AFM
Mikroskopia sił atomowych
Siły van der Waalsa
F(r)
1 1
V (r) = c1 - c2
r12 r6
Siły van der Waalsa
Mod kontaktowy
Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka  ostrze od
odległości ostrza od próbki:
" tryb kontaktowy (contact mode)
" tryb bezkontaktowy (non-contact mode)
" tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode)
Budowa oraz zasada działania
mikroskopu AFM
Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dz
wigni o
dÅ‚ugoÅ›ci 100-200µm. Detektor mierzy ugiÄ™cie dz
wigni podczas,
skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.
Metody pomiaru odchylenia
dz
wigni
Detekcja AFM / L(lateral)FM
Pomiar skręcenia dz
wigni  czteropozycyjny PSPD (fotodetektor pozycyjny)
Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM
AFM / LFM
Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dz
wigni
spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił
tarcia powierzchniowego).
Obrazy LFM
Obrazy topografii i sił lateralnych uzyskane równocześnie dla tego samego obszaru
próbki (2.45 x 2.45 µ). Próbka jest monowarstwÄ… Langmuir a  Blodgett (LB)
osadzoną na powierzchni krzemu. Warstwa zawiera  wyspy dwóch składników.
Różnica w wysokości między dwoma składnikami wynosi ok. 1nm. Obszary
odpowiadające różnym fazom mają różne tarcie, co jest widoczne na obrazie LFM.
Tryb kontaktowy:
" Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar
odpychających sił van der Waalsa).
" Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia)
swobodnego końca dz
wigni z ostrzem podczas skanowania próbki.
F = -c"z [N]
c  stała sprężystości dz
wigni
"z  wychylenie dz
wigni
Tryb kontaktowy (siły)
" całkowita siła, jaką ostrze działa na próbkę:
F = Fc + Fadh - FVDW
Fc  siła wywierana na próbkę przez dz
wigniÄ™
Fadh  siła adhezji (kapilarna, elektrostatyczna)
FVDW  siła van der Waalsa
Krzywe siła - odległość
Tryb kontaktowy (ostrza)
" ostrze o małej stałej sprężystości (c<1N/m) pozwala
zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką
podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si3N4)
" długość dz
wigni ~100-200µm;
" proces prefabrykacji ostrza
Tryb bezkontaktowy
" odległość ostrza od próbki ~10  100 nm
(obszar przyciągających sił van der Waalsa);
słabsze siły => detekcja AC
" dz
wignia oscyluje z częstotliwością
rezonansową (lub blisko niej); możemy
traktować ją jako oscylator harmoniczny z
częstotliwością rezonansową f
ceff
1
f = [Hz]
2Ä„ m
m  efektywna masa dz
wigni i ostrza
ceff  efektywna stała sprężystości
"F
ceff = c - [N/m]
"z
Tryb bezkontaktowy (detekcja)
" zmiana stałej sprężystości dz
wigni w obecności gradientu siły
powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej dz
wigni
"F / "z
f = f0 1- [Hz]
c
Metody detekcji zmiany częstotliwości rezonansowej
Detekcja amplitudy
" dz
wignia oscyluje z ustaloną częstotliwością fex > f0
" gdy dF/dz = 0 amplituda oscylacji jest trochę niższa od amplitudy dla f0
" zmiana częstotliwości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy drgań
dz
wigni
Detekcja częstotliwości
" dz
wignia oscyluje z rezonansową częstotliwością f;
" zmiana częstotliwości jest mierzona bezpośrednio;
Tryb z przerywanym kontaktem
(Tapping Mode)
" oscylujÄ…ca dz
wignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej
(f ~ 50  500 kHz)
" duża amplituda oscylacji (>20 nm) kiedy ostrze nie jest w kontakcie z próbką
" oscylujące ostrze jest zbliżane do próbki i zaczyna uderzać w próbkę (tapping)
Tapping Mode (ostrza)
Cechy dz
wigni i ostrza pracujÄ…cego w trybie Tapping Mode:
" krótka, sztywna dz
wignia z krzemu ze zintegrowanym ostrzem
" duża stała sprężystości dz
wigni (c = 20  80 N/m.)
" wysoka częstotliwość rezonansowa (f = 200  400 kHz)
Tryby pracy AFM
(porównanie)
Tryb kontaktowy:
" duża rozdzielczość obrazów
" duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni
" możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza
Tryb bezkontaktowy:
" mniejsza rozdzielczość obrazów
Tryb z przerywanym kontaktem:
" możliwość skanowania  miękkich powierzchni (brak zniszczeń skanowanej
powierzchni)
" dobra zdolność rozdzielcza
Tryby pracy (porównanie)
Tapping Mode
Kontakt
Warstwa epitaksjalna Si (100).
Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość
między poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.
Pierwotniak Tetrahymena. Obraz otrzymany w trybie Tapping
Mode. Rozmiary obrazu  50 x 50 µm.
Obraz warstwy bakterii Deinococcus radiodurans (HPI). Tryb
Tapping Mode. Rozmiar  220 x 220 nm.
MFM
Mikroskopia sił
magnetycznych
Zasada MFM
r r r
F = µ0 ( )
dVtip
próbka
+"" Mtip Å" H
Tip pokryty warstwÄ… magnetycznÄ…
Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych
wywołanych niejednorodnościami
namagnesowania
Separacja topografii i obrazu MFM
magnetyzm
topografia
Zwiększenie odległości
y
ródło rozproszonego
pola magnetycznego
Topografia (w kontakcie)
Magnetyzm
Struktura
topografia
magnetyczna
Obrazy magnetycznych nośników danych.
Dysk twardy Dysk  zip