Атомно-силовая микроскопия
-
Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
- Вид сканирующей зондовой микроскопии с высоким разрешением
- Разрешение порядка долей нанометра
- Пьезоэлектрические элементы обеспечивают точное сканирование
-
Основные возможности АСМ
- Измерение силы
- Топографическая съемка
- Манипулирование
-
Измерение силы
- Измерение усилий между зондом и образцом
- Проведение силовой спектроскопии
- Измерение механических свойств образца
-
Топографическая съемка
- Формирование изображения поверхности образца
- Растровое сканирование и запись высоты зонда
- Отображение рельефа поверхности в виде псевдоцветного графика
-
Манипулирование
- Контролируемое изменение свойств образца
- Атомные манипуляции, сканирующая зондовая литография
- Локальная стимуляция клеток
-
Другие технологии микроскопии
- АСМ не использует линзы или лучевое облучение
- Не страдает от дифракции и аберраций
- Не требует подготовки пространства и окрашивания образца
-
Конфигурация АСМ
- Пружинистая консоль, пьезоэлектрический элемент, острый наконечник
- Датчик регистрирует отклонение кантилевера
- Привод xyz перемещает образец и подставку для образца
-
Формирование изображения
- Контактный режим: сканирование образца по координатной сетке
- Электронный контур обратной связи регулирует расстояние между образцом и зондом
- Сигналы записываются на компьютер и отображаются в виде псевдоцветного изображения
-
История и приложения
- Изобретен учеными IBM в 1985 году
- Применяется в физике твердого тела, молекулярной биологии, клеточной биологии и медицине
- Используется для идентификации атомов, оценки взаимодействий и изучения изменений физических свойств
-
Принципы работы АСМ
- АСМ использует консоль с острым наконечником для сканирования поверхности образца.
- Кантилевер изготавливается из кремния или нитрида кремния с радиусом кривизны наконечника порядка нанометров.
- Силы, действующие между наконечником и образцом, измеряются с помощью закона Гука.
-
Режимы создания изображений
- Контактный режим: наконечник «протаскивается» по поверхности, контуры измеряются с помощью отклонения кантилевера.
- Режим постукивания: кантилевер колеблется на резонансной частоте, амплитуда колебаний регулируется сервоприводом.
- Бесконтактный режим: кантилевер колеблется на резонансной частоте или чуть выше, амплитуда колебаний поддерживается системой обратной связи.
-
Преимущества и недостатки режимов
- Контактный режим подвержен помехам и смещению, но позволяет получить высокое разрешение.
- Режим постукивания используется в условиях окружающей среды и жидкостей, уменьшает повреждение поверхности и наконечника.
- Бесконтактный режим не подвержен разрушению наконечника или образца, подходит для мягких образцов.
-
Формирование изображений
- Топографическое изображение строится путем изменения положения наконечника и записи измеряемой переменной.
- Цветовое отображение показывает интенсивность значения в виде оттенка, соответствие между интенсивностью и оттенком отображается в цветовой шкале.
-
Режимы работы АСМ
- Режимы работы АСМ делятся на две группы: с использованием z-контура обратной связи и без него.
- Режим constant XX использует z-контур для поддержания расстояния между зондом и образцом.
- Топографическое изображение основано на поддержании постоянной частоты кантилевера.
-
Силовая спектроскопия
- АСМ используется для измерения сил взаимодействия наконечника с образцом.
- Силовая спектроскопия позволяет измерять наноразмерные контакты и атомные связи.
- Проблемы включают отсутствие прямого измерения расстояния и защелкивание консолей.
-
Биологические приложения
- Силовая спектроскопия применяется в биофизике для измерения механических свойств живых материалов.
- АСМ используется для механического разворачивания белков и картографии поверхности частиц.
-
Идентификация атомов
- АСМ позволяет различать атомы на поверхности, измеряя химические взаимодействия.
- Силы взаимодействия должны быть точно измерены для каждого типа атомов.
-
Зонд АСМ
- Зонд АСМ имеет острый наконечник и изготавливается по технологии MEMS.
- Наконечники могут быть модифицированы для различных типов взаимодействия.
- Покрытия на наконечниках улучшают сигнал отклонения и увеличивают коэффициент отражения.
-
Усилия в зависимости от геометрии наконечника
- Силы между наконечником и образцом зависят от геометрии наконечника.
- Водяной мениск представляет интерес для измерений в воздухе.
-
Капиллярные силы в АСМ
- Капиллярные силы создают сильное притяжение между наконечником и поверхностью.
- Высокая адгезионная сила приводит к деградации мягких образцов.
- Динамические изображения в воздухе снижают разрушающие усилия.
-
Измерение отклонения консоли АСМ
- Метод отклонения балки использует лазерный луч для измерения отклонения.
- Пьезоэлектрическое обнаружение и лазерная доплеровская виброметрия также используются.
- Оптическая интерферометрия и емкостная детекция менее распространены.
-
Пьезоэлектрические сканеры
- Сканеры изготавливаются из пьезоэлектрического материала.
- Трубчатый сканер обеспечивает лучшую виброизоляцию, но может вызывать искажения.
- Модуль изгиба использует отдельные пьезоэлементы для каждой оси.
-
Преимущества и недостатки АСМ
- АСМ обеспечивает трехмерный профиль поверхности, в отличие от СЭМ.
- Образцы не требуют специальной обработки и не страдают от артефактов заряда.
- Пьезоэлектрические сканеры требуют калибровки, но чувствительность снижается со временем.
-
Преимущества АСМ
- Работает в атмосферном воздухе или жидкой среде
- Обеспечивает высокое разрешение, сравнимое с СЭМ и просвечивающей электронной микроскопией
- Может быть объединена с оптической микроскопией и спектроскопией
-
Недостатки АСМ
- Небольшой размер сканируемого изображения
- Низкая скорость сканирования
- Тепловое смещение изображения
- Нелинейность, гистерезис и ползучесть пьезоэлектрического материала
-
Методы улучшения
- Использование параллельных зондов
- Быстродействующие конструкции, такие как videoAFM
- Программное обеспечение для коррекции в реальном времени
- Отдельные ортогональные сканеры
-
Применение в различных областях
- Нанобиомеханика
- Изучение взаимодействия наночастиц с клетками
- Визуализация и изучение топографии клеток
- Анализ взаимодействия патогенов и лекарственных средств
-
Дополнительные методы
- Атомно-силовая спектроскопия в реальном времени
- Динамическая атомно-силовая спектроскопия
- Электрохимическая АСМ
- Отображение силы трения
- Нано-FTIR
- Фотопроводящая атомно-силовая микроскопия
- Сканирующая микроскопия под напряжением
- Устройство для измерения поверхностных сил