Mikroskopia sił atomowych - korek.uci.agh.edu.plkorek.uci.agh.edu.pl/dydaktyka/fizykapowierzchni/7 AFM.pdf · Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM Ostrze jest umocowane na

AFM

Mikroskopia sił atomowych

Siły van der Waalsa

F(r)

6212111)(r

cr

crV −=

Siły van der Waalsa

Mod kontaktowy

Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka – ostrze od odległości ostrza od próbki:

• tryb kontaktowy (contact mode)

• tryb bezkontaktowy (non-contact mode)

• tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode)

Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM

Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości 100-200µm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.

Metody pomiaru odchylenia dźwigni

Detekcja AFM / L(lateral)FMPomiar skręcenia dźwigni – czteropozycyjny PSPD (fotodetektor pozycyjny)

Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM

AFM / LFM

Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).

Obrazy LFM

Obrazy topografii i sił lateralnych uzyskane równocześnie dla tego samego obszaru próbki (2.45 x 2.45 µ). Próbka jest monowarstwą Langmuir’a – Blodgett (LB) osadzoną na powierzchni krzemu. Warstwa zawiera „wyspy” dwóch składników. Różnica w wysokości między dwoma składnikami wynosi ok. 1nm. Obszary odpowiadające różnym fazom mają różne tarcie, co jest widoczne na obrazie LFM.

Tryb kontaktowy:

•Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar odpychających sił van der Waalsa).

•Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia) swobodnego końca dźwigni z ostrzem podczas skanowania próbki.

[N] zcF ∆−=c – stała sprężystości dźwigni∆z – wychylenie dźwigni

Tryb kontaktowy (siły)• całkowita siła, jaką ostrze działa na próbkę:

VDWadhc FFFF −+=

Fc – siła wywierana na próbkę przez dźwignięFadh – siła adhezji (kapilarna, elektrostatyczna)FVDW – siła van der Waalsa

Krzywe siła - odległość

Tryb kontaktowy (ostrza)• ostrze o małej stałej sprężystości (c<1N/m) pozwala zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si3N4)•długość dźwigni ~100-200µm;

• proces prefabrykacji ostrza

Tryb bezkontaktowy• odległość ostrza od próbki ~10 – 100 nm(obszar przyciągających sił van der Waalsa); słabsze siły => detekcja AC• dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej); możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością rezonansową f

[Hz] 21

mc

f eff

π=

m – efektywna masa dźwigni i ostrzaceff – efektywna stała sprężystości

[N/m] zFcceff ∂∂

−=

Tryb bezkontaktowy (detekcja)• zmiana stałej sprężystości dźwigni w obecności gradientu siły powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej dźwigni

[Hz] /10 czFff ∂∂

−=

Metody detekcji zmiany częstotliwości rezonansowejDetekcja amplitudy

• dźwignia oscyluje z ustaloną częstotliwością fex > f0• gdy dF/dz = 0 amplituda oscylacji jest trochę niższa od amplitudy dla f0• zmiana częstotliwości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy drgań dźwigni

Detekcja częstotliwości• dźwignia oscyluje z rezonansową częstotliwością f;• zmiana częstotliwości jest mierzona bezpośrednio;

Tryb z przerywanym kontaktem(Tapping Mode)

• oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej(f ~ 50 – 500 kHz)

• duża amplituda oscylacji (>20 nm) kiedy ostrze nie jest w kontakcie z próbką• oscylujące ostrze jest zbliżane do próbki i zaczyna uderzać w próbkę (tapping)

Tapping Mode (ostrza)Cechy dźwigni i ostrza pracującego w trybie Tapping Mode:• krótka, sztywna dźwignia z krzemu ze zintegrowanym ostrzem• duża stała sprężystości dźwigni (c = 20 – 80 N/m.)• wysoka częstotliwość rezonansowa (f = 200 – 400 kHz)

Tryby pracy AFM (porównanie)

Tryb kontaktowy:• duża rozdzielczość obrazów• duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni• możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza

Tryb bezkontaktowy: • mniejsza rozdzielczość obrazów

Tryb z przerywanym kontaktem:•możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni)• dobra zdolność rozdzielcza

Tryby pracy (porównanie)

Tapping Mode

Kontakt

Warstwa epitaksjalna Si (100).

Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.

Pierwotniak Tetrahymena. Obraz otrzymany w trybie TappingMode. Rozmiary obrazu – 50 x 50 µm.

Obraz warstwy bakterii Deinococcus radiodurans (HPI). Tryb Tapping Mode. Rozmiar – 220 x 220 nm.

MFM

Mikroskopia sił magnetycznych

Zasada MFM

( ) 0 tippróbkatip dVHMF ∫ ⋅∇=rrr

µ

Tip pokryty warstwą magnetyczną

Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych wywołanych niejednorodnościami namagnesowania

Separacja topografii i obrazu MFM

Zwiększenie odległości

Topografia (w kontakcie)

Magnetyzm

Źródło rozproszonego pola magnetycznego

topografia

magnetyzm

topografia Struktura magnetyczna

Obrazy magnetycznych nośników danych.

Dysk twardy Dysk „zip”