(21)Mikroskop sił atomowych AFM. (a) Zasada działania.(b) Zdolność rozdzielcza. (c)Tryby pracy AFM. (d)Wady i zalety obrazowania AFM.

(a) Zasada działania.

Mikroskop sił atomowych (AFM) bada powierzchnię próbki zaostrzoną sondą – o długości rzędu kilku milimetrów, średnica mniejsza od 10nm. Sonda umieszczona jest na końcu dźwigienki - 100-200um.

Siła występująca pomiędzy powierzchnią próbki a igłą sondy powoduje ugięcie dźwigienki, podczas przemieszczania się sondy nad powierzchnią próbki, lub sama próbka przemieszcza się pod sondą. Siła jest miarą odległości pomiędzy nimi. Czułość odczytu ugięcia dźwigni sięga dziesiątych części angstrema. Mikrosondy stosowane w AFM produkuje się zazwyczaj z krzemu i azotku krzemu.

Pomiar ugięcia dźwigni mierzony jest metodami optycznymi. Pomiar ugięcia dźwigienki pozwala utworzenie przez komputer topograficznej mapy powierzchni próbki. Metoda zapewnia pomiar dużej rozdzielczości, względem trzech osi x, y, z.

Jest to 20 letnia technika pomiarowa.

Za pomocą mikroskopu sił atomowych można też dokonać pomiarów sił tarcia w skali atomowej i je zobrazować – mierzymy wówczas skręcenie dźwigni, a nie ugięcie w kierunku prostopadłym do badanej powierzchni. Mówimy wtedy o mikroskopie sił tarcia (ang. friction force microscope, FFM).

Rodzaj badanych materiałów:

• Izolatory.

• Półprzewodniki.

• Przewodniki.

Kiedy atomy zaczynają się zbliżać delikatnie się przyciągają, siły przyciągania wzrastają do momentu, w którym chmury elektronowe są tak blisko siebie, że dochodzi do elektrostatycznego odpychania. Wraz ze zmniejszaniem się odległości dochodzi do osłabienia międzyatomowych sił przyciągania.

W odległości mniej więcej równej długości wiązań chemicznych dochodzi do wyrównania tych sił. W momencie, gdy siły odpychające są dodatnie dochodzi do zetknięcia atomów próbki oraz ostrza.

Badane są w tej metodzie siły przyciągania (dalekiego zasięgu) i odpychania ( krótkiego zasięgu) między ostrzem a próbką.

Do sił dalekiego zasięgu zaliczamy siły:

• Van der Waalsa

• elektrostatyczne

• magnetyczne

• kapilarne

Siły odpychania krótkiego zasięgu.

- 43 -

(b) Zdolność rozdzielcza.

Wiązka lasera odbija się od grzbietu dźwigienki i pada na czuły na zmianę pozycji fotodetektor PSPD (Postion-Sensitive Photodetector). Podczas ugięcia dźwigienki pozycja wiązki laserowej na detektorze ulega przesunięciu. Sam PSPD potrafi samodzielnie zmierzyć przemieszczenie światła laserowego o około 1nm!

Dochodzi jednak do ‘wzmocnienia geometrycznego’ – stosunek odległości między dźwigienką a PSPD odniesiony do całkowitej długości dźwigienki daje to wzmocnienie -> wykrywanie pionowych ruchów dźwigienki w zakresie poniżej 0,1nm!

(c) Tryby pracy:

Tryb kontaktowy (CR – contact regime) – w tym trybie dokonujemy badań w zakresie sił odpychania. Powoduje pionowe ruchy ostrza. Bardzo dobre dla próbek twardych.

Całkowita siła jaką sonda wywiera na próbkę jest suma sił kapilarnych i sił wywieranych przez dźwigienkę.

W trybie kontaktowym suma tych sił równoważy siły oddziaływań van der Waals’a. Wartość tej siły zmienia się w zakresie 10e-8 (odrywanie sondy – efekt kapilarny) do 10e-7, 10e-6.

Odległość mniejsza niż kilka dziesiątych nanometra od powierzchni próbki.

Kiedy ugięcie zostaje zarejestrowane tworzony jest topograficzny zbiór danych, może on zostać stworzony poprzez pracę w dwóch trybach:

• Stałej siły (constant force mode - CFM)
  Odpowiedni układ sprzężenia zwrotnego przemieszcza głowicę skanera w górę i w dół, w ten sposób wychylenie lub ugięcie dźwigienki pozostaje stałe – co wiąże się ze stałą siłą wywieraną na próbkę.
  Szybkość jest uzależniona od czasu reakcji układu sprzężenia zwrotnego.

• Stałej wysokości (constant height mode – CHM).
  W tym trybie szybkość pracy jest większa – stosowany do rejestracji powierzchni próbki zmieniającej się w czasie rzeczywistym.

Tryb bezkontaktowy (NCR – non-contact regime) – tryb odpowiedni dla sił przyciągania. Odległość ostrza od kilku do 100 nm.

Dźwigienka drga (wibruje) blisko powierzchni próbki. Wielkość tego odstępu wynika z przebiegu krzywej sił van der waals’a.

Drgania są o amplitudzie od kilku do kilkudziesięciu nm, częstotliwości 100-400kHz (bliskie częstotliwości rezonansowej dźwigienki). Sonda badawcza bada zmiany w amplitudzie lub w częstotliwości dźwigienki.

W trybie bezkontaktowym zmiany częstotliwości rezonansowej dźwigienki są wykorzystywane do pomiaru gradientu sił, które odpowiadają zmianom odległości sonda-próbka.

W trybie bezkontaktowym \siła jest nieco mniejsza – rzędu 10e-12. Dlatego można badać delikatne i elastyczne materiały. Wymagany jest dlatego czuły system detekcji zmiennoprądowej

W trybie tym jednak układ sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą amplitudę lub stałą częstotliwość – przemieszczanie skanera w górę lub w dół.

- 44 -

Tryb kontaktu przerywanego (Tapping regime) – polega na wprowadzenie dźwigni w drgania, zależące od odległości pomiędzy dźwignią a próbką.

Sonda przemierzając powierzchnię próbki prawie ją dotyka. Bardzo podobnie do poprzedniego przypadku, amplituda drgań dźwigienki zmienia się w odpowiedzi na zmiany odległości sonda-próbka. Obraz topograficzny badanej powierzchni jest otrzymywane przez monitorowanie tych zmian.

Stosowany do dużych powierzchni o bardzo zróżnicowanej topografii.

(d) Wady i zalety obrazowania AFM.

- Wady:

• Długie czasy skanowania

• Trudna powtarzalność pomiarów wynikająca z trudności technologicznych w wytworzeniu bardzo podobnych ostrzy

• Kruchość ostrza

• Efekt kapilarny – badamy powierzchnię próbki z kropelką wody w trybie bezkontaktowym.

• To cholerstwo jest po prostu drogie…

- Zalety:

• W przeciwieństwie do mikroskopu elektronowego próbka nie podlega kontrastowaniu, mrożeniu – znajduje się w naturalnym środowisku

• Obrazowanie nie zależy od długości fali

• Można stosować do materiałów miękkich, twardych, biologicznych w naturalnym środowisku, dielektryków, przewodników, półprzewodników

• Możliwość pomiaru nie tylko topografii, ale i:

  • tarcie, 

  • adhezja,

  • rozkład ładunku elektrostatycznego,

  • przewodność elektryczna,

  • struktura domen magnetycznych

  • przewodność termiczna.

- 45 -

W środowisku atmosferycznym mamy wilgoć, dlatego występuje cienka warstewka wody – dochodzi do efektu kapilarnego. Silne oddziaływanie przyciągające rzędu 10e-8 [N]. Zależy ona od odległości pomiędzy próbką a ostrzem sądy. Przyjmuje się, że warstwa cieczy jest w przybliżeniu jednorodna.

Dopóki pracujemy w trybie kontaktowym siły kapilarne są stałe.

Siły wywierane przez dźwigienkę są podobne do siły ściśniętej sprężyny.

(5) Rodzaje podłoża:

W metodzie AFM mamy trzy podstawowe rodzaje podłoża:

• mika – ujemnie naładowana, najbardziej neutralna, idealna do biocząsteczek

• grafit – obojętny

• podłoże metaliczne np. złoto

Interpretacja obrazów wymaga szczegółowej analizy oddziaływań ostrze-próbka. Na ten temat powstało wiele prac teoretycznych. W idealnej sytuacji zakładamy, że obserwowany obraz jest wynikiem oddziaływania najbardziej wysuniętych atomów ostrza i próbki. Obrazy mogą różnić się między sobą, jeśli używamy różnych ostrzy.

(8) Zastosowanie

Pytania:

1. Czy są inne techniki wykrywania ruchów dźwigienki, oprócz wspomnianej?

Inna technika polega na wykorzystaniu interferencji optycznej. Czasami stosuje się nawet inny mikroskop skaningowy tunelowy do wykrywania ruchu samej dźwigienki.

Cwaną metodą jest wykonanie dźwigni z materiału piezorezystywnego – można badać jej przemieszczenia za pomocą impulsów elektrycznych. W materiale piezorezystywnym naprężenie wywołane przez mechaniczną deformację powoduje zmianę oporności materiału. W tym przypadku wiązka laserowa i PSPD nie są potrzebne.

2. Jak bardzo różnią się czułości metod bezkontaktowych i kontaktowych.

Czułość układu detekcji w trybie bezkontaktowym i w trybie kontaktowym ma podobną rozdzielczość pionową obrazu.

3. Na czym polegają oddziaływania van der Waals’a?

Na oddziaływaniu dwóch dipoli: jednego trwałego, drugiego indukowanego. Jest ono słabsze od oddziaływania dwóch dipoli trwałych. W cząsteczkach bez trwałego momentu dipolowego powstają stochastyczne fluktuacje chmur elektronowych, co powoduje powstawanie chwilowych momentów dipolowych. Cząsteczka mająca chwilowy moment dipolowy może go wzbudzić w sąsiadującej cząsteczce. Więc obie cząstki mogą się przez pewną chwilę przyciągać lub odpychać.

Uśrednienie tych siły daje w wyniku oddziaływanie przyciągające proporcjonalne 1/r^6.

4. Czy jest możliwa jednoczesna detekcja tarcia oraz struktury próbki?

W takim przypadku stosujemy czteropozycyjny PSPD (fotodetektor). Mierzymy skręcenie dźwigienki, jak i siłę, z jaką oddziaływuje z próbką.