Атомно-силовой микроскоп

Содержание Введение

1. Атомно-силовая микроскопия

2 История изобретения атомно-силового микроскопа

3. Конструкция атомно-силового микроскопа

4. Принцип работы

4.1 Режимы работы

5. Основные технические сложности при создании микроскопа Заключение Библиографический список использованной литературы

Введение

С понятием зондовой микроскопии связано осуществление многовековой мечты человечества — увидеть атомы. Атомно-силовая микроскопия (как и в целом зондовая микроскопия) — относительно новое направление (а точнее, метод) в науке, и его использование кажется сейчас просто безграничным.

В настоящее время сканирующий зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования АСМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как биофизика, материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, МЭМС), фотохимия и многие другие.

зондовый атомный силовой микроскоп

1. Атомно-силовой микроскоп Атомно-силовая микроскопия — вид зондовой микроскопии, в основе которого лежит силовое взаимодействие атомов (строго говоря обменное взаимодействие атомов зонда и исследуемого образца).

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) —сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе в качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам — пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1−1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

С помощью атомно-силового микроскопа можно получать изображения как физических объектов, так и биологических и химических объектов (вирусов и бактерий, атомов и молекул). Разрешение таких микроскопов достигает доли нанометров, что позволяет наблюдать атомы! Получением изображений не ограничиваются возможности этого прибора. С помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, а также перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.

2. История изобретения атомно-силового микроскопа Атомно-силовой микроскоп был создан в 1986 году Гердом Биннигом, и Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США, как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа.

Для определения рельефа поверхностей непроводящих тел использовалась упругая консоль (кантилевер), отклонение которой, в свою очередь, определялось по изменению величины туннельного тока, как в сканирующем туннельном микроскопе. Однако такой метод регистрации изменения положения кантилевера оказался не самым удачным, и двумя годами позже была предложена оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор. Такой метод регистрации отклонения кантилевера реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов.

Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем. Стремление улучшить латеральное разрешение привело к развитию динамических методов. Дальнейшее развитие атомно-силовой микроскопии привело к возникновению таких методов, как магнитно-силовая микроскопия, силовая микроскопия пьезоотклика, электро-силовой микроскопии.

3. Конструкция атомно-силового микроскопа Кантилевер (от англ. cantilever — консоль, балка) — одна из основных составных частей сканирующего зондового микроскопа представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,5?3,5?0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. На нижнем конце кантилевера располагается игла, взаимодействующая с образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5 — 90 нм, лабораторных — от 1 нм.

Верхняя сторона кантилевера над иглой является зеркальной для отражения лазерного луча. В некоторых случаях для улучшения отражающей способности кантилевера на него напыляют тонкий слой алюминия. По своей структуре кантилевер чаще всего представляет собой монокристалл кремния или нитрида кремния. Игла также может быть из кремния, нитрида кремния или алмаза.

Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:

§ Жёсткий корпус, удерживающий систему

§ Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется

§ Устройства манипуляции В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.

Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для «грубого» регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая — для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон).

В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещания на расстояния порядка ангстрем.

§ Зонд

§ Система регистрации отклонения зонда Существует несколько возможных систем:

— Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)

— Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)

— Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)

— Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)

§ Система обратной связи

§ Управляющий блок с электроникой

4. Принцип работы Рис1. Схема работы атомно-силового микроскопа Рассмотрим подробнее, какие силы действуют между зондом и исследуемой поверхностью. Для начала обратимся к взаимодействию двух атомов (молекул).

На небольших расстояниях все атомы и молекулы притягиваются. Это притяжение имеет чисто квантовую природу. Оно связано с коррелированными, то есть согласованными колебаниями электронов в обоих атомах. Энергия пары атомов, где электроны смещены (поляризованы) одинаковым образом, — чуть меньше, чем энергия пары неполяризованных атомов. И энергия эта спадает с расстоянием между атомами как 1/r⁶.

Общая энергия взаимодействия атомов приближённо описывается формулой Леннарда-Джонса (потенциал типа (6−12)):

U®=E₀((r_min/r)¹²-(r_min/r)⁶)

Здесь первое слагаемое отвечает за отталкивание, оно начинает «работать» при малых расстояниях, когда вторым, притяжением, уже можно пренебречь. При этом r₀ — это расстояние между атомами, соответствующее минимальной энергии системы, то есть наиболее выгодной, а r_min — расстояние, при котором энергия взаимодействия обращается в нуль.

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.

Рис 2. График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца Силу взаимодействия зонда с образцом можно получить, если просуммировать все такие элементарные взаимодействия для каждого атома зонда.

Для зонда, характеризующегося некоторым радиусом кривизны R и абсолютно плоского образца, в приближении механики сплошных сред сила притяжения будет пропорционально R/z² (формула Гамакера), отталкивания примерно 1/z⁸.

Для того, чтобы «почувствовать» данное взаимодействие атома с атомом, необходимо, чтобы зонд был атомных размеров. Реальные зонды имеют размеры от десятка нанометров до размера одного атома! Их длина составляет 1−2 мкм.

Зонд (остриё, игла) расположен на свободном конце кантилевера. Зонды в основном изготавливают из таких материалов, как кремний Si и Si₃N₄. Чем меньше радиус кривизны и угол схождения острия, тем меньше его влияние на получающееся изображение исследуемого объекта. Консоль — это упругая пластинка, по отклонению которой в принципе можно судить о силе взаимодействия острия с образцом (закон Гука: F=kz).

Когда остриё приближается к образцу, между ними начинают действовать силы обменного взаимодействия. В зависимости от того, насколько мало расстояние между остриём и образцом, это будет сила либо притяжения либо отталкивания. Отсюда и возникают два разных режима сканирования — контактный и бесконтактный.

4.1 Режимы работы В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы атомно-силового микроскопа:

· контактный режим (contact mode);

· бесконтактный режим (non-contact mode);

· полуконтактный режим (tapping mode).

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью.

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. Топографические изображения в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов:

· режим постоянной высоты

· режим постоянной силы.

Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли? Z, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства метода:

§ Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость Недостатки метода:

§ Возможно механическое повреждение как зонда, так и образца

§ Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

§ Наименьшее латеральное разрешение

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения. Система обратной связи, как правило, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.

Достоинства метода:

§ Возможность достижения атомарного разрешения (в условиях вакуума)

§ Обеспечивает наилучшую сохранность зонда и образца Недостатки метода:

§ Крайне чувствителен ко всем внешним шумам

§ Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования «уходят»

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

Этот режим используется во многих случаях (в основном, при исследовании мягких материалов, таких как полимерные цепи и различные биообъекты) позволяет повысить качество получаемого изображения. При таком способе сканирования с помощью ещё одного пьезоэлектрического манипулятора осуществляются вынужденные механические колебания кантилевера с частотой, близкой к резонансной (обычно это десятки и сотни килогерц) и с амплитудой порядка 100 нм. В нижней точке колебаний остриё «касается» образца. В этом режиме, как и в любом контактном режиме, возможно проминание образца иглой. При передвижении сканирующей иглы (или образца) отслеживается изменение резонансной амплитуды кантилевера (она зависит от внешней силы). Данный метод позволяет повысить разрешение микроскопа при наблюдении объектов с пониженной механической жёсткостью, поскольку здесь устранено влияние капиллярных сил. При таком методе также исключаются различные латеральные силы и силы трения, которые могут приводить к смещению структур на плоскости образца.

Несмотря на то, что при описании работы атомно-силового микроскопа, очень часто упоминаются лишь силы Ван-дер-Ваальса, в реальности со стороны поверхности также действуют упругие силы и силы адгезии. Их вклад особенно очевиден при работе в полуконтактном режиме, когда вследствие «прилипания» кантилевера к поверхности возникает гистерезис которые могут существенно усложнять процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Кроме того со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды можно узнать их распределение по поверхности.

Наглядное трёхмерное изображение поверхности получается лишь после соответствующей математической обработки цифровой информации, в качестве которой выступают двумерные массивы целых чисел, например, отклонения кантилевера. Существует множество разных алгоритмов обработки, необходимость использования которых зависит от цели экспериментатора и от конкретной ситуации. Ведь процесс сканирования идеальным не бывает — обязательно появляются различные флуктуационные выбросы, которые надо как-то сглаживать или фильтровать. Приходится также учитывать тепловой дрейф образца или нелинейности пьезокерамического манипулятора. Разумеется, всю вычислительную работу выполняет компьютер и выдаёт в качестве результата уже готовое изображение.

Важную роль в получении хорошего изображения в АСМ играет приготовление образцов. В ряде случаев особого приготовления образцов не требуется (например, при наблюдении поверхности графита). Однако при работе с (био)химическими веществами и молекулами, их обычно каким-то образом адсорбируют на подложке. Например, для наблюдения ДНК, её наносят на поверхность слюды, модифицированной ионами двухвалентных металлов.

Хорошее качество изображения молекул получается, когда они погружены в жидкость (обычно воду). Это происходит потому, что в воде заметно снижаются силы взаимодействия между зондом и образцом, а, следовательно, не происходит «залипания». Наблюдение в водных средах позволяет исследовать процессы in vitro, например, самосборку актиновых филаментов.

Большой интерес представляет собой изучение с помощью атомно-силового микроскопа живых биологических объектов — бактерий, вирусов, клеток. Уже есть работы, в которых напрямую наблюдали динамику того или иного процесса, например, образование микропор в бактериальной стенке при воздействии ионов кальция. Такое использование АСМ также перспективно в медицине, например, для получения экспресс-анализов и диагностики заболеваний. На рисунке представлено изображение бактерий Klebsiella.

5. Основные технические сложности при создании микроскопа

· Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

· Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

· Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

· Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

· Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

В сравнении с растровым электронным микроскопом атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Атомно-силовая микроскопия позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, изучаемая поверхность не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы растрового электронного микроскопа требуется вакуум, в то время как большинство режимов атомно-силовой микроскопии могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток.

К недостаткам атомно-силовой микроскопии следует отнести небольшой размер поля сканирования. Максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае составляет порядка 150?150 микрон. Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный атомно-силовой микроскоп не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает растровый электронный микроскоп. Для получения изображения, требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как растровый электронный микроскоп после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки атомно-силового микроскопа получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Кроме термодрейфа получаемые изображения могут также быть искажены из-за таких свойств пьезокерамики, как нелинейность, крип и гистерезис и перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z-элементами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные атомно-силовые микроскопы используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения.

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150?150 микрон.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ. Для увеличения быстродействия АСМ было предложено несколько конструкций, среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Однако, применение Видео АСМ ограничено, так как он работает только в контактном режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом высот.

Заключение

Новая экспериментальная методика всегда позволяет увидеть и узнать то, что ранее было неизвестно. АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке. С помощью атомно-силового микроскопа удается наблюдать многие события, разыгрывающиеся на поверхности растущего кристалла (особенно кристалла белка), но, к сожалению, не все. Острие иглы кривизной 5 нм может различить периодическую структуру молекул на порядок меньшего размера, но не может различить адсорбированные поверхностью отдельные молекулы такого размера. Пока в растворе удается увидеть элементарные акты при соединения строительных единиц к кристаллам белков, но не к кристаллам неорганических соединений. В последнем случае неизвестно, что присоединяется к изломам, что является строительной единицей — ионы, молекулы или их группы. Это сдерживает развитие теории и не позволяет предсказать влияние различных факторов на кинетику кристаллизации. Нет также способа узнать, что происходит в приповерхностном слое раствора. Находящиеся в растворе ионы, молекулы и их комплексы окружены гидратными оболочками, непонятно где, как и в какой момент происходит освобождение от них. Сейчас можно только гадать, какой именно прибор позволит разобраться в этом.

Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследованиями, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами), электронными микроскопами, спектрометрами (например, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флуоресцентными), ультрамикротомами

Библиографический список использованной литературы

1. http://www.nanoscience.com/education/afm.html

2. Атомный силовой микроскоп. Журналы. Наука и техника 1989. № 9.

3. В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии. Российская академия наук, Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г.

4. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007.

5. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3

6. Учебно-научный центр Бионаноскопия [Электронный ресурс]