Laboratorium: „Nanomateriały metaliczne”
Prowadzący: dr inż. Otmar Dobrowolski
Ćwiczenie pt.:
„Zastosowanie techniki mikroskopii sił atomowych do badania nanomateriałów metalicznych”
Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z zasadą działania mikroskopu sił atomowych oraz możliwościami pomiarowymi.
Mikroskop sił atomowych (ang. atomic force microscope, AFM) - rodzaj mikroskopu ze skanującą sondą (ang. scanning probe microscope, SPM). Umożliwia, w zależności od warunków prowadzenia pomiaru, uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą nawet rzędu wymiarów pojedynczego atomu, dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przesuwania końcówki pomiarowej po powierzchni badanej próbki. Mikroskop ten skonstruowali po raz pierwszy Gerd Binnig, Calvin F. Quate i Christoph Gerber w 1986 roku. Twórcy pierwszego mikroskopu sił atomowych do obrazowania powierzchni wykorzystali siły oddziaływania międzyatomowego. Umożliwił to obrazowanie powierzchni izolatorów, co było wcześniej niemożliwe przy zastosowaniu innych technik, np. skaningowej mikroskopii tunelowej - STM.
Występowanie sił magnetycznych, elektrostatycznych i oddziaływań międzyatomowych pomiędzy atomami końcówki pomiarowej i badanej powierzchni umożliwia wykorzystanie detekcji ruchów końcówki pomiarowej przesuwającej się po powierzchni próbki do obrazowania tej powierzchni. Końcówka pomiarowa będąca monokryształem, np.: Si3N4, SiO2, Ag czy diamentu, osadzona jest na sprężystej mikrobelce, której odchylenie umożliwia wyznaczenie siły oddziaływania międzyatomowego pomiędzy atomami końcówki pomiarowej i badanej powierzchni. Rejestrowany sygnał jest przetwarzany komputerowo na obraz. Pomiar ugięcia dźwigni jest najczęściej dokonywany metodami optycznymi. Przeważnie stosuje się pomiar zmian położenia wiązki lasera odbitej od końcówki mikrob elki pomiarowej. Detektorem jest w tym przypadku dioda czteropolowa.
Za pomocą mikroskopu sił atomowych można też dokonać pomiarów sił tarcia w skali atomowej i je zobrazować - mierzymy wówczas boczne skręcenie dźwigni, a nie ugięcie w kierunku prostopadłym do badanej powierzchni. Mówimy wtedy o mikroskopie sił tarcia (ang. friction force microscope, FFM).
Interpretacja obrazów wymaga szczegółowej analizy oddziaływań końcówka pomiarowa -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.
Elementy układu pomiarowego
Głównym elementem mikroskopu sił atomowych jest skaner, rysunek 1. Skaner jest zbudowany z krzemowej rurki, do której przytwierdzone są elementy piezoelektryczne , tj. zdolne do odkształceń pod wpływem zmian pola elektrycznego. Przykładając odpowiednie pole elektryczne do elementów piezoelektrycznych można spowodować ugięcie rurki skanera czemu towarzyszy zmiana jego długości w kartezjańskim układzie współrzędnych. Zdolność do poziomego ugięcia skanera jest określana jako zakres XY, natomiast ugięcie wzdłuż osi pniowej skanera jako zakres Z. Zakres XY determinuje wielkość powierzchni możliwej do zbadania za pomocą danego typu urządzenia. Natomiast zakres Z określa maksymalną chropowatość próbki jaką możemy badać.
Rysunek 1. Schemat budowy skanera do AFM.
Działanie mikroskopu sił atomowych przedstawione jest schematycznie na rysunku 2. Aby dokonać pomiarów topografii powierzchni próbki do belki (cantilever) przymocowany jest od jej spodniej strony element zwany penetratorem (tip). W trakcie pracy promień lasera skierowany na płaską stronę belki odbija się padając następnie na fotodetektor (dioda dwu- lub cztero-polowa). Sygnał z fotodetektora stanowi informację o ugięciu belki pomiarowej. Analizując różnicę pomiędzy założonym (wynikającym z założonej siły docisku ostrza) a zmierzonym ugięciem belki uzyskujemy sygnał błędu (odchylenie ugięcia belki od założonego poziomu). Sygnał błędu kierowany jest do układu sterowania (PID). Układ sterowania służy do zapewnienia takiej długości skanera aby zminimalizować sygnał błędu. Jednocześnie monitorowana długość skanera jest miarą topografii powierzchni.
Rysunek 2. Schemat działania mikroskopu sił atomowych.
W mikroskopie sił atomowych do zobrazowania powierzchni próbki można wykorzystać siły krótko- lub długozasięgowe. Ze względu na rodzaj tych sił wyróżniamy następujące tryby pomiarowe:
Pomiar topografii powierzchni
Ponieważ w praktyce nie jest możliwe wytworzenie penetratora o nieskończenie małej grubości i nieskończenie dużej wytrzymałości, istniejące penetratory mają stożkowy lub piramidalny kształt o zdefiniowanym kącie rozwarcia i promieniu wyokrąglenia wierzchołka. Skutkiem tego jest ograniczona możliwość odwzorowania topografii powierzchni badanego materiału, rysunek 3. Ze względu na ręczne sterowanie układem sprzężenia zwrotnego (PID) nie ma możliwości uzyskiwania obrazu, który w pełni odzwierciedlał by topografię powierzchni. Wynika to z bezwładności tego elementu układu, która jest na tyle duża iż uniemożliwia korygowania długości skanera w czasie rzeczywistym, rysunek 3B. W skrajnym przypadku, gdy zostaną źle dobrane parametry układu sprzężenia zwrotnego, uzyskany obraz może znacznie odbiegać od rzeczywistej topografii badanej powierzchni próbki, rysunek 3C.
Rysunek 3. Odwzorowanie topografii powierzchni w metodzie AFM.
Poza pomiarem topografii powierzchni materiału istnieje również możliwość obrazowania właściwości materii:
obrazowanie w sile tarcia - LFM - tryb kontaktowy
obrazowanie w kontraście fazowym - phase imaging - tryb oscylacyjny
Obrazowanie w sile tarcia (LFM) jest możliwe gdy penetrator jest w kontakcie z próbką (tryb kontaktowy - contact mode) i fotodetektor jest czteropolowy, rysunek 4. Zależnie od siły tarcia pomiędzy penetratorem, a próbką belka pomiarowa ulegać będzie przestrzennemu skręcaniu, które jest poddawane analizie wymiarowej. Wiązka lasera odbita od belki trafiać będzie tym bardziej na prawą stronę diody czteropolowej im większa wartość siły tarcia. Mierząc różnice w intensywności sygnałów po lewej i prawej stronie fotodetektora uzyskujemy tzw. obraz w sile tarcia. Obraz taki pozwala stwierdzić różnice występujące pomiędzy materiałami nawet gdy nie widać różnic w topografii powierzchni.
Rysunek 4. Obrazowanie w sile tarcia - LFM
W trybie kontaktowym (contact mode), końcówka pomiarowa odgrywa rolę profilometru badającego topografię powierzchni. Nacisk ostrza na powierzchnię wynosi od 10-7N do 10-11 N, co powoduje, że obszar kontaktu pomiędzy ostrzem a powierzchnią próbki jest ekstremalnie mały. W tym trybie wykorzystujemy krótkozasięgowe siły oddziaływania międzyatomowego. Pomiędzy atomami na czubku ostrza a atomami próbki zachodzą bezpośrednie interakcje ich sfer elektronowych, a działające na ostrze siły odpychające powodują ugięcie mikrobelki.
Obrazowanie w kontraście fazowym wymaga „bezkontaktowego” trybu pracy (tzw. opcja lekkiego dotykania - oscillating mode - tapping mode). Tryb ten polega na wprowadzeniu belki pomiarowej w rezonans. Penetrator w tym trybie pracy nie przesuwa się po powierzchni próbki lecz delikatnie w nią uderza. Pomiar kontrastu fazowego polega na wyznaczeniu przesunięcia fazowego pomiędzy drganiami wymuszającymi rezonans, a obserwowanymi drganiami belki. Ideę pracy w tym trybie obrazuje rysunek 5. W przypadku materiału „twardego” następuje prawie natychmiastowe, sprężyste odbicie penetratora od próbki. Natomiast w przypadku próbki „miękkiej” następuje deformacja materiału czego skutkiem jest opóźnienie fazowe. Obrazowanie w kontraście fazowym pozwala na rozróżnienie materiałów różnej charakterystyce lepkosprężystej.
Rysunek 5. Obrazowanie w kontraście fazowym - phase imaging.
W trybie oscylacyjnym (oscillating mode) często błędnie nazywany bezkontaktowym, odsuwając ostrze na odległość 10-100 nm, wykorzystujemy do obrazowania siły długozasięgowe, takie jak: siły magnetyczne, elektrostatyczne czy przyciągające siły van der Waalsa. W tej metodzie obrazowania nie mierzymy statycznego ugięcia dźwigni, ale wprawiamy dźwignię w drgania o częstości zbliżonej do jej częstości rezonansowej za pomocą piezoelementu. Reakcją na siłę działającą na dźwignie jest zmiana amplitudy i częstości drgań, co jest informacją pozwalającą uzyskać obraz.
Belki pomiarowe mogą być wytwarzane wraz z końcówka pomiarową, lub może być ona do nich przyklejana. Typowe dźwignie mają długość od 100 do 500 μm, stałe sprężystości 0,01 - 1 N/m i częstości rezonansowe w zakresie 3 - 500 kHz.
Za pomocą mikroskopu sił atomowych można uzyskać mikroskopowe mapy opisujące zarówno ukształtowanie powierzchni, jak i jej właściwości fizyczne, takie jak: tarcie, adhezja, rozkład ładunku elektrostatycznego, przewodność elektryczna, struktura domen magnetycznych czy przewodność termiczna. AFM umożliwia także obrazowanie ścian domenowych w ferroelektrykach. Przeprowadzenie pomiaru zwykle nie wymaga skomplikowanych procedur przygotowania badanej próbki (w porównaniu z innymi metodami mikroskopowymi) i może być dokonane zarówno w powietrzu, jak i w cieczy czy w próżni. Dzięki temu np. w biologii staje się możliwe obrazowanie i badanie właściwości żywych komórek w ich naturalnym ciekłym środowisku, co jest utrudnione w przypadku szeroko dotychczas stosowanej mikroskopii elektronowej.
Metodą AFM bada się albo tzw. powierzchnie swobodne próbek (czyli powierzchnie takie jak naturalnie występują) albo powierzchnie otrzymane w wyniku bardzo precyzyjnego cięcia próbki. Często bada się też pojedyncze warstwy atomów nanoszone na specjalnych matrycach.
Mikroskopia sił atomowych znalazła również zastosowanie w kontroli jakości w przemyśle materiałów optycznych, półprzewodnikowych oraz magnetycznych nośników pamięci. Mikroskop sił atomowych umożliwia badanie gładkości powierzchni stempli do wyrobów płyt kompaktowych.
AFM stosuje się w chemii i fizyce do badania m.in. struktury krystalicznej próbek, ponadto do obserwacji formowania warstw surfaktantów czy cząstek koloidalnych lub np. do bezpośredniej obserwacji, w jaki sposób "układają" się cząsteczki polimeru w stopie. Metoda ta jest też często wykorzystywana w metalurgii, geologii i biofizyce.
Uwaga: przed zajęciami odbędzie się kolokwium !
Przebieg ćwiczenia
Zapoznanie się z zasadą działania i obsługą mikroskopu sił atomowych (AFM).
Wykonanie pomiarów topografii próbki wzorcowej - warstwy tlenkowej na podłożu metalicznym.
Sprawozdanie
Raport z odbytych zajęć powinien zawierać:
Opis możliwości badawczych techniki AFM
Opis ograniczeń techniki AFM
Opis wykonanych pomiarów i ich analizę
Wnioski
Literatura zalecana
M. Żenkiewicz, Adhezja i modyfikacja warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych, rozdział 6, WNT 2000 Warszawa.
M. Żenkiewicz, Polimery, 44, 571 (1999).
1
Wyszukiwarka