ab

Hvordan vælger man Atom Force Microscope (AFM)?

Kort historie om udvikling af mikroskoper

• Første generation:Optisk mikroskop(opfundet i det 17. århundrede)

• Anden generation: Elektronmikroskop (1932)

I 1933, Ruska og Knoll, Tyskland: det første scanningselektronmikroskop (SEM), som krævede højt vakuum og ikke kunne skelne atomer;
Transmissionselektronmikroskopi (TEM), højvakuum-, bulk- og grænsefladeundersøgelser af tyndtlagsprøver, høj pris;
Feltelektronmikroskop (FEM) og feltionmikroskop (FEM) detekterer atomstrukturen på spidsen af r<100nm, og prøveforberedelsen er kompliceret;

• Tredje generation: Scanning Probe Mikroskopi(SPM) (1982)

1982 IBM Zurich Laboratory og Binnig Rohrer, den første nye type overfladeanalyseinstrument - Scanning Tunneling Microscope (STM);
1986 Binnig, Quate og Gerber opfinder det første atommikroskop (AFM)

Scanning Probe Microscope (SPM) sammenlignet med andre mikroskopier

De vigtigste mikroskopiske analyseteknikker på nuværende tidspunkt:

Første generation:Optisk mikroskop(Herunder interferens, konfokal og digital holografi)
Anden generation:Elektronmikroskop(HovedsageligSEMogTEM)
Tredje generation: Scanning Probe Mikroskopi(SPM)

Sammenligning af opløsning af tre generationer af mikroskoper

Hvad er Scanning Probe Microscopy (SPM)

Scanning Probe Microscope (SPM), er tredje generations mikroskop, som navnet antyder, er det scanning + probe + mikroskop. Princippet for SPM er at bruge en sonde til at scanne overfladen af prøven med en rasterlinje og til at registrere prøvens overfladetræk og opnå et billede ved at detektere interaktionen mellem sonden og prøven.

Klassificering af scanning probe mikroskop (SPM)

Ifølge forskellen i detektionskraften mellem sonden og prøven,Scanning Probe Microscopy (SPM)kan opdeles i to kategorier, nemligScanning Tunneling Microscopy (STM), som bruger strøm til at detektere, ogAtomic Force Microscope (AFM), som bruger forskellige kræfter til at opdage.

AFMkan også opdeles i magnetisk kraftmikroskop, friktionskraftmikroskop, lateral kraftmikroskop, kemisk kraftmikroskop, elektrostatisk kraftmikroskop og andre typer i henhold til de forskellige kræfter.

Forskelle mellemSTMogAFMapplikationer:

Scanning Tunneling Microscope (STM) bruges hovedsageligt til undersøgelse af ledere,
Atomic Force Microscopy (AFM) kan bruges ikke kun til undersøgelse af ledere, men også til undersøgelse af ikke-ledere.

Dybdeskarphed, prøveforberedelse af forskellige mikroskoper

Fordele og ulemper ved Scanning Probe Microscope (SPM)

Som en ny type mikroskopværktøj har SPM indlysende fordele sammenlignet med tidligere mikroskopanalyseinstrumenter:

• SPM har ekstrem høj opløsning, såsom STM parallel og vinkelret på prøvens overfladeretning kan nå 0,1 nm og 0,01 nm.

• SPM opnår et 3D-billede i realtid i høj opløsning af prøveoverfladen, som adskiller sig fra nogle analytiske instrumenter gennem indirekte eller beregningsmetoder til at estimere prøvens overfladestruktur.

• SPM muliggør direkte observation af overfladedefekter, overfladeombygning, morfologi og placering af overfladeadsorbater og overfladeomdannelse induceret af adsorbenter.

• Brugsmiljøet for SPM er løst, det kan ikke kun fungere i vakuum, men også i atmosfære, lav temperatur, normal temperatur, høj temperatur og endda i opløsning.

• SPM kræver ikke specielle prøveforberedelsesteknikker, og påvisningsprocessen er grundlæggende uskadelig for prøven.

• I forbindelse med scanning tunneling spektroskopi kan der opnås information om overfladestrukturen, såsom tætheden af tilstande på forskellige niveauer af overfladen, overfladeelektronfælder, ændringer i overfladepotentialbarrierer mv.

• Samtidig har SPM også nogle ulemper

• Scanningshastighed. Da dens arbejdsprincip er at kontrollere en sonde med en vis kvalitet til scanning af billeddannelse, er scanningshastigheden begrænset, og detektionseffektiviteten er lavere end andre mikroskopimetoder.

• Scanningsområde. Begrænset af strækningsområdet for piezoelektrisk keramik er det maksimale scanningsområde for SPM i intervallet fra ti til hundredvis af mikron.

• positioneringsnøjagtighed. Fordi piezoelektrisk keramik har et lille bevægelsesområde under forudsætningen af at sikre positioneringsnøjagtighed, og den mekaniske justeringsnøjagtighed ikke kan forbindes med det, kan det ikke opnå storstilet kontinuerlig zoom, såsom elektronmikroskoper, og det er svært at lokalisere og finde karakteristiske strukturer.

• Prøveoverfladeruhed. Rørformede piezoelektriske scannere er meget udbredt i øjeblikket, og deres lodrette strækningsområde er 1/10 af det plane scanningsområde. Hvis overfladebølgen af prøven, der skal testes, overstiger scanningsrørets ekspansions- og kontraktionsområde, vil det medføre, at systemet fejler eller endda beskadiger sonden.

• Nåleskarphed. Da systemet udleder overfladetopografien ved at detektere sondens bevægelsesbane, når den scanner prøven, vil den geometriske bredde, krumningsradius og anisotropi af sonden forårsage billedforvrængning.

Grundlæggende principper for Atomic Force Microscope (AFM)

Den ene ende af en cantilever, som er ekstremt følsom over for svag kraft, er fikseret, og den anden ende har en lille nålespids. Nålespidsen er i let kontakt med prøveoverfladen. På grund af den ekstremt svage frastødende kraft mellem atomerne ved spidsen af nålespidsen og atomerne på prøveoverfladen, ved at kontrollere dette under scanning. Når kraften er konstant, vil cantileveren med spidsen svinge i retningen vinkelret på prøvens overflade svarende til isoplanet for kraften mellem spidsen og prøvens overfladeatomer. Ved hjælp af den optiske detektionsmetode eller tunnelstrømdetektionsmetoden kan positionsændringen af mikrocantileveren svarende til hvert scanningspunkt måles, således at informationen om prøvens overfladetopografi kan opnås.

Sammensætning og arbejdsdiagram af Atomic Force Microscope (AFM)

Atomkraftmikroskopets AFM-system er opdelt i fire dele: kraftdetekteringsdel, positionsdetekteringsdel, feedback elektronisk system, piezoelektrisk scanningssystem.

1. Force Detection Cantilever

I et atomic force microscope (AFM) system er kraften, der skal detekteres, van der Waals-kraften mellem atomer. Så i dette system bruges en lille cantilever (Cantilever) til at detektere ændringen af kraften mellem atomer. Den lille cantilever har visse specifikationer, såsom: længde, bredde, elasticitetsmodul og form på spidsen, og valget af disse specifikationer er baseret på egenskaberne for prøven og de forskellige driftstilstande, og forskellige typer prober vælges.

2. Placer følsom fotodetektor

Når nålespidsen interagerer med prøven, vil cantileveren svinge, så når laseren bestråler enden af cantileveren, vil positionen af det reflekterede lys også ændre sig på grund af udkragningens sving. , hvilket resulterer i en offset. I hele systemet bruges laserpunktpositionsdetektoren til at registrere forskydningen og konvertere den til et elektrisk signal, så controlleren kan udføre signalbehandling.

3. Feedback elektronisk system: Feedback loop

AFM feedback kontrol fuldføres af computersystem og elektronisk kredsløb. Driften af AFM er realiseret under kontrol af højhastigheds og kraftfuld computer. Styresystemet har to hovedfunktioner: (1) Giver drivspændingen til at styre XY-retningsscanningen af den piezoelektriske transducer; (2) Oprethold en konstant værdi af det analoge inputsignal fra mikroskopdetektionsløkken i konstant krafttilstand. Computeren læser og sammenligner sløjfespændingen (dvs. forskellen mellem den indstillede værdi og den faktiske målte værdi) gennem A/D-konvertering. I henhold til de forskellige spændingsværdier udsender styresystemet kontinuerligt den tilsvarende spænding for at justere udvidelsen og sammentrækningen af den piezoelektriske sensor i Z-retningen for at korrigere afvigelsen indlæst i A/D-konverteren og derved opretholde udgangsspændingen fra sammenligningssløjfen konstant.
Det elektroniske kredsløbssystem spiller rollen som at forbinde computeren og scanningssystemet. Det elektroniske kredsløb leverer spænding til det piezoelektriske keramiske rør, modtager signalet fra den positionsfølsomme anordning og danner et feedbacksystem til styring af afstanden mellem nålespidsen og prøven.

4. Piezoelektrisk scanner

Den præcise kontrol af AFM-scanningen af prøven opnås af scanneren. En piezoelektrisk transducer er installeret i scanneren, og den piezoelektriske enhed styrer nøjagtigt positionen af prøven eller sonden i de tre retninger X, Y og Z.
På nuværende tidspunkt er matrixmaterialet i scanneren hovedsageligt et piezoelektrisk keramisk materiale fremstillet af blyzirkonattitanat [Pb(Ti,Zr)O3]. Piezoelektrisk keramik har piezoelektrisk effekt, det vil sige, at de har krympningsegenskaber, når en spænding påføres, og krympningsgraden er proportional med den påførte spænding. Piezoelektrisk keramik kan konvertere spændingssignaler fra 1mV til 1000V til forskydninger fra tiendedele af en nanometer til flere mikrometer.

Force & Working Mode of Atomic Force Microscope (AFM)

Der er flere forskellige interaktionskræfter mellem spidsen af AFM og prøven, som er anført i følgende tabel. Ifølge forskellige kræfter kan AFM udvides til en række forskellige arbejdstilstande: fasetilstand, magnetisk tilstand, elektrostatisk krafttilstand, udvidet modstand, lateral kraft, kraftmodulation osv.

AFM's arbejdsformer klassificeres i form af kraften mellem sonden og prøven. Der er tre hoveddriftstilstande: Kontakttilstand, Ikke-kontakttilstand og Tappetilstand.

Kontakttilstand

Kontakttilstand er den mest direkte billeddannelsestilstand i AFM. Under hele scanningsprocessen er probespidsen altid i tæt kontakt med prøveoverfladen, og interaktionskraften mellem de to er en frastødende kraft, og kraftens størrelse varierer fra 10-10 til 10-6N. Under scanning har kraften, der udøves af cantileveren på spidsen, potentialet til at beskadige prøvens overfladestruktur. Kontakttilstand er ikke egnet til at teste prøver med bløde overflader.

Fordele:Hurtig scanningshastighed, den eneste tilstand, der kan opnå billeder med "atomopløsning".
Ulempe:Lateral kraft påvirker billedkvaliteten. I luften er adhæsionen mellem nålespidsen og prøven meget stor på grund af det adsorberede væskelags kapillære virkning på overfladen af prøven. Den kombinerede kraft af sidekraften og klæbekraften fører til et fald i billedets rumlige opløsning. At ridse prøven med spidsen kan også beskadige bløde prøver (såsom biologiske prøver, polymerer osv.).

Ikke-kontakt tilstand

Når prøveoverfladen sonderes i berøringsfri tilstand, svinger cantileveren i en afstand på 5-10 nm over prøveoverfladen. På dette tidspunkt styres interaktionen mellem prøven og nålespidsen af van der Waals-kraften, normalt 10 - 12 N, prøven vil ikke blive ødelagt, og nålespidsen vil ikke blive forurenet, især velegnet til at studere overfladen af bløde genstande. Ulempen ved denne driftsform er, at det er meget vanskeligt at opnå denne tilstand i en atmosfære med stuetemperatur. Fordi et tyndt lag vand uundgåeligt samler sig på overfladen af prøven, skaber det en lille kapillærbro mellem prøven og spidsen, der trækker spidsen og overfladen sammen, hvilket øger spidsens tryk mod overfladen.

Fordel:Ingen kraft virker på prøveoverfladen.
Ulempe:Bruges normalt kun til prøver, der er meget bange for vand. Fordi nålespidsen er adskilt fra prøven, er den laterale opløsning lav; for at undgå kontakt med adsorptionslaget og få nålespidsen til at klæbe, er scanningshastigheden lavere end for tapping Mode og Contact Mode AFM, og adsorptionsvæskelaget på prøveoverfladen skal være meget tyndt, hvis det er for tyk, kan nålespidsen synke ned i væskelaget, hvilket forårsager feedback-ustabilitet og ridser prøven.

Tappetilstand

Tappetilstanden er mellem kontakttilstanden og den ikke-kontakttilstand, som er et hybridkoncept. Cantileveren oscillerer ved sin resonansfrekvens over prøveoverfladen, og spidsen rører/banker kun kort og periodisk på prøveoverfladen. Dette betyder, at den laterale kraft, der genereres af, at spidsen kommer i kontakt med prøven, reduceres betydeligt. Derfor er aftapningstilstanden for AFM et af de bedste valg, når man detekterer budprøver. Når først AFM begynder at afbilde og scanne prøven, vil enheden derefter indlæse relevante data i systemet, såsom overfladeruhed, gennemsnitlig højde, maksimal afstand mellem toppe og dale osv., til overfladeanalyse af objektet. Samtidig kan AFM også fuldføre kraftmålingsarbejdet ved at måle bøjningsgraden af cantileveren for at bestemme kraften mellem spidsen og prøven.

Fordele:Påvirkningen af lateral kraft er godt elimineret, kraften forårsaget af adsorptionsvæskelaget reduceres, og billedopløsningen er høj. Ideel til at se bløde, skøre eller klæbrige prøver uden at beskadige overfladen.
Ulempe:langsommere scanningshastighed end kontakttilstand.

Anvendelsesområder for Atomic Force Microscope (AFM)

Materialevidenskab:Overflademorfologi, ruhed, mekaniske egenskaber, lokale elektriske egenskaber osv. af mikronanomaterialer, hovedsageligt inklusive metaller, legeringer, tynde film, krystaller, keramik, polymerer, kompositmaterialer osv.;

Halvleder og mikroelektronik:3D-struktur af chip- eller waferoverflade, ruhed, defektdetektering, lokale elektriske egenskaber osv.;

Biologi og medicin:DNA, protein, celle, virus, biologisk makromolekylær in situ billeddannelse og forskning osv.;
Fysik og kemi: Opdag den atomare struktur af materialeoverfladen, undersøg vekselvirkningskraften mellem atomer, overfladekemiske reaktioner, observer ændringerne på atomniveau af kemiske reaktioner osv.;

Nano-undervisning:undervisning i nanoteknologi, observation af nanostrukturer på materialers overflade, indlæring af den grundlæggende teoretiske viden om nanometre, og opdyrkning af elevernes interesse for videnskabelig forskning mv.

Fordelen ved Atomic Force Microscope (AFM)

• AFM kan udføre tredimensionel billeddannelse og har ekstrem høj opløsning i både lateral og vertikal retning, som kan nå 0,2 nm i lateral retning og 0,05 nm i lodret retning;

• AFM opnår et realtids, reelt tredimensionelt billede af prøveoverfladen, som er forskellig fra nogle analytiske instrumenter, der udleder prøvens overfladestruktur gennem nogle softwarealgoritmer;

• AFM har ingen begrænsninger på de observerede prøvers reflektivitet og ledningsevne. Det kan måle ledende prøver, ikke-ledende prøver og biologiske prøver.

• Brugsmiljøet for AFM er løst, det kan ikke kun fungere i vakuum, men også i atmosfære, lav temperatur, normal temperatur, høj temperatur og endda i opløsning;

• AFM kræver ikke speciel prøveforberedelsesteknologi, og påvisningsprocessen beskadiger som udgangspunkt ikke prøven;

• Ud over at observere den tredimensionelle morfologi, ruhed, partikelstørrelse, filmtykkelse, overfladedefekter osv. af prøveoverfladen, kan AFM også detektere de mekaniske, elektriske og termiske egenskaber af mikroskopiske stoffer.

• Opto-Edu Atomic Force Microscope (AFM) modeller

A64.4500 Undervisningsniveau, Atomic Force Microscope (AFM)

Undervisningsniveau Separat controller & hovedhusdesign, med tappetilstand, 4x objektiv, økonomisk model til undervisning.

◆ Miniaturiseret og aftageligt design, meget let at bære og lære

◆ Laserdetektionshovedet og prøvescanningstrinnet er integreret, strukturen er meget stabil, og anti-interferensen er stærk

◆ Præcisionssondepositioneringsenhed, laserpunktjustering er meget let

◆ Den enkeltaksede drevprøve nærmer sig automatisk sonden lodret, så nålespidsen er vinkelret på prøvescanningen

◆ Den intelligente nålefremføringsmetode med motorstyret piezoelektrisk keramisk automatisk detektion under tryk beskytter sonden og prøven

◆ Automatisk optisk positionering, ingen grund til at fokusere, realtidsobservation og positionering af sondeprøvescanningsområdet

◆ Fjederophæng stødsikker metode, enkel og praktisk, god stødsikker effekt

◆ Integreret scanner ikke-lineær korrektion brugereditor, nanometer karakterisering og målenøjagtighed bedre end 98%

Klik for at se detaljer om A62.4500

A62.4501 Basic Level, Atomic Force Microscope (AFM)

Grundlæggende niveau, separat controller & hovedkroppsdesign, med kontakttilstand, tappetilstand, 4x objektiv.

1. Scanningssonden og prøvetrinnet er integreret, og anti-interferensevnen er stærk;

2. Præcisionslaser og sondepositioneringsenhed, det er enkelt og bekvemt at udskifte sonden og justere stedet;

3. Brug prøven, der nærmer sig probemetoden, så nålespidsen er vinkelret på prøvescanningen;

4. Den automatiske pulsstyring af motoren driver prøven til at nærme sig sonden lodret for at opnå præcis positionering af scanningsområdet;

5. 4X objektiv linse optisk positionering, ingen grund til at fokusere, realtidsobservation og positionering af sondeprøvescanningsområdet;

6. Fjederophænget stødsikker metode er enkel og praktisk og har en stærk anti-interferensevne.

Klik for at se detaljer om A62.4501

A62.4503 Forskningsniveau, Atomic Force Microscope (AFM), Alt-i-én-design

Forskningsniveau, kombineret controller & hovedkroppsdesign, med kontakttilstand, tappetilstand, 10x mål.

1. Scanningssonden og prøvetrinnet er integreret, og anti-interferensevnen er stærk;

2. Præcisionslaser og sondepositioneringsenhed, det er enkelt og bekvemt at udskifte sonden og justere stedet;

3. Brug prøven, der nærmer sig probemetoden, så nålespidsen er vinkelret på prøvescanningen;

4. Højpræcision og storskala piezoelektriske keramiske scannere kan vælges i henhold til forskellige krav til nøjagtighed og scanningsområde;

5. Optisk positionering af 10X APO objektivlinse, ingen grund til at fokusere, realtidsobservation og positionering af sondeprøvescanningsområdet;

6. Fjederophænget stødsikker metode er enkel og praktisk og har en stærk anti-interferensevne.

Klik for at se detaljer om A62.4503

A62.4505 Optisk + Atomic Force Mikroskop

Kombineret optisk mikroskop + AFM All-in-One, A62.4505 har Infinity Plan LWD APO objektiv 5x10x20x50x, okular 10x, 5,0M digitalkamera, 10" LCD-skærm med målefunktion, LED kohler-belysning til at se prøven under både optisk tilstand og AFM-tilstand.

1. Integreret design af optisk mikroskop og atomkraftmikroskop, integreret fotoelektrisk kontrol;

2. Det har både optiske og atomic force mikroskop billeddannelsesfunktioner, som begge kan scannes og afbildes på samme tid uden at påvirke hinanden;

3. Samtidig har det funktionerne optisk todimensionel måling og atomkraftmikroskop tredimensionel måling;

4. Det lodrette optiske banedesign er vedtaget, og gas-væske dual-purpose sondeholderen kan bruges i luft eller væske på samme tid;

5. Optisk positioneringssystem med høj forstørrelse bruges til at opnå præcis positionering af sonde og prøvescanningsområde;

6. Den bærbare laserpunktsjusteringsmetode kan observere og justere stedet i realtid gennem det optiske CCD-vindue;

7. Udstyret med et pneumatisk stødabsorberende bord, som har stærk anti-interferensevne og ikke påvirker instrumentets funktion;

Klik for at se detaljer om A62.4505

Opto-Edu Gantry Type Atomic Force Microscope (AFM)

A62.4510 Probe Scanning Atomic Force Mikroskop

A62.4511 Plane Scanning Atomic Force Microscope

A62.4510 + Piezoelektrisk Shift-scanningstrin =A62.4511

◆ Det første atomkraftmikroskop i Kina til at holde prøven stille, og sonden bevæger sig og scanner;

◆Den første i Kina til at bruge en lukket treakset uafhængig trykskift-scanner, som kan scanne med høj præcision i et bredt område;

◆Prøvens størrelse og vægt er stort set ubegrænset, især velegnet til påvisning af store prøver; prøve område af interesse;

◆ Gantry scanningshoveddesign, marmorbase, vakuumadsorptionstrin;

◆ Intelligent nåletilførselsmetode med automatisk detektion af motorstyret piezoelektrisk keramik for at beskytte sonder og prøver;

◆ Automatisk optisk positionering, ingen grund til at justere fokus, realtidsobservation og positionering af sondeprøvescanningsområde;

◆ Udstyret med lukket metalskjold, pneumatisk stødabsorberende bord, stærk anti-interferensevne;

◆ Integreret scanner ikke-lineær korrektion bruger editor, nanometer karakterisering og målingen nøjagtighed er bedre end 98%.

Klik for at se detaljer om A62.4510
Klik for at se detaljer om A62.4511

Prøvebilleder af Atomic Force Microscope (AFM)