Atomspēku mikroskops

Atomspēku mikroskops (angļu: AFM, atomic force microscope) ir speciāla veida skenējošais mikroskops (SPM), kas tika izgudrots 1986. gadā. Ar šo mikroskopu attēlu iegūst pa punktiem, vienu attēla punktu laika vienībā.

AFM blokshēma

AFM uzbūve

AFM sistēma sastāv no:

• konsoles jeb sviras (cantilever). Tās garums ir 100-500 um, platums ≈30-50 um un biezums 0,5-5 um. Tās galā ir asa adata (tip), asā gala rādiuss ir 10-30nm;
• pjezoelektriska skenera (caurule, kas var locīties un mainīt garumu, atkarībā no pieliktā sprieguma);
• Konstrukcijas, kas šos komponentus satur kopā (stage). Šai konstrukcijai ir jānodrošina noturība pret vibrācijām un tā sākumā bija lielākā problēma.

Skeneris var būt sasaistīts vai nu ar apskatāmo paraugu (paraugs kustās zem adatas), vai arī ar sviru (adata kustas virs parauga).

Svira darbojas kā plakana atspere, un to ir iespējams izgatavot pietiekami mīkstu, lai tā spētu atliekties starpmolekulāro spēku iedarbībā. Šo atliekšanos parasti mēra, lietojot lāzera stara atstarošanos no sviras 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 (gain) 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, bojā izšķirtspēju, bet ja ir stipri izteikta, ar laiku var sagraut skeneri. Ar šo metodi ir iespējams samērā precīzi mērīt parauga veidojumu augstumu.

Darbības princips

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 iedarbību 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 mīkstas sviras, kuras parasti izgatavo no silīcija nitrīda.
• Dinamiskā kontakta 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 apmēram 1000 reizes mazāki. Virsmu šeit detektē pēc sviras svārstību amplitūdas samazināšanās. Sviras svārstības tiek nodrošinātas ar pjezoelektriskām vai magnētiskām metodēm. Šeit lieto cietākas sviras, kurus izgatavo no silīcija, jo tos var izgatavot ar asākām adatām un augstākām rezonanses frekvencēm. Gaisā, kur ir vismaz neliels relatīvais mitrums, praktiski vienmēr lieto punktēšanas metodi, tāpēc, 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.

Iespējas un īpašības

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 (svirai 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 veido 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).

Skatīt arī

• Elektronu mikroskops