Mikroskopia Sił Atomowych AFM

Mikroskopia ze skanującą sondą SPM to wspólna nazwa rodziny technik mikroskopowych, których cechą charakterystyczną jest to, że do skanowania powierzchni próbki wykorzystywana jest sonda skanująca. Dwa podstawowe rodzaje SPM to skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i mikroskopia sił atomowych (AFM). Technika SPM zapewnia możliwość uzyskiwania informacji o topologii (ale także właściwościach mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych) w skali od mikrometrów do  ułamków nanometrów.
    Zasada działania Skaningowego Mikroskopu Tunelowego bazuje na efekcie tunelowym, a więc przepływie prądu tunelowego kiedy sonda zbliży się odpowiednio blisko powierzchni próbki. Gdy sonda przemieszcza się po powierzchni próbki zmienia się jej topografia a więc również i prąd tunelowy. Pętla sprzężenia zapewniając stały prąd tunelowy utrzymuje stałą odległość między sondą a próbką. STM może być stosowany wyłącznie do próbek przewodzących.
    Techniką znacznie bardziej odpowiednią do badań dielektryków jest mikroskopia sił atomowych, która do obrazowania powierzchni z rozdzielczością sięgającą rzędu kilku nanometrów wykorzystuje sondę w postaci ostrza umieszczonego na płaskiej dźwigience. Technika AFM bazuje na wykorzystywaniu oddziaływań międzyatomowych. Trzy podstawowe tryby pracy AFM to:

• tryb kontaktowy

• tryb bezkontaktowy

• tryb z przerywanym kontaktem

Oprócz informacji na temat topologii technika ta może być również rozszerzona, tak aby umożliwić uzyskanie wielu ciekawych informacji o wł. powierzchni badanych materiałów biologicznych i nie-biologicznych (ciał stałych, ale również cieczy), są to m.in.

• wł. magnetyczne, wtedy tzw. mikroskopia sił magnetycznych (ang. Magnetic Force Microscopy)

• charakterystyka wł. mechanicznych takich jak tarcie, adhezja, chropowatość, sprężystość. Służą do tego np. mikroskopia z modulacją siły (ang. Force Modulation Microscopy), mikroskopia z detekcją fazy (ang. Phase Detection Microscopy), boczna mikroskopia siłowa (ang. Lateral Force Microscopy)

• wł. elektrostatycznych, tzw. Mikroskopia Sił Elektrostatycznych (ang. Electrostatic Force Microscopy)

• zmiany przestrzenne w pojemności elektrycznej badanych układów, tzw. Mikroskopia Pojemnościowa (ang. Scanning Capacitance Microscopy)

• wł. elektryczne nanostruktur, tzw. Mikroskopia Sił Atomowych z Przewodzącą Sondą (ang. Conductive AFM)

(a)	(b)

Rys.1. Schemat przedstawiający zasadę badania powierzchni próbki w trybie (a) kontaktowym i (b) z przerywanym kontaktem.

(a)	(b)

Rys.2. Schemat przedstawiający zasadę badania (a) wł. magnetycznych powierzchni próbki w trybie „Lift Mode” i  (b) mechanicznych (Quantitive Nanomechanical Mapping (QNM))

Aparatura

1) Mikroskop Sił Atomowych Icon Bruker o następujących parametrach: zakres skanowania XY do 90 µm², Z – 11.6 µm, unikatowy optoelektroniczny system Closed-Loop stabilizujący pracę skanera przy utrzymaniu niskiego poziomu szumów, regulacji temperatury od  -10 ºC do +250 ºC, rozdzielczość atomowa. Dedykowany do pomiaru materiałów o dużej powierzchni.
Dostępne tryby pracy - ScanAsyst (w cieczy i powietrzy), Tapping Mode (w cieczy i powietrzu), Contact Mode (w cieczy i powietrzu), Lateral Force Microscopy, PhaseImaging, Lift Mode, MFM, Force Spectroscopy, PeakForce Tuna, Force Volume, EFM, Surface Potential, Piezoresponse Microscopy, Force Spectroscopy, PeakForce QNM.

2) Mikroskop sił atomowych Innova Bruker o następujących parametrach: zakres skanowania XY do 90 µm², Z=7.5 µm, i 5 µm² Z=1.5 µm, unikatowy optoelektroniczny system Closed-Loop stabilizujący pracę skanera przy utrzymaniu niskiego poziomu szumów, rozdzielczość atomowa.  
Dostępne tryby pracy: Contact Mode (w powietrzu), Tapping Mode (w powietrzu), PhaseImaging, Lift Mode, Magnetic Force Microscopy (MFM), Electrostatic Force Microscopy (EFM), Dark Lift, Lateral Force, Microscopy, Nano-Indentation, Scanning Tunneling Microscopy STM, Low Current STM, Conductive AFM, STM with EC, Contact and Tapping Modes with EC, Surface Potential, Piezoresponse, Scanning Capacitance, Force Modulation.

Fig. 3. Mikroskop Sił Atomowych Icon Bruker

         

Fig. 4. Mikroskop Sił Atomowych Innova Bruker

Przykłady

Fig. 5. Topografia wysp niklowych na podłożu krzemowym

 

(a)	(b)

Fig. 5. Topografia (a) i zredukowany moduł Younga (b) struktury lamelarnej PEO

 

Fig. 6. Topografia i sił tarcia (lateralnych) dla cienkiej warstwy miki