качестве параметра, который поступает в электронный сервопривод. который контролирует высоту кантилевера над образцом. Сервопривод регулирует высоту для поддержания заданной амплитуды колебаний кантилевера при сканировании кантилевера по образцу. Таким образом, изображение постукивания АСМ создается путем визуализации силы прерывистого контакта наконечника с поверхностью образца.

Хотя пиковые силы, приложенные во время контактной части колебаний, могут быть намного выше, чем обычно используемые в контактном режиме, режим постукивания обычно уменьшает повреждение поверхности и наконечника по сравнению с тем, что происходит в контактном режиме. Это можно объяснить кратковременностью приложенной силы, а также тем, что боковые силы между наконечником и образцом значительно ниже в режиме постукивания по сравнению с контактным режимом.Визуализация в режиме постукивания достаточно щадящая даже для визуализации нанесенных липидных бислоев или адсорбированных одиночных полимерных молекул (например, цепей синтетических полиэлектролитов толщиной 0,4 нм ) в жидкой среде. При правильных параметрах сканирования конформация одиночных молекул может оставаться неизменной в течение нескольких часов. и даже одиночные молекулярные двигатели можно визуализировать во время движения.

При работе в режиме постукивания также можно записать фазу колебаний кантилевера относительно управляющего сигнала. Этот сигнальный канал содержит информацию об энергии, рассеиваемой кантилевером в каждом цикле колебаний. Образцы, содержащие области различной жесткости или с разными адгезионными свойствами, могут давать в этом канале контраст, невидимый на топографическом изображении. Однако количественное извлечение свойств материала образца из фазовых изображений часто невозможно.

Бесконтактный режим

В режиме бесконтактной атомно-силовой микроскопии кончик кантилевера не контактирует с поверхностью образца. Вместо этого кантилевер колеблется либо на своей резонансной частоте (частотная модуляция), либо чуть выше (амплитудная модуляция), где амплитуда колебаний обычно составляет от нескольких нанометров (<10 нм) до нескольких пикометров. Силы Ван-дер-Ваальса , которые наиболее сильны на расстоянии от 1 до 10 нм над поверхностью, или любая другая дальнодействующая сила, действующая над поверхностью, действует на уменьшение резонансной частоты кантилевера. Это уменьшение резонансной частоты в сочетании с системой обратной связи поддерживает постоянную амплитуду или частоту колебаний за счет регулирования среднего расстояния между зондом и образцом. Измерение расстояния между наконечником и образцом в каждой точке данных (x,y) позволяет программе сканирования построить топографическое изображение поверхности образца.

АСМ в бесконтактном режиме не подвержена эффектам деградации наконечника или образца, которые иногда наблюдаются после многочисленных сканирований контактным АСМ. Это делает бесконтактную АСМ предпочтительнее контактной АСМ для измерения мягких образцов, например биологических образцов и тонких органических пленок. В случае жестких образцов контактные и бесконтактные изображения могут выглядеть одинаково. несколько монослоев адсорбированной Однако если на поверхности жесткого образца лежит жидкости, изображения могут выглядеть совершенно иначе. АСМ, работающий в контактном режиме, проникает в слой жидкости, чтобы получить изображение подстилающей поверхности, тогда как в бесконтактном режиме АСМ будет колебаться над слоем адсорбированной жидкости, чтобы получить изображение как жидкости, так и поверхности.

Схемы работы в динамическом режиме включают частотную модуляцию , при которой контур фазовой автоподстройки частоты для отслеживания резонансной частоты кантилевера используется , а также более распространенную амплитудную модуляцию с использованием сервоконтура для поддержания возбуждения кантилевера на определенной амплитуде. При частотной модуляции изменения частоты колебаний предоставляют информацию о взаимодействии зонда с образцом. Частоту можно измерять с очень высокой чувствительностью, поэтому режим частотной модуляции позволяет использовать очень жесткие кантилеверы. Жесткие кантилеверы обеспечивают стабильность очень близко к поверхности, и в результате этот метод стал первым методом АСМ, обеспечивающим истинное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума .

При амплитудной модуляции изменения амплитуды или фазы колебаний обеспечивают сигнал обратной связи для визуализации. При амплитудной модуляции изменения фазы колебаний можно использовать для различения различных типов материалов на поверхности. Амплитудная модуляция может работать как в бесконтактном, так и в прерывистом контактном режиме. В режиме динамического контакта кантилевер колеблется так, что расстояние между кончиком кантилевера и поверхностью образца модулируется.

Амплитудная модуляция также использовалась в бесконтактном режиме для получения изображений с атомным разрешением с использованием очень жестких кантилеверов и малых амплитуд в среде сверхвысокого вакуума.

Топографическое изображение

Формирование изображения — это метод построения графиков, который создает цветовое отображение путем изменения положения зонда x–y во время сканирования и записи измеряемой переменной, то есть интенсивности управляющего сигнала, для каждой координаты x–y. Цветовое отображение показывает измеренное значение, соответствующее каждой координате. Изображение выражает интенсивность значения в виде оттенка. Обычно соответствие интенсивности значения и оттенка отображается в виде цветовой шкалы в пояснительных примечаниях к изображению.

Режимы работы формирования изображения АСМ обычно делятся на две группы с точки зрения того, использует ли он петлю z-обратной связи (не показана) для поддержания расстояния зонд-образец для поддержания интенсивности сигнала, экспортируемого детектором. Первый (с использованием цикла z-обратной связи), который называется «режимом постоянного XX » ( XX — это то, что поддерживается циклом z-обратной связи).

Режим формирования топографического изображения основан на вышеупомянутом «режиме постоянного XX », петля z-обратной связи контролирует относительное расстояние между датчиком и образцом посредством выдачи управляющих сигналов для поддержания постоянной частоты, вибрации и фазы, что обычно соответствует движению кантилевера. (например, на Z-пьезоэлектрический элемент подается напряжение, и он перемещает образец вверх и вниз в направлении Z.

Топографическое изображение FM-AFM

Когда расстояние между зондом и образцом доводится до диапазона, в котором может быть обнаружена атомная сила, в то время как кантилевер возбуждается на своей собственной собственной частоте ( f ₀ ), резонансная частота f кантилевера может смещаться от своей исходной резонансной частоты. Другими словами, в диапазоне, где может быть обнаружена атомная сила, сдвиг частоты ( df = f – f ₀ также будет наблюдаться ). Когда расстояние между зондом и образцом находится в бесконтактной области, сдвиг частоты увеличивается в отрицательном направлении по мере уменьшения расстояния между зондом и образцом.

Когда образец имеет вогнутость и выпуклость, расстояние между вершиной зонда и образцом изменяется в соответствии с вогнутостью и выпуклостью, сопровождаясь сканированием образца в направлении x–y (без регулирования высоты в направлении z). В результате возникает сдвиг частоты. Изображение, на котором значения частоты, полученные при растровом сканировании вдоль направления x–y поверхности образца, отложены в зависимости от координации x–y каждой точки измерения, называется изображением постоянной высоты.

С другой стороны, df можно поддерживать постоянным, перемещая датчик вверх и вниз (см. (3) на фиг.5) в направлении z, используя отрицательную обратную связь (с помощью петли обратной связи по z), в то время как растровое сканирование поверхность образца в направлении x–y. Изображение, на котором величины отрицательной обратной связи (расстояние перемещения зонда вверх и вниз в направлении z) отображены в зависимости от координации x–y каждой точки измерения, является топографическим изображением. Другими словами, топографическое изображение представляет собой след кончика зонда, отрегулированного так, чтобы df была постоянной, и его также можно рассматривать как участок поверхности df постоянной высоты.

Таким образом, топографическое изображение АСМ — это не сама точная морфология поверхности, а фактически изображение, на которое влияет порядок связи между зондом и образцом, однако считается, что топографическое изображение АСМ отражает географическую форму объекта. поверхность больше, чем топографическое изображение сканирующего туннельного микроскопа.

Силовая спектроскопия

Помимо визуализации, АСМ можно использовать для силовой спектроскопии — прямого измерения сил взаимодействия зонда с образцом в зависимости от зазора между зондом и образцом. Результат этого измерения называется кривой сила-расстояние. В этом методе наконечник АСМ выдвигается к поверхности и отводится от нее, поскольку отклонение кантилевера отслеживается как функция пьезоэлектрического смещения. Эти измерения использовались для измерения наноразмерных контактов, атомных связей , сил Ван-дер-Ваальса и сил Казимира , сил растворения в жидкостях, а также сил растяжения и разрыва отдельных молекул. АСМ также использовался для измерения в водной среде силы дисперсии, обусловленной полимером, адсорбированным на подложке. Силы порядка нескольких пиконьютонов теперь можно регулярно измерять с разрешением по вертикальному расстоянию лучше 0,1 нанометра. Силовая спектроскопия может выполняться как в статическом, так и в динамическом режимах. В динамических режимах помимо статического отклонения отслеживается информация о вибрации кантилевера.

Проблемы с этой методикой включают отсутствие прямого измерения разделения зонда и образца и общую потребность в кантилеверах низкой жесткости, которые имеют тенденцию «защелкиваться» на поверхности. Эти проблемы не являются непреодолимыми. Был разработан АСМ, который напрямую измеряет разделение зонда и образца. Оснастку можно уменьшить, проводя измерения в жидкостях или используя более жесткие кантилеверы, но в последнем случае необходим более чувствительный датчик отклонения. Применяя небольшое колебание к кончику, можно также измерить жесткость (градиент силы) связи.

применения

Силовая спектроскопия используется в биофизике для измерения механических свойств живого материала (например, тканей или клеток). или обнаружить структуры различной жесткости, заглубленные в объем образца, с помощью томографии жесткости. Другое применение заключалось в измерении сил взаимодействия между, с одной стороны, материалом, застрявшим на кончике кантилевера, и поверхностью частиц, свободных или занятых тем же материалом, с другой стороны. Из кривой распределения силы сцепления было получено среднее значение сил. Это позволило составить картографию поверхности частиц, покрытых или не покрытых материалом. АСМ также использовался для механического разворачивания белков. В таких экспериментах анализ средних сил разворачивания с помощью соответствующей модели приводит к получению информации о скорости разворачивания и параметрах профиля свободной энергии белка.

отдельных

АСМ можно использовать для получения изображений атомов и структур на различных поверхностях. Атом на вершине острия «чувствует» отдельные атомы на подстилающей поверхности, когда начинает образовывать химические связи с каждым атомом. Поскольку эти химические взаимодействия слегка изменяют частоту вибрации насадки, их можно обнаружить и нанести на карту. Этот принцип использовался для различения атомов кремния, олова и свинца на поверхности сплава путем сравнения этих атомных отпечатков со значениями, полученными в результате теории функционала плотности (DFT). моделирования

Силы взаимодействия необходимо точно измерить для каждого типа атомов, ожидаемых в образце, а затем сравнить с силами, полученными с помощью DFT-моделирования. Установлено, что наиболее сильно игла взаимодействовала с атомами кремния, а с атомами олова и свинца - на 24% и 41% менее сильно - соответственно. Используя эту информацию, каждый тип атома можно идентифицировать в матрице как кончик.

Зонд

Зонд АСМ имеет острый кончик на свободно качающемся конце кантилевера, который выступает из держателя. Размеры кантилевера указаны в микрометрах. Радиус кончика обычно составляет от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. (Существуют специализированные датчики с гораздо большим радиусом концов, например, датчики для вдавливания мягких материалов.) Держатель кантилевера, также называемый чипом-держателем, часто размером 1,6 мм на 3,4 мм, позволяет оператору удерживать узел кантилевера/датчика АСМ. пинцетом и вставьте его в соответствующие зажимы-держатели на сканирующей головке атомно-силового микроскопа.

Это устройство чаще всего называют «зондом АСМ», но есть и другие названия: «наконечник АСМ» и «консоль» (название одной детали используется в качестве названия всего устройства). Зонд АСМ представляет собой особый тип зонда СЗМ.

Датчики AFM производятся с использованием технологии MEMS . Большинство используемых зондов АСМ изготовлены из кремния (Si), но боросиликатное стекло и нитрид кремния также используются . Датчики АСМ считаются расходными материалами, поскольку их часто заменяют, когда кончик наконечника затупляется или загрязняется или когда кантилевер ломается. Они могут стоить от пары десятков до сотен долларов за кантилевер для наиболее специализированных комбинаций кантилевера и зонда.

Для использования устройства зонд подносят очень близко к поверхности исследуемого объекта, а кантилевер отклоняется за счет взаимодействия зонда с поверхностью, для измерения чего и предназначен АСМ. Пространственную карту взаимодействия можно составить путем измерения отклонения во многих точках двумерной поверхности.

Можно обнаружить несколько типов взаимодействия. В зависимости от исследуемого взаимодействия поверхность кончика зонда АСМ необходимо модифицировать покрытием. Среди используемых покрытий – золото – для ковалентного связывания биологических молекул и обнаружения их взаимодействия с поверхностью, алмаз для повышения износостойкости и магнитные покрытия для обнаружения магнитных свойств исследуемой поверхности. Существует еще одно решение для получения магнитных изображений с высоким разрешением: оснащение зонда microSQUID . Наконечники АСМ изготавливаются с использованием кремниевой микрообработки, а точное позиционирование петли microSQUID достигается с помощью электронно-лучевой литографии. Дополнительное прикрепление квантовой точки к вершине кончика проводящего зонда позволяет получать изображения поверхностного потенциала с высоким поперечным разрешением и сканирующую микроскопию квантовых точек .

Поверхность консолей также можно модифицировать. Эти покрытия в основном применяются для увеличения отражательной способности кантилевера и улучшения сигнала отклонения.

Силы как функция геометрии наконечника

Силы между зондом и образцом сильно зависят от геометрии зонда. В последние годы были использованы различные исследования для описания сил в зависимости от параметров наконечника.

Среди различных сил, действующих между зондом и образцом, большой интерес представляют силы водного мениска, как в воздушной, так и в жидкой среде. Необходимо учитывать и другие силы, такие как силы Кулона , силы Ван-дер-Ваальса , взаимодействия двойного слоя , силы сольватации , гидратации и гидрофобные силы.

Водный мениск

Силы водного мениска представляют большой интерес для измерений АСМ в воздухе. Из-за влажности окружающей среды во время измерений на воздухе между наконечником и образцом образуется тонкий слой воды. Возникающая в результате капиллярная сила порождает сильную силу притяжения, которая притягивает наконечник к поверхности. Фактически, сила адгезии, измеренная между зондом и образцом в окружающем воздухе с конечной влажностью, обычно определяется капиллярными силами. Как следствие, кончик трудно оторвать от поверхности. Для мягких образцов, включающих множество полимеров и, в частности, биологические материалы, сильная капиллярная сила адгезии приводит к деградации и разрушению образца при визуализации в контактном режиме. Исторически эти проблемы были важной мотивацией для разработки динамических изображений в воздухе (например, «режим постукивания»). Во время визуализации в режиме постукивания на воздухе капиллярные мостики все еще формируются. Тем не менее, при подходящих условиях визуализации капиллярные мостики образуются и разрушаются в каждом цикле колебаний кантилевера, нормального к поверхности, как можно заключить из анализа кривых амплитуды и фазы кантилевера в зависимости от расстояния. Как следствие, разрушительные силы сдвига значительно уменьшаются, и можно исследовать мягкие образцы.

Чтобы количественно оценить равновесную капиллярную силу, необходимо исходить из уравнения Лапласа для давления:

Модель для водного мениска АСМ

$P=\gamma _{L}\left({\frac {1}{r}}_{1}+{\frac {1}{r}}_{0}\right)\simeq {\frac {\gamma _{L}}{r_{eff}}}$

где γ _L – поверхностная энергия, а r ₀ и r ₁ определены на рисунке.

Давление оказывается на участке

$A\simeq 2\pi R\simeq [r_{eff}(1+\cos \theta )+h]$

где θ — угол между поверхностью наконечника и поверхностью жидкости, а h — разница высот между окружающей жидкостью и верхом миниска.

Сила, стягивающая две поверхности, равна

$F=2\pi R\gamma _{L}\left(1+\cos \theta +{\frac {h}{r_{eff}}}\right)$

По той же формуле можно рассчитать и функцию относительной влажности.

Гао формулы расчета для различной геометрии наконечника. Например, сила уменьшается на 20% для конического наконечника по сравнению со сферическим наконечником.

При расчете этих сил необходимо учитывать разницу между ситуациями «мокрый по сухому» и «мокрый по мокрому».

Для сферического наконечника сила равна:

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}(\cos \theta +\cos \phi )\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)$ для сухого по мокрому,

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}$для мокрого по мокрому,

где θ — угол контакта сухой сферы, а φ — угол погружения, как показано на рисунке.

Для конического наконечника формула выглядит следующим образом:

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {\tan \delta }{\cos \delta }}(\cos \theta +\sin \delta )(hD)\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)$ для сухого по мокрому

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}\left({\frac {1}{\cos \delta }}+\sin \delta \right)(r_{0})\left({\frac {dr_{0}}{dD}}\right)$ для мокрого по мокрому

где δ — угол полуконуса, r ₀ и h — параметры профиля мениска.

Измерение отклонения кантилевера АСМ

Измерение отклонения луча

Обнаружение отклонения луча АСМ

Наиболее распространенным методом измерения отклонения кантилевера является метод отклонения луча. В этом методе лазерный свет твердотельного диода отражается от задней части кантилевера и собирается позиционно-чувствительным детектором (PSD), состоящим из двух близко расположенных фотодиодов , выходной сигнал которого собирается дифференциальным усилителем .Угловое смещение кантилевера приводит к тому, что один фотодиод собирает больше света, чем другой фотодиод, создавая выходной сигнал (разность между сигналами фотодиодов, нормализованную на их сумму), который пропорционален отклонению кантилевера. Чувствительность метода отклонения луча очень высока, а уровень шума порядка 10 фм Гц. ^{− 1 ⁄ 2} могут быть получены регулярно в хорошо спроектированной системе. Хотя этот метод иногда называют методом «оптического рычага», сигнал не усиливается, если путь луча увеличивается. Более длинный путь луча увеличивает движение отраженного пятна на фотодиодах, но также расширяет пятно на ту же величину из-за дифракции , так что одинаковое количество оптической мощности передается от одного фотодиода к другому. «Оптический рычаг» (выходной сигнал детектора, разделенный на отклонение кантилевера) обратно пропорционален числовой апертуре оптики, фокусирующей луч, при условии, что сфокусированное лазерное пятно достаточно мало, чтобы полностью упасть на кантилевер. Она также обратно пропорциональна длине кантилевера.

Относительную популярность метода отклонения луча можно объяснить его высокой чувствительностью и простотой эксплуатации, а также тем фактом, что кантилеверы не требуют электрических контактов или другой специальной обработки и, следовательно, могут быть изготовлены относительно дешево с острыми интегрированными наконечниками.

измерения

Существует множество других методов измерения отклонения луча.

• Пьезоэлектрическое обнаружение – кантилеверы из кварца. (например, конфигурация qPlus ) или другие пьезоэлектрические материалы могут напрямую обнаруживать отклонение в виде электрического сигнала. С помощью этого метода были обнаружены колебания кантилевера до 22:00.
• Лазерная доплеровская виброметрия . Лазерный доплеровский виброметр можно использовать для очень точных измерений отклонения колеблющегося кантилевера. (поэтому используется только в бесконтактном режиме). Этот метод является дорогостоящим и используется лишь относительно небольшим количеством групп.
• Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). В первом атомном микроскопе использовался СТМ с собственным механизмом обратной связи для измерения отклонения. Этот метод очень сложно реализовать, и он медленнее реагирует на изменения отклонения по сравнению с современными методами.
• Оптическая интерферометрия . Оптическая интерферометрия может использоваться для измерения отклонения кантилевера. Из-за отклонений нанометрового масштаба, измеренных с помощью АСМ, интерферометр работает в субдиапазонном режиме, поэтому любой дрейф мощности или длины волны лазера сильно влияет на измерения. По этим причинам измерения с помощью оптического интерферометра необходимо проводить с большой осторожностью (например, с использованием жидкостей, согласующих индексы между соединениями оптического волокна), с использованием очень стабильных лазеров. По этим причинам оптическая интерферометрия используется редко.
• Емкостное обнаружение . Консоли с металлическим покрытием могут образовывать конденсатор с другим контактом, расположенным за кантилевером. Отклонение изменяет расстояние между контактами и может быть измерено как изменение емкости.
• Пьезорезистивное обнаружение . Кантилеверы могут быть изготовлены с пьезорезистивными элементами , которые действуют как тензодатчики . С помощью моста Уитстона можно измерить деформацию кантилевера АСМ из-за отклонения. Это обычно не используется в вакуумных приложениях, поскольку пьезорезистивное обнаружение рассеивает энергию системы, влияя на добротность резонанса.

Пьезоэлектрические сканеры

Сканеры АСМ изготовлены из пьезоэлектрического материала, который расширяется и сжимается пропорционально приложенному напряжению. Удлиняются они или сжимаются, зависит от полярности приложенного напряжения. Традиционно зонд или образец монтируется на «штативе» из трех пьезокристаллов, каждый из которых отвечает за сканирование в направлениях x , y и z . В 1986 году, в том же году, когда был изобретен АСМ, для использования в СТМ был разработан новый пьезоэлектрический сканер — трубчатый сканер. Позже трубчатые сканеры были включены в АСМ. Сканер трубки может перемещать образец в направлениях x , y и z, используя один пьезоэлемент трубки с одним внутренним контактом и четырьмя внешними контактами. Преимуществом трубчатого сканера по сравнению с оригинальной конструкцией штатива является лучшая виброизоляция, обусловленная более высокой резонансной частотой одноэлементной конструкции в сочетании с изоляционным каскадом с низкой резонансной частотой. Недостатком является то, что движение x - y может вызвать нежелательное движение z , приводящее к искажению. Еще одна популярная конструкция АСМ-сканеров — это гибкий столик, в котором для каждой оси используются отдельные пьезоэлементы, которые соединяются с помощью механизма изгиба.

Сканеры характеризуются своей чувствительностью, которая представляет собой отношение движения пьезоэлемента к пьезонапряжению, т. е. насколько пьезоматериал расширяется или сжимается на приложенный вольт. Из-за различий в материале или размере чувствительность варьируется от сканера к сканеру. Чувствительность изменяется нелинейно в зависимости от размера сканирования. Пьезосканеры демонстрируют большую чувствительность в конце сканирования, чем в начале. Это приводит к тому, что прямое и обратное сканирование ведут себя по-разному и отображают гистерезис между двумя направлениями сканирования. Это можно исправить, подав нелинейное напряжение на пьезоэлектроды, чтобы вызвать линейное движение сканера, и соответствующим образом откалибровать сканер. Одним из недостатков этого подхода является то, что он требует повторной калибровки, поскольку точное нелинейное напряжение, необходимое для коррекции нелинейного движения, будет меняться по мере старения пьезоэлемента (см. ниже). Эту проблему можно обойти, добавив к столику образца или пьезоэлементу линейный датчик для обнаружения истинного движения пьезоэлемента. Отклонения от идеального движения могут быть обнаружены датчиком и внесены поправки в сигнал пьезопривода для коррекции нелинейного пьезодвижения. Эта конструкция известна как АСМ с «замкнутым контуром». Пьезо АСМ без датчиков называются АСМ с «разомкнутым контуром».

Чувствительность пьезоэлектрических материалов экспоненциально снижается со временем. Это приводит к тому, что большая часть изменений чувствительности происходит на начальных этапах эксплуатации сканера. Пьезоэлектрические сканеры прорабатываются примерно 48 часов перед отправкой с завода, поэтому они прошли точку, при которой могут возникнуть значительные изменения чувствительности. По мере старения сканера чувствительность со временем будет меняться меньше, и сканер редко будет требовать повторной калибровки. хотя различные руководства производителей рекомендуют проводить калибровку АСМ разомкнутого контура ежемесячно или раз в полгода.

Преимущества и недостатки

Первый атомно-силовой микроскоп

Преимущества

АСМ имеет ряд преимуществ перед сканирующим электронным микроскопом (СЭМ). В отличие от электронного микроскопа, который обеспечивает двумерную проекцию или двумерное изображение образца, АСМ обеспечивает трехмерный профиль поверхности. Кроме того, образцы, просмотренные с помощью АСМ, не требуют какой-либо специальной обработки (например, покрытия металлом/углеродом), которая могла бы необратимо изменить или повредить образец, и обычно не страдают от артефактов зарядки на конечном изображении. Хотя для правильной работы электронного микроскопа требуется дорогостоящая вакуумная среда, большинство режимов АСМ могут прекрасно работать в окружающем воздухе или даже в жидкой среде. Это дает возможность изучать биологические макромолекулы и даже живые организмы. В принципе, АСМ может обеспечить более высокое разрешение, чем СЭМ. Было показано, что он обеспечивает истинное атомное разрешение в сверхвысоком вакууме (СВВ), а в последнее время и в жидких средах. АСМ высокого разрешения сравнима по разрешению со сканирующей туннельной микроскопией . просвечивающая электронная микроскопия . АСМ также можно комбинировать с различными методами оптической микроскопии и спектроскопии, такими как флуоресцентная микроскопия инфракрасной спектроскопии, что дает начало сканирующей ближнепольной оптической микроскопии , нано-FTIR и еще больше расширяет ее применимость. Комбинированные АСМ-оптические инструменты применяются в основном в биологических науках, но в последнее время они вызвали большой интерес к фотоэлектрической энергетике. и исследования в области накопления энергии, полимерные науки, нанотехнологии и даже медицинские исследования.

Недостатки

Недостатком АСМ по сравнению со сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) является размер изображения одного сканирования. За один проход СЭМ может отобразить область порядка квадратных миллиметров с глубиной резкости порядка миллиметров, тогда как АСМ может отобразить только максимальную область сканирования около 150×150 микрометров и максимальную высоту порядка миллиметров. 10–20 микрометров. Одним из методов увеличения размера области сканирования для АСМ является использование параллельных датчиков аналогично способу хранения данных многоножек .

Скорость сканирования АСМ также является ограничением. Традиционно AFM не может сканировать изображения так же быстро, как SEM, и для типичного сканирования требуется несколько минут, тогда как SEM способен сканировать почти в реальном времени, хотя и с относительно низким качеством. Относительно медленная скорость сканирования во время АСМ-изображения часто приводит к тепловому дрейфу изображения. что делает АСМ менее подходящим для измерения точных расстояний между топографическими объектами на изображении. Однако несколько быстродействующих дизайнов были предложены увеличить производительность сканирования микроскопа, включая так называемую видеоАСМ (изображения приемлемого качества получаются с помощью видеоАСМ при скорости видео: быстрее, чем в среднем при СЭМ). Для устранения искажений изображения, вызванных тепловым дрейфом, было предложено несколько методов.

Отображение артефакта АСМ, возникающего из-за наконечника с большим радиусом кривизны относительно объекта, который необходимо визуализировать.

Артефакт АСМ, крутая топография образца

На изображения АСМ также могут влиять нелинейность, гистерезис , а также ползучесть пьезоэлектрического материала и перекрестные помехи между осями x , y , z , которые могут потребовать усовершенствования программного обеспечения и фильтрации. Такая фильтрация могла бы «сгладить» реальные топографические особенности. Однако в новых АСМ используется программное обеспечение для коррекции в реальном времени (например, функционально-ориентированное сканирование). ) или сканеры замкнутого цикла, которые практически исключают эти проблемы. В некоторых АСМ также используются отдельные ортогональные сканеры (в отличие от одной трубки), которые также служат для устранения части проблем перекрестных помех.

Как и при любом другом методе визуализации, существует вероятность появления артефактов изображения , которые могут быть вызваны неподходящим наконечником, плохой операционной средой или даже самим образцом, как показано справа. Эти артефакты изображения неизбежны; однако их возникновение и влияние на результаты можно уменьшить с помощью различных методов.Артефакты, возникающие из-за слишком грубого наконечника, могут быть вызваны, например, неправильным обращением или фактическим столкновением с образцом из-за слишком быстрого сканирования или неоправданно шероховатой поверхности, что приводит к фактическому износу наконечника.

Из-за особенностей датчиков АСМ они обычно не могут измерять крутые стены или выступы. Специально изготовленные кантилеверы и АСМ могут использоваться для модуляции датчика вбок, а также вверх и вниз (как в динамических контактных и бесконтактных режимах) для измерения боковых стенок, но за счет более дорогих кантилеверов, более низкого латерального разрешения и дополнительных артефактов.

Другие приложения в различных областях обучения

АСМ-изображение части аппарата Гольджи, выделенной из HeLa клеток

Последние усилия по интеграции нанотехнологий и биологических исследований оказались успешными и открывают большие перспективы на будущее, в том числе в таких областях, как нанобиомеханика . Поскольку наночастицы являются потенциальным средством доставки лекарств, биологические реакции клеток на эти наночастицы постоянно исследуются с целью оптимизации их эффективности и способов улучшения их конструкции. Пиргиотакис и др. смогли изучить взаимодействие между сконструированными наночастицами CeO ₂ и Fe ₂ O ₃ и клетками, прикрепив сконструированные наночастицы к наконечнику АСМ. В исследованиях АСМ использовалась для получения дополнительной информации о поведении живых клеток в биологических средах. Атомно-силовая спектроскопия (или наноскопия) в реальном времени и динамическая атомно-силовая спектроскопия использовались для изучения живых клеток и мембранных белков, а также их динамического поведения с высоким разрешением в наномасштабе. Визуализация и получение информации о топографии и свойствах клеток также дали представление о химических процессах и механизмах, которые происходят посредством межклеточного взаимодействия и взаимодействия с другими сигнальными молекулами (например, лигандами). Эванс и Колдервуд использовали силовую микроскопию одиночных клеток для изучения сил адгезии клеток , кинетики связей/динамической прочности связи и ее роли в химических процессах, таких как передача сигналов клетками. Шеринг, Леви и Риго рассмотрели исследования, в которых АСМ изучал кристаллическую структуру мембранных белков фотосинтезирующих бактерий. Олстин и др. использовали наноскопию на основе АСМ для анализа в реальном времени взаимодействия между живыми микобактериями и антимикобактериальными препаратами (в частности , изониазидом , этионамидом , этамбутолом и стрептомицином ), что служит примером более глубокого анализа взаимодействия патогена и лекарства, который можно провести с помощью АСМ.

См. также

Научный портал

• Инфракрасная спектроскопия на основе АСМ (AFM-IR)
• Бимодальная атомно-силовая микроскопия
• Электрохимический АСМ
• Картирование силы трения
• Нано-FTIR
• Фотопроводящая атомно-силовая микроскопия
• Сканирующая вольтажная микроскопия
• Аппарат поверхностной силы

Дальнейшее чтение

• Фойгтландер, Берт (2019). Атомно-силовая микроскопия . Нанонаука и технологии. Спрингер. Бибкод : 2019afm..book.....V . дои : 10.1007/978-3-030-13654-3 . ISBN  978-3-030-13653-6 . S2CID   199490753 .
• Карпик, Роберт В.; Салмерон, Микель (1997). «Поцарапав поверхность: фундаментальные исследования трибологии с помощью атомно-силовой микроскопии». Химические обзоры . 97 (4): 1163–1194. дои : 10.1021/cr960068q . ISSN   0009-2665 . ПМИД   11851446 .
• Гиссибль, Франц Дж. (2003). «Достижения атомно-силовой микроскопии». Обзоры современной физики . 75 (3): 949–983. arXiv : cond-mat/0305119 . Бибкод : 2003РвМП...75..949Г . дои : 10.1103/RevModPhys.75.949 . ISSN   0034-6861 . S2CID   18924292 .
• Гарсия, Рикардо; Нолл, Армин; Риедо, Элиза (2014). «Усовершенствованная сканирующая зондовая литография». Природные нанотехнологии . 9 (8): 577–87. arXiv : 1505.01260 . Бибкод : 2014НатНа...9..577Г . дои : 10.1038/NNANO.2014.157 . ПМИД   25091447 . S2CID   205450948 .
• Гарсиа, Рикардо; Перес, Рубен (2002). «Методы динамической атомно-силовой микроскопии». Отчеты о поверхностной науке . 47 (6–8): 197–301. Бибкод : 2002СурСР..47..197Г . дои : 10.1016/S0167-5729(02)00077-8 .

Внешние ссылки

• Внутренняя работа АСМ — анимированное объяснение WeCanFigureThisOut.org