Mikroskopie atomárních sil (AFM)

Ladislav Šigut

Obsah Základní charakteristika metody (SPM) Mikroskopie atomárních sil (AFM) AFM – princip AFM – režimy snímání povrchu AFM – rozlišení Vlastnosti a uplatnění AFM Přístroje Modifikace AFM Literatura

Základní charakteristika metody(SPM) Mikroskopie skenující sondou (Scanning Probe

Microscopy) Těsné přiblížení měřicí sondy ke vzorku – rozlišení

pod tzv. difrakční mezí za cenu získání pouze lokální informace o vzorku

Postupná měření ve více bodech – skenování sondou nad vzorkem

Metody poskytují trojrozměrný obraz v přímém prostoru

Snížení energetického zatížení vzorku Vzdálenost sondy klade nároky na mechanickou

stabilitu a řízení pohybu ([3])

Mikroskopie atomárních sil (AFM)

Mikroskopie atomárních sil (AFM) 1986 Binnig, Quate a Gerber ze Stanfordské univerzity. Vertikální pohyb raménka způsobuje silové působení mezi

hrotem a povrchem vzorků (přitažlivé síly Van der Waalsovy, Pauliho odpudivé síly elektrostatické). ([1])

Sonda: cantilever – pružné raménko 0,2 - 0,4 mm s hrotem tvořeným čtyřbokou pyramidou.

Obrázek 1. Mikroskop atomárních sil.

Obrázek 2. Hrot a část raménka AFM.

Obrázek 3. Hrot AFM systému. ([5])

Hrot může být z různých materiálů, typickým je křemík, nebo na něm může být připevněna  magnetická částice či molekula.

4 μm ÷ 1/10 lidského vlasu

Mikroskopie atomárních sil (AFM) Hrot skenuje povrch materiálu. Výkyvy raménka jsou sledovány laserem. Laserový paprsek dopadá na fotodetektor.

Změna úhlu nosníku ~ změna úhlu dopadu paprsku.

Obrázek 4. Mikroskop atomárních sil. Obrázek 5. Princip AFM.

AFM - režimy snímání povrchu Kontaktní režim: hrot sondy je v kontaktu se

vzorkem (dochází k poškození vzorku – třecí síly) Mód konstantního průhybu pružiny: výška

upevněného konce nosníku je konstantní (nerovnosti i několik μm).

Mód proměnného průhybu pružiny: výška upevněného konce nosníku není konstantní (poškození hrotu při velkém Δ z).

Obrázek 6. Kontaktní režim.

AFM - režimy snímání povrchu Nekontaktní režim: hrot se pohybuje ve

vzdálenosti nad vzorkem, kde působí přitažlivé síly, sledují se změny amplitudy oscilací při interakci hrot – povrch (studium měkkých materiálů).

Poklepový režim: hybrid mezi kontaktním a nekontaktním režimem. ([2])

Obrázek 7. Nekontaktní a poklepový režim.

Obrázek 8. Obrázek DNA byl získán v poklepovém režimu, velikost okna 5 μm.

AFM - režimy snímání povrchu Dynamický režim (modifikace):

raménko osciluje působením harmonické síly. Měřen je fázový posuv kmitání způsobený atomárními silami

hrot je při maximální výchylce oscilačního cyklu raménka vzdálen od vzorku (cca 5 Ångström, tj. deset miliontin milimetru) ([7])

Dynamic Force Microscopy (DFM)

AFM - režimy snímání povrchu

AFM – rozlišení

Závislé na: poloměru křivosti špičky hrotu (cca. 5 nm), velikosti obrazu (1 x 1 μm, 512 x 512 měřících

bodů). V tomto případě rozlišení 2 nm ( μm). Zvětšení snímané plochy – pokles rozlišení Zmenšení snímané plochy – rozlišení se

nezvětší ( ~ poloměr křivosti špičky hrotu) ([6])

5121

AFM – rozlišení Obecně rozlišení stovky mikrometrů až

nanometry (lze pozorovat periodickou strukturu atomové mříže, jednotlivé atomy zobrazit nelze). ([2])

Měření na rozhraní optické a elektronové mikroskopie (OM – zaměřování vzorku)

V r. 2004 použitím DFM dosaženo zatím největšího rozlišení 77 pikometrů (77×10−12 m). V tomto rozlišení je možné rozeznat struktury uvnitř jednotlivých atomů. ([4])

Vlastnosti AFM Skenování vzorků malých rozměrů (max. stovky mikrometrů) Trojrozměrné zobrazování povrchů (EM – dvojrozměrná

projekce) Lze studovat i elektricky nevodivé vzorky Interakce hrotu a vzorku lze využít k manipulaci s atomy a k

vytváření struktur nanometrových rozměrů Pořeba zabránění pohybu vzorku v roztoku Zobrazuje povrchovou, nikoli objemovou strukturu Nevyžaduje úpravu vzorku Velký rozptyl použitelných prostředí (vzduch, plyny, roztoky,

magnetická pole) Snímání je pomalé (řádově minuty) Omezený vertikální rozsah (desítky mikrometrů) Výsledný obraz musí být sestavován počítačem, je sbírán

postupně ([3], [8] )

Srovnání SEM a AFM

PSIA XE – AFM TESCAN VEGA – SEM

AFM - Uplatnění Oblast studia katalytických procesů, povrchů pevných látek Oblast nanotechnologií, záznamové techniky či biologických systémů Možnost kombinace chemické identifikace a schopnosti manipulace

jednotlivých atomů pomocí AFM na površích umožňující konstrukci nanostruktur požadovaných vlastností a funkčnosti. Přesné umístění dopantů specifických vlastností na polovodičovém povrchu může výrazně zvýšit výkonnost nanometrických tranzistorů.

Obrázek 9. Nápis vytvořený AFM hrotem namočeným do roztoku HAuCl4. ([3])

Přístroje

PSIA XE-100TM Atomic Force Microscope ([5])

Přístroje pořízení jednoho AFM

mikroskopu vyjde asi na 3 milióny korun a je k němu zapotřebí speciálně vyškolené obsluhy.

Modifikace AFM MFM – mikroskopie magnetických sil EFM – mikroskopie elektrostatických sil SThM – mikroskopie termální (sleduje lokální změny

teploty vzorku) UFM – Mikroskopie ultrazvukových sil (akustická

mikroskopie) DFM – mikroskopie dynamických sil LFM – mikroskopie bočních sil FMM – Mikroskopie modulovaných sil PDM – Mikroskopie fázových rozdílů TDFM – Mikroskopie příčných sil DFM – Mikroskopie disipativních sil

Literatura[1] B. Rezek [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z

WWW:<http://www.fzu.cz/texty/brana/atomy/spm1.php>.

[2] Vodárek, V. Metody studia struktury. Studijní text KMI FMMI VŠB, Ostrava.

[3] Machala a kol. [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z WWW:<http://atmilab.upol.cz/mss/mss4.html>.

[4] Petr Sládek [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z WWW:<http://svp.muni.cz/ukazat.php?docId=39>.

[5] Víková, M [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z WWW:<http://www.ft.vslib.cz/depart/ktm/files/20070326/6.mikroskopie%20IV.pdf>.

[6] Kubínek, R. a Půlkrábek, J. [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z WWW:<http://exfyz.upol.cz/didaktika/oprlz/mmm.pdf>.

[7] OMK AV ČR [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z WWW:<http://press.avcr.cz/zajimave-projekty.php?id=11>.

[8] Wikipedie [online] poslední revize prosinec 2007. Dostupný z WWW:<http://cs.wikipedia.org/wiki/Mikroskopie_atom%C3%A1rn%C3%ADch_sil >.

Děkuji za pozornost