Atomic Force Microscopy

1
Atomic Force Microscopy

• AFM
• Martin Truchly

2
Scanning Probe Microscopy (SPM)

• rastrovacia sondová mikroskopia
• moderná technológia
• vznik v roku 1981 s vynálezom STM scanning
  tunneling microscope
• Gerd Binnig a Heinrich Rohrer (IBM Zurich),
  Nobelova cena v roku 1986
• vznik dalších typov SPM

3
Dalšie typy SPM

• okrem už spomínanej STM
• AFM atomic force microscopy
• MFM magnetic force microscopy
• KPFM Kelvin probe force microscopy
• NSOM near-field scanning optical micr.
• ESTM electrochemical scanning microscopy
• SCM scanning capacitance microscopy
• ...

4
AFM

• objav AFM v roku 1986
• Binnig, Quate, Gerber
• na snímke vpravo je prvý AFM mikroskop

5
AFM

• vhodné na snímanie vzoriek do 100 x 100 µm
• horizontálne rozlíšenie 0,2 nm
• vertikálne rozlíšenie 0,05 nm
• získame 2D aj 3D obraz vzorky

6
Výhody a nevýhody

• Výhody
• - 3D obraz
• - nepotrebuje vákuum ako pracovné prostredie
• možnost študovat bio-makromolekuly
• možnost atómového rozlíšenia (len pri UHV t.j.
  ultra high vacuum)

7
Výhody a nevýhody

• Nevýhody
• rozmery skúmanej plochy
• obmedzenie ostrostou hrotu, velká citlivost na
  výber hrotu
• relatívne dlhý cas snímania, s tým súvisí thermal
  drift
• ovplyvnenie hysteréziou piezokryštálov
• cross-talk medzi x,y,z (povrch je plochejší ako v
  skutocnosti)

8
Konštrukcia

• na posuv v smere osí využitie piezokryštálov,
  potreba posúvania rádovo v 10-10m, teda
  mechanické prvky sa použit nedajú
• bloková schéma AFM na obrázku

9
Hrot a konzola

• cena jednej ihly priemerne okolo 1000Sk
• materiál Si, Si3N4, niekedy ešte potiahnuté
  ochranným povrchom napr. polykryštalický
  diamant, tvrdá feromagnetická zliatina, chromium
  a platinum iridium

10
Hrot a konzola
11
Hrot a konzola

• hrot a vlastne aj celá ihla je najcitlivejšia
  cast AFM
• jej výber ovplyvnuje výsledok
• jej poškodenie alebo znecistenie skresluje snímku

12
Ihla
13
AFM

• pri kontakte dominujú odpudivé van der Wallsove
  sily, pôsobia len do niekolko nm
• nad vzorkou už prevládajú magnetické a elektrické
  sily
• pre ohyb konzoly platí Hookov zákon
• môžeme snímat vo viacerých zobrazovacích módoch

14
AFM

• módy
• kontaktný
• nekontaktný
• dynamický alebo semikontaktný

15
Kontaktný mód

• mechanizmus udržiava ihlu v konštantnom vychýlení
  nad povrchom (na povrchu)
• tiež analyzuje feedback signal, podla toho sa
  vzorka posúva v smere osi z, tento pohyb sa
  zaznamenáva v pocítaci
• nevýhoda ak prevládnu prítažlivé sily, ihla
  zapadne a môže sa znecistit

16
Semi-contact mode

• konzola kmitá vo svojej rezonancnej frekvencii
• pri priblížení k povrchu pôsobia sily a jej
  frekvencia sa zmení
• zmeny sa zaznamenávajú do pocítaca, pomocou
  týchto údajov sa vykreslí obraz vzorky
• kmitanie je vzbudené pomocou piezoprvku
• ihla sa povrchu dotýka pri jednotlivých kmitoch

17
Nekontaktný mód

• podobne ako pri semi-kontaktnom móde ihla kmitá
  nad povrchom
• mechanizmus je rovnaký
• ihla je vyššie nad povrchom a pri kmitoch sa ho
  vôbec nedotýka
• vhodné pri lepivých povrchoch
• nie je tak používaný ako
• predchádzjúce dva módy

18

• každý mód má svoje využitie
• situácia, pri ktorej je kontaktný mód
  nepoužitelný
• Au naprášené na zafíre

19

• nevhodne zvolená metóda môže znicit vzorku
• snímky povrchu kontaktnou metódou

20

• snímka rovnakej oblasti pomocou semikontaktnej
  metódy

21

• snímka, ktorú získame nie vždy zodpovedá
  skutocnosti
• rôzne dôvody necistota na ihle, nevhodná metóda,
  zlé nastavenie softwaru

22
Koniec