Atomspēku mikroskops
Uzbūve
AFM sistēma sastāv no:
sviras (cantilever)(garums 100-500 um, platums ~30-50 um, biezums 0,5-5 um) ar asu adatu (tip)(asā gala rādiuss 10-30nm) tās galā,
pjezoelektriska skenera (caurule, kas var locīties un mainīt garumu, atkarībā no pieliktā sprieguma) un
Konstrukcijas, kas sos komponentus satur kopā. (stage) Sai konstrukcijai ir jānodrosi 535i818f na noturība pret vibrācijām un tā sākumā bija lielākā problēma.
Skeneris var būt sasaistīts vai nu ar apskatāmo paraugu (paraugs kustās zem adatas), vai arī ar cantileveri (adata kustas virs parauga).
Cantileveris darbojas kā plakana atspere, un to ir iespējams izgatavot pietiekami mīkstu, lai tas spētu atliekties starpmolekulāro spēku iedarbībā. So atlieksanos parasti mēra lietojot lāzera stara atstarosanos no cantilevera augsējās virsmas. X un Y ass virzienos skeneris "zīmē" rakstu, kas sastāv no daudzām paralēlām līnijām, taču z ass virzienā (uz augsu un leju), to vai nu atstāj konstantā augstumā (konstantā augstuma metode), vai arī kustina uz augsu un leju pēc fotodiodes signāla, lai noturētu to pēc iespējas konstantu (konstantā spēka metode).
Konstantā augstuma metode (constant height mode, error mode) - seit atgriezeniskās saites koeficientu (gain) uzliek ļoti mazu un datus par parauga topogrāfiju iegūst tiesi no fotodiodes signāla. Sī metode ir ātrāka (jo nav nepieciesama atgriezeniskā saite), taču ja paraugam ir lielas izmaiņas Z ass virzienā (stipri grumbuļains paraugs), var sabojāt adatu.
Konstantā spēka metode (constant force mode) - mazākām izsķirtspējām (lielākiem skenēsanas apgabaliem) parasti vienmēr lieto so metodi. Te atgriezeniskās saites koeficientu uzliek tik lielu, lai sistēma spētu izsekot virsmai. Ja atgriezeniskās saites koeficientu uzliek pārāk lielu, sākas oscilācijas (pasierosme), kas, ja ir vāji izteikta, maitā izsķirtspēju, bet ja ir stipri izteikta, ar laiku var sagraut skeneri. Ar so metodi ir iespējams samērā precīzi mērīt parauga veidojumu augstumu.
Darbības princips
Adatas un parauga virsmas savstarpējie iedarbības spēki parasti ir van der Vālsa spēki, taču var būt arī elektrostatiskā vai magnētiskā pievilksanās, ķīmiskā adhēzija, vai arī kādi citi spēki. Metodes, kurās uz adatu, bez van der Vālsa spēkiem iedarbojas citu savstarpējo iedarbīus spēki, parasti nodala atsevisķi. Ir pazīstamas divas virsmas detektēsanas metodes: kontaktmetode (contact mode) un dinamiskā kontakta metode (dynamic contact mode).
Kontaktmetode. Seit adata visu laiku ir saskarē ar virsmu un adatas, un virsmas savstarpējie iedarbības spēki ir visai lieli. Virsma te tiek detektēta pēc adatas atlieksanās. Sī metode tika izgudrota ātrāk, ir vienkārsāka un var nodrosināt lielākus skenēsanas ātrumus, taču nav lietojama mīkstiem materiāliem (var saskrāpēt) un adatas nodilst. Seit lieto mīkstus cantileverus, kurus parasti izgatavo no silīcija nitrīda.
Dinamiskā kontkta metode. So iedala arī sīkāk - bezkontakta metode (non contact mode), kur adata nepieskaras virsmai un punktēsanas metode (tapping mode), kur adata virsmai pieskaras tikai svārstību perioda apaksā. Seit adatas un virsmas savstarpējās iedarbības spēki ir ~ 1000 reizes mazāki. Virsmu seit detektē pēc cantilevera svārstību amplitūdas samazināsanās. Cantilevera svārstības tiek nodrosinātas ar pjezoleektriskām vai magnētiskām metodēm. Seit lieto cietākus cantileverus, kurus izgatavo no silīcija, jo tos var izgatavot ar asākām adatām un augstākām rezonanses frekvencēm. Gaisā, kur ir vismaz neliels relatīvais mitrums, praktiski vienmēr ir punktēsanas metode, tapēc, ka visas virsmas pārklājas ar plānu (dazu molekulu biezumā) ūdens kārtiņu, kas rada lielus kapilāros spēkus starp adatu un parauga virsmu. Mēģinot samazināt amplitūdu, lai lietotu bezkontakta metodi, adata vienkārsi pielīp pie virsmas un tur arī paliek.
Iespējas un īpasības
Atsķirībā no optiskā mikroskopa, AFM izsķirtspēja nav atkarīga no gaismas difrakcijas, bet tikai no adatas gala un parauga savstarpējās iedarbības tilpuma. Optiskajā mikroskopā visu attēlu iegūst praktiski acumirklī, AFM nākas noskenēt visus punktus, un tam vajag laiku (cantileverim ir masa), parasti vairākas minūtes.
Atsķirībā no SEM, AFM darbībai nav nepieciesams vakuums, tas var darboties arī gaisā vai sķidrumā.
AFM ir mazs maksimālais iegūstamā attēla izmērs, to nosaka skenera iespējas. Parasti X un Y ass virzienos tas ir ~100 um, bet Z ass virzienā - drusku zem 10 um. AFM iegūst 3D datus par virsmas reljefu, atsķirībā no optiskā un elektronu mikroskopa, kas iegūst tikai virsmas projekciju.
AFM izsķirtspēja X un Y asu virzienos ir atkarīga no adatas asuma. Parasti adatas galu modelē kā konusu vai piramīdu, kam virsotnes vietā ir lodveida virsma, un adatas asumu raksturo ar tās lodes rādiusu, tas parasti ir 5-30 nm. Dazām adatām galā ir saura tieva struktūra (spike), ar mazākiem izmēriem. Tā ir trausla, un to var viegli nolauzt, taču ar to var panākt XY (lateral) izsķirtspējas līdz 1nm. Ja parauga virsmai nav asu kritumu vai kāpumu, augstas izsķirtspējas var sasniegt arī ar mazāk asu adatu, ja tā ir homogēna.AFM izsķirtspēja Z ass virzienā ir atkarīga no optiskā detektora izsķirtspējas uz Z skenera DAC (ciparanalogu pārveidotāja) stabilitātes (atkārtojamības), parasti sī izsķirtspēja ir augstāka par 100pm (sajā virzienā var izsķirt attālumus, kas mazāki par atoma diametru).
|
