Mikroskopie atomárních sil (AFM)

1. Mikroskopie atomárních sil (AFM) Ladislav Šigut

2. 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

3. 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])

4. Mikroskopie atomárních sil (AFM)

5. 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 2.Hrot a část raménka AFM. Obrázek 1.Mikroskop atomárních sil.

6. 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

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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)

11. AFM - režimy snímání povrchu

12. 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])

13. 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])

14. 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] )

15. Srovnání SEM a AFM PSIA XE – AFM TESCAN VEGA – SEM

16. 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])

17. Přístroje • PSIA XE-100TM Atomic Force Microscope ([5])

18. pořízení jednoho AFM mikroskopu vyjde asi na 3 milióny korun a je k němu zapotřebí speciálně vyškolené obsluhy. Přístroje

19. 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

20. 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 >.

21. Děkuji za pozornost