Atomspēku mikroskops
Vikipēdijas raksts
Atomspēku mikroskops (Angļu: AFM, atomic force microscope) ir skenējošais mikroskops, kas tika izgudrots 1986. gadā. Šeit attēlu iegūst pa punktiem, vienu attēla punktu laika vienībā.
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 un pjezoelektriska skenera (caurule, kas var locīties un mainīt garumu, atkarībā no pieliktā sprieguma). 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. Šo atliekšanos parasti mēra lietojot lāzera stara atstarošanos no cantilevera augšējās virsmas. X un Y ass virzienos skeneris "zīmē" rakstu, kas sastāv no daudzām paralēlām līnijām, taču z ass virzienā (uz augšu un leju), to vai nu atstāj konstantā augstumā (konstantā augstuma metode), vai arī kustina uz augšu un leju pēc fotodiodes signāla, lai noturētu to pēc iespējas konstantu (konstantā spēka metode).
- Konstantā augstuma metode (constant height mode, error mode) - šeit atgriezeniskās saites koeficientu uzliek ļoti mazu un datus par parauga topogrāfiju iegūst tieši no fotodiodes signāla. Šī metode ir ātrāka (jo nav nepieciešama atgriezeniskā saite), taču ja paraugam ir lielas izmaiņas Z ass virzienā (stipri grumbuļains paraugs), var sabojāt adatu.
- Konstantā spēka metode (constant force mode) - mazākām izšķirtspējām (lielākiem skenēšanas apgabaliem) parasti vienmēr lieto šo metodi. Te atgriezeniskās saites koeficientu uzliek tik lielu, lai sistēma spētu izsekot virsmai. Ja atgriezeniskās saites koeficientu uzliek pārāk lielu, sākas oscilācijas (pašierosme), kas, ja ir vāji izteikta, maitā izšķirtspēju, bet ja ir stipri izteikta, ar laiku var sagraut skeneri. Ar šo metodi ir iespējams samērā precīzi mērīt parauga veidojumu augstumu.
Adatas un parauga virsmas savstarpējie iedarbības spēki parasti ir van der Vālsa spēki, taču var būt arī elektrostatiskā vai magnētiskā pievilkšanās, ķīmiskā adhēzija, vai arī kādi citi spēki. Metodes, kurās uz adatu, bez van der Vālsa spēkiem iedarbojas citu savstarpējo iedarbīus spēki, parasti nodala atsevišķi. Ir pazīstamas divas virsmas detektēšanas metodes: kontaktmetode (contact mode) un dinamiskā kontakta metode (dynamic contact mode).
- Kontaktmetode. Šeit adata visu laiku ir saskarē ar virsmu un adatas, un virsmas savstarpējie iedarbības spēki ir visai lieli. Virsma te tiek detektēta pēc adatas atliekšanās. Šī metode tika izgudrota ātrāk, ir vienkāršāka un var nodrošināt lielākus skenēšanas ātrumus, taču nav lietojama mīkstiem materiāliem (var saskrāpēt) un adatas nodilst. Šeit lieto mīkstus cantileverus, kurus parasti izgatavo no silīcija nitrīda.
- Dinamiskā kontkta metode. Šo iedala arī sīkāk - bezkontakta metode (non contact mode), kur adata nepieskaras virsmai un punktēšanas metode (tapping mode), kur adata virsmai pieskaras tikai svārstību perioda apakšā. Šeit adatas un virsmas savstarpējās iedarbības spēki ir ~ 1000 reizes mazāki. Virsmu šeit detektē pēc cantilevera svārstību amplitūdas samazināšanās. Cantilevera svārstības tiek nodrošinātas ar pjezoleektriskām vai magnētiskām metodēm. Šeit 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 punktēšanas metode, tapēc, ka visas virsmas pārklājas ar plānu (dažu molekulu biezumā) ūdens kārtiņu, kas rada lielus kapilāros spēkus starp adatu un parauga virsmu. Mēģinot samazināt amplitūdu, lai lietotu bezkontakta metodi, adata vienkārši pielīp pie virsmas un tur arī paliek.
Atšķirībā no optiskā mikroskopa, AFM izšķirtspēja 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.
Atšķirībā no SEM, AFM darbībai nav nepieciešams vakuums, tas var darboties arī gaisā vai šķidrumā.
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, atšķirībā no optiskā un elektronu mikroskopa, kas iegūst tikai virsmas projekciju.
AFM izšķirtspēja 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. Dažām adatām galā ir šaura tieva struktūra (spike), ar mazākiem izmēriem. Tā ir trausla, un to var viegli nolauzt, taču ar to var panākt XY (lateral) izšķirtspējas līdz 1nm. Ja parauga virsmai nav asu kritumu vai kāpumu, augstas izšķirtspējas var sasniegt arī ar mazāk asu adatu, ja tā ir homogēna. AFM izšķirtspēja Z ass virzienā ir atkarīga no optiskā detektora izšķirtspējas uz Z skenera DAC (ciparanalogu pārveidotāja) stabilitātes (atkārtojamības), parasti šī izšķirtspēja ir augstāka par 100pm (šajā virzienā var izšķirt attālumus, kas mazāki par atoma diametru).
