AFM – mikroskopia sił atomowych

Podstawą metody AFM (mikroskopii sił atomowych) jest pomiar ugięcia dźwigni, na której końcu znajduje się ostrze pomiarowe – sonda skanująca. Obrazowana jest wówczas siła występująca między ostrzem, a atomami budującymi powierzchnię badanej próbki, która jest miarą odległości między nimi. Obserwowane są siły przyciągania lub odpychania pomiędzy ostrzem a próbką,  zależnie od trybu pracy mikroskopu. Mikroskopy sił atomowych umożliwiają obrazowanie powierzchni w trzech wymiarach z rozdzielczością sięgającą pojedynczych nanometrów. To interaktywne narzędzia pozwalające na manipulację oraz ingerencję w strukturę badanej próbki na poziomie pojedynczych molekuł.

mikroskopia sił atomowych schemat

Rys. 1. Schemat budowy mikroskopu sił atomowych [1].

Mikroskopia sił atomowych swe zastosowanie znajduje w wielu dziedzinach nauki i techniki, takich jak m.in. fizyka, chemia, medycyna, nanotechnologia, czy inżynieria materiałowa. Wykorzystywana jest w różnorodnych badaniach struktury geometrycznej oraz stanu fizycznego powierzchni wielu materiałów, w tym także tworzyw. Metoda AFM umożliwia analizę powierzchni materiałów zarówno przewodzących, jak i nieprzewodzących prądu elektrycznego. Ponadto pomiary można prowadzić w różnych warunkach – w próżni, w powietrzu, w gazach i cieczach. Niewątpliwą zaletą metody jest brak konieczności specjalnego przygotowywania próbek do badań oraz fakt, że jest to metoda nieniszcząca.

Mimo że podstawowe założenia działania mikroskopu AFM są proste, jego konstrukcja potrafi być bardzo złożona. Nowoczesne systemy łączą w sobie najnowsze rozwiązania technologiczne, takie jak piezoelektryczne pozycjonery, bardzo szybkie procesy sygnałowe, czy MEMS (mikroukłady elektromechaniczne).

Zasada działania AFM

W odróżnieniu od mikroskopów optycznych, które do obserwacji próbki z pewnej odległości wykorzystują światło oraz układ soczewek, mikroskopy SPM (ze skanującą sondą) do obrazowania powierzchni wykorzystują skanującą sondę. Podstawą działania mikroskopii sił atomowych są oddziaływania pomiędzy atomami badanej powierzchni a atomami sondy. Decydującą rolę w tych oddziaływaniach odgrywają siły coulombowskie i van der Waalsa, które mają charakter przyciągający lub odpychający, zależnie od odległości. Mikroskopy AFM badają próbkę za pomocą sondy, która będąc w niedużej odległości od powierzchni materiału mierzy wybrane oddziaływanie, w zależności od trybu pracy. Siły przyciągania, które są siłami dalekiego zasięgu, mierzone są w trybie bezkontaktowym, natomiast siły odpychania – siły bliskiego zasięgu – w trybie kontaktowym.

Instrument jest co najmniej o rząd wielkości tańszy od najnowocześniejszych AFM i nie ustępuje im szybkością, wytrzymałością czy rozdzielczością.

Siła oddziaływania pomiędzy atomami ostrza a próbki w zależności od odległości.

Rys. 2 Siła oddziaływania pomiędzy atomami ostrza a próbki w zależności od odległości [1].

W trybie kontaktowym zadaniem ostrza jest badanie topografii powierzchni. Ostrze jest w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią próbki, gdzie odległość między atomami sondy i materiału wynosi mniej niż 0,1 nm. W tym zakresie siła działająca między atomami ma charakter odpychający i powoduje wygięcie ramienia dźwigni w kierunku przeciwnym do próbki. Źródłem sił odpychania są oddziaływania pomiędzy orbitalami elektronowymi atomów próbki i sondy. Badania prowadzone w tym układzie dostarczają szereg przydatnych informacji o różnych wielkościach fizycznych charakteryzujących próbkę, takich jak tarcie, odkształcenia sprężyste i plastyczne, czy oddziaływania adhezyjne. W przypadku materiałów miękkich, takich jak polimery, siła oddziaływań powinna być ograniczana, aby zapobiec niszczeniu próbki.

W trybie bezkontaktowym mikroskop AFM pracuje w zakresie dalekozasięgowych sił przyciągania. W tym układzie dominują przyciągające siły van der Waalsa, a ramie dźwigni wyginane jest wówczas w kierunku próbki. Odległość ostrza od próbki mieści się w zakresie 10 – 100 nm. W metodzie bezkontaktowej nie mierzy się statystycznego ugięcia dźwigni, lecz wprawia się dźwignię w drgania o częstości bliskiej częstości rezonansowej. Podczas skanowania, gdy sonda zbliża się do badanej powierzchni rejestrowana jest zmiana amplitudy i częstości drgań dźwigni. Mikroskop w celu utrzymania zadanej amplitudy wraz ze zmieniającą się topografią powierzchni badanego materiału reaguje poprzez zmianę położenia piezoelementu, odwzorowując topografię powierzchni próbki.

Próbując wyeliminować ograniczenia obydwu metod opracowano techniki dynamiczne, polegające na wprowadzeniu sondy wraz z dźwignią w drgania o dużych częstościach. Jedną z najbardziej znanych technik dynamicznych jest tryb będący swego rodzaju połączeniem metody kontaktowej i bezkontaktowej, tzw. tapping, polegający na lekkim dotykaniu próbki. Belka z ostrzem wprowadzana jest w drgania o częstości zbliżonej do rezonansowej, z drobną amplitudą i odległością od próbki, by ostrze sporadycznie i delikatnie dotykało powierzchnię badanej próbki. W wyniku krótkotrwałego kontaktu następuje dyssypacja energii kinetycznej ostrza, a w efekcie zmniejszenie amplitudy drgań. Zmiany te rejestrowane są w układzie sprzężenia zwrotnego, gdzie automatycznie regulowana jest częstość drgań tak, by siłę oddziaływań utrzymać na możliwie najniższym poziomie. Metoda ta pozwala na ograniczenie uszkodzeń próbki w wyniku sił tarcia czy adhezji i zalecana jest do badań materiałów delikatnych.

Zalety mikroskopu sił atomowych

Mikroskopia sił atomowych pozwala na dużą różnorodność stosowanych próbek, która jest wynikiem braku konieczności specjalnego przygotowania próbki do badania. Ponadto badać można zarówno materiały przewodzące prąd elektryczny – przewodniki, jak i izolatory.

Mikroskop AFM może być wykorzystywany do badań w najróżniejszych środowiskach od gazu po ciecz, w szerokim zakresie temperatur. Dzięki temu coraz częściej wykorzystywany jest np. w biologii, do pomiarów zmian topograficznych i właściwości mechanicznych komórek.

Do pozostałych zalet mikroskopów sił atomowych należy wysoka czułość i rozdzielczość (nanometrowa), a także możliwość mapowania wielu właściwości powierzchni, np. mechanicznych (elastyczność, tarcie), chemicznych (adhezja), elektrycznych czy magnetycznych.

Mikroskopy sił atomowych firmy ICSPI – ultralekkie, kompaktowe systemy

Mikroskopia sił atomowych jest techniką znaną już od kilkudziesięciu lat i stale udoskonalaną poprzez wprowadzanie coraz nowszych rozwiązań i urządzeń do charakteryzacji powierzchni. W dobie zakrojonej na skalę światową miniaturyzacji wszyscy dążą do znacznego zmniejszenia rozmiarów urządzeń bez utraty ich najważniejszych funkcji. Idąc za trendem tej idei firmie ICSPI udało się opracować niewielkich rozmiarów mikroskop sił atomowych nGauge, zbudowany na bazie układów mikro elektromechanicznych. Udoskonalanie i rozwijanie tej innowacyjnej techniki pozwoliło na zbudowanie kolejnych aparatów: Redux AFM i Vertex AFM.

Redux

Mierzone parametry:Topografia powierzchni
Chropowatość powierzchni (Ra)
Grubość warstw
Obrazowanie fazowe (właściwości mechaniczne materiału)
Wielkość cząstek
Technika:Mikroskopia sił atomowych
Czas pomiaru:16 sekund - 20 minut
Przeznaczenie:Laboratorium

Vertex

Mierzone parametry:Topografia powierzchni
Chropowatość powierzchni (Ra)
Grubość warstw
Obrazowanie fazowe (właściwości mechaniczne materiału)
Wielkość cząstek
Technika:Mikroskopia sił atomowych
Czas pomiaru:16 sekund - 20 minut
Przeznaczenie:Pomiary on-line

Mikroskop sił atomowych 250px

nGauge

Mierzone parametry:Topografia powierzchni
Chropowatość powierzchni (Ra)
Grubość warstw
Obrazowanie fazowe (właściwości mechaniczne materiału)
Wielkość cząstek
Technika:Mikroskopia sił atomowych
Czas pomiaru:16 sekund - 20 minut
Przeznaczenie:Laboratorium

Mikroskop sił atomowych dla każdego?

Tradycyjne AFM są bardzo drogie i zajmują dużo miejsca. Ponadto ich obsługa wymaga specjalistycznego przeszkolenia co niesie ze sobą kolejne koszty. Rewolucją okazał się pierwszy aparat nGauge, w którym cały system mikroskopu został umieszczony na jednym chipie mikro elektromechanicznym. Instrument ten okazał się przyjazny dla użytkownika i każdy po krótkim szkoleniu był w stanie go obsługiwać- od ucznia szkoły średniej aż po naukowców zajmujących się zaawansowanymi badanami metrologicznymi. Urządzenia nGauge, Redux i Vertex są co najmniej rząd wielkości tańsze od najnowocześniejszych AFM i nie ustępują im szybkością, wytrzymałością czy rozdzielczością.

Zasada działania AFM firmy ICSPI

Zasada działania mikroskopów sił atomowych polega na gromadzeniu danych o strukturze powierzchni, poprzez obserwację oddziaływań sondy z powierzchnią. Wszystkie oddziaływania sondy z próbką przenoszone są na układy detekcji w mikrochipie, a następnie przetwarzane na informacje o różnicach w topografii charakteryzujących badaną powierzchnię. Do kontaktu z powierzchnią używa się bardzo malej igły umieszczonej na końcu chipa o wymiarach 1mm x 1mm, w którym zintegrowano wszystkie czujniki i skanery wraz sondą.

mikroskopia sił atomowych mikrochip

Rys. 3. Mikrochip AFM.

Poniżej przykładowy film jak wygląda pomiar próbki mikroskopem nGauge AFM:

Jak widać na filmie obsługa urządzenia jest banalnie prosta i nie wymaga dłuższego szkolenia. Sama konfiguracja stanowiska zajmuje maksymalnie kilka minut wraz z podłączeniem urządzenia i instalacją odpowiednich programów.

Przykładowe aplikacje:

  • Polimery i kompozyty
  • Nanocząstki i nanomateriały
  • Badania naukowe
  • Metale, minerały i ceramika
  • Biologia i branża „life science”
  • Materiały półprzewodnikowe
  • Fotonika

Podsumowanie

Mikroskop sił atomowych dzięki swym ogromnym możliwościom, niedostępnym dla innych technik badawczych, znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki, takich jak medycyna, nanotechnologia oraz innych dyscyplinach pokrewnych.  Urządzenie pozwala na tworzenie obrazów i badanie powierzchni w trzech wymiarach, z wysoką rozdzielczością i czułością. Przekształca dane pomiarowe w obraz zeskanowanej powierzchni, wraz ilościowym opisem tworzących ją elementów geometrycznych, a także umożliwia uzyskanie obrazu powiększonego 108-krotnie. Ponadto oferuje dużą różnorodność badanych próbek.

Efektami rozwoju metody AFM w ostatnich latach są liczne odmiany konstrukcyjne mikroskopu i coraz większa liczba jej zastosowań. W naszej ofercie znajdziecie Państwo mikroskopy sił atomowych firmy ICSPI, które mogą być stosowany zarówno przez ekspertów, jak i podstawowych użytkowników.

 

Źródła:

  1. https://labportal.pl/mikroskopia-sil-atomowych-afm/
  2. https://www.icspicorp.com/

Dowiedz się więcej o mikroskopach AFM  – skontaktuj się z opiekunami produktu:

Piotr Zajączkowski

piotr.zajaczkowski@apinstruments.pl

(+48) 532 808 771