Mikroskop sił atomowych
Z Wikipedii
Mikroskop sił atomowych (AFM od ang. Atomic Force Microscope) - rodzaj mikroskopu SPM (ang. Scanning Probe Microscope) - umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu, dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad lub pod powierzchnią próbki. Mikroskop ten skonstruowali po raz pierwszy G. Binnig, C.F Quate i Ch. Gerber w 1986 roku.[1]
Spis treści |
[edytuj] Zasada działania
Postęp w badaniach naukowych jaki przyniosło skonstruowanie skaningowego mikroskopu tunelowego (STM od ang. Scanning tunneling microscope) stał się inspiracją do dalszych poszukiwań. Twórcy pierwszego AFM-u wpadli na pomysł, że do obrazowania powierzchni mogłyby służyć siły oddziaływania międzyatomowego, co umożliwiłoby obserwowanie powierzchni izolatorów dotąd niedostępnych dla mikroskopów STM.
Możliwość użycia precyzyjnego pomiaru za pomocą zwykłej detekcji ruchów w pionie ostrza sunącego po powierzchni próbki do obrazowania powierzchni, wynika z faktu występowania sił magnetycznych, elektrostatycznych i oddziaływań międzyatomowych pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni. Ostrze to jest przymocowane do sprężyny (dźwigni), której odchylenie umożliwia wyznaczenie siły oddziaływania międzyatomowego pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni. Mapa sił dla każdego punktu powierzchni próbki jest przetwarzana komputerowo na obraz. Pomiar ugięcia dźwigni jest dokonywany metodami optycznymi. Czułość odczytu ugięcia dźwigni sięga dziesiątych części angstrema. Jeśli chce się do obrazowania wykorzystać siły magnetyczne, to ostrze pokrywa się materiałem magnetycznym. Czubek ostrza składa się od kilkuset do nawet jednego atomu. Ostrza te produkuje się zazwyczaj z krzemu i azotku krzemu.[2]
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 (FFM od ang. Friction force mikroscope).
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.
W mikroskopie sił atomowych do zobrazowania powierzchni próbki można wykorzystać siły krótko lub długozasięgowe, co prowadzi do poniższych metod obrazowania:
- kontaktowy sposób obrazowania - ostrze AFM odgrywa rolę profilometru badającego topografię rozkładu atomów na 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, które to właśnie powodują pionowe ruchy ostrza.
- bezkontaktowy sposób obrazowania - 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 częstości rezonansowej za pomocą piezoelementu. Reakcją na siłę działającą na dźwignie jest zmiana amplitudy i częstości drgań co jest informacją pozwalającą uzyskać obraz.[3].
Dźwignie mogą być wytwarzane wraz z ostrzem lub ostrza są do niej przyklejane. Typowe dźwignie mają długość od 100 do 500 μm, stałe sprężystości 0,01 - 1 N/m i częstości rezonansowe w zakresie 3 - 120 kHz.
[edytuj] Zastosowanie
Za pozwoleniem: CBMiM PAN, Łódź, 10.12.2002
Za pomocą mikroskopu sił atomowych można uzyskać mikroskopowe mapy, opisujące zarówno ukształtowanie powierzchni, jak też jej własności takie jak tarcie, adhezja, rozkład ładunku elektrostatycznego, czy struktura domen magnetycznych. AFM umożliwia także obrazowanie ścian domenowych w ferroelektrykach. Przeprowadzenie pomiaru zwykle nie wymaga skomplikowanych procedur dla przygotowania badanej próbki, w porównaniu z innymi metodami mikroskopowymi i może być dokonane zarówno w powietrzu, jak i w cieczy, czy w próżni. Otwiera to nowe, dotychczas nieosiągalne możliwości - tak np. w biologii staje się możliwe obrazowanie i badanie własności 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 nanoszonych na specjalnych matrycach.
AFM znalazło 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 np. struktury krystalicznej próbek, do obserwacji formowania warstw surfaktantów lub 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.[4]
Przypisy
- ↑ Atomic Force Microscopy, krótkie wprowadzenie na stronach Northwesern University
- ↑ Cheryl R. Blanchard, Tutorial: Atomic Force Microsopy, The Chemical Educator, 1(5), 1996
- ↑ How AFM works, rozdział z "The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications ", Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology, 1993
- ↑ Daniel J. Müller, Ueli Aebi i Andreas Engel, Imaging, measuring and manipulating native biomolecular systems with the atomic force microscope, materiały informacyjne M.E. Müller Institute for Microscopy, Basel, Szwajcaria
[edytuj] Bibliografia
- Atomic Force Microscopy/scanning Tunneling Microscopy, Cohen, Samuel H; Lightbody, Marcia L, Springer, 2004, ISBN 0-306-47095-0
- Noncontact Atomic Force Microscopy, praca zbiorowa pod red. S. Mority, Springer, 2002, ISBN 3-540-43117-9
- Atomic Force Microscopy in Adhesion Studies, praca zbiorowa pod red. Jarosława Drelicha, Brill Academic Pub, 2005, ISBN 90-6764-434-X
