ab

Bagaimana Memilih Atom Force Microscope (AFM)?

Sejarah Singkat Perkembangan Mikroskop

• Generasi pertama:Mikroskop optik(ditemukan pada abad ke-17)

• Generasi Kedua: Mikroskop Elektron (1932)

Pada tahun 1933, Ruska dan Knoll, Jerman: mikroskop elektron pemindaian pertama (SEM), yang membutuhkan vakum tinggi dan tidak dapat membedakan atom;
Mikroskop elektron transmisi (TEM), vakum tinggi, studi massal dan antarmuka sampel lapisan tipis, harga tinggi;
Mikroskop elektron medan (FEM) dan mikroskop ion medan (FEM) mendeteksi struktur atom pada ujung r<100nm, dan preparasi sampelnya rumit;

• Generasi Ketiga: Scanning Probe Microscopy (SPM) (1982)

1982 IBM Zurich Laboratory dan Binnig Rohrer, jenis baru pertama instrumen analisis permukaan - Scanning Tunneling Microscope (STM);
1986 Binnig, Quate dan Gerber menemukan mikroskop atom pertama (AFM)

Scanning Probe Microscope (SPM) Dibandingkan dengan Mikroskop Lainnya

Teknik analisis mikroskopis utama saat ini:

Generasi pertama:Mikroskop optik(Termasuk Interferensi, Confocal, dan Holografi Digital)
Generasi kedua:Mikroskop elektron(TerutamaSEMdanTEM)
Generasi Ketiga: Scanning Probe Microscopy (SPM)

Perbandingan Resolusi Mikroskop Tiga Generasi

Apa itu Scanning Probe Microscopy (SPM)

Scanning Probe Microscope (SPM), adalah mikroskop generasi ketiga, sesuai dengan namanya, yaitu scanning + probe + mikroskop. Prinsip SPM adalah menggunakan probe untuk memindai permukaan sampel dengan garis raster, dan untuk merekam fitur permukaan sampel dan mendapatkan gambar dengan mendeteksi interaksi antara probe dan sampel.

Klasifikasi Scanning Probe Microscope (SPM)

Menurut perbedaan kekuatan deteksi antara probe dan sampel,Scanning Probe Microscopy (SPM)dapat dibedakan menjadi dua kategori, yaituScanning Tunneling Microscopy (STM), yang menggunakan arus untuk mendeteksi, danMikroskop Gaya Atom (AFM), yang menggunakan kekuatan berbeda untuk mendeteksi.

AFMjuga dapat dibagi menjadi mikroskop gaya magnet, mikroskop gaya gesekan, mikroskop gaya lateral, mikroskop gaya kimia, mikroskop gaya elektrostatik dan jenis lainnya sesuai dengan gaya yang berbeda.

Perbedaan antaraSTMdanAFMaplikasi:

Scanning Tunneling Microscope (STM) terutama digunakan untuk mempelajari konduktor,
Atomic Force Microscopy (AFM) dapat digunakan tidak hanya untuk mempelajari konduktor, tetapi juga untuk mempelajari non-konduktor.

Depth of Field, Persiapan Sampel Mikroskop yang Berbeda

Kelebihan dan Kekurangan Scanning Probe Microscope (SPM)

Sebagai alat mikroskop jenis baru, SPM memiliki keunggulan yang jelas dibandingkan dengan alat analisis mikroskop sebelumnya:

• SPM memiliki resolusi yang sangat tinggi, seperti STM paralel dan tegak lurus dengan arah permukaan sampel dapat mencapai 0.1nm dan 0.01nm.

• SPM memperoleh gambar 3D resolusi tinggi real-time dari permukaan sampel, yang berbeda dari beberapa instrumen analitik melalui metode tidak langsung atau komputasi untuk memperkirakan struktur permukaan sampel.

• SPM memungkinkan pengamatan langsung cacat permukaan, remodeling permukaan, morfologi dan lokasi adsorbat permukaan, dan remodeling permukaan yang disebabkan oleh adsorben.

• Lingkungan penggunaan SPM longgar, dapat bekerja tidak hanya di ruang hampa, tetapi juga di atmosfer, suhu rendah, suhu normal, suhu tinggi, dan bahkan dalam larutan.

• SPM tidak memerlukan teknik preparasi sampel khusus, dan proses deteksi pada dasarnya tidak berbahaya bagi sampel.

• Dalam hubungannya dengan pemindaian spektroskopi tunneling, informasi tentang struktur permukaan dapat diperoleh, seperti keadaan kepadatan pada tingkat permukaan yang berbeda, perangkap elektron permukaan, perubahan penghalang potensial permukaan, dll.

• Pada saat yang sama, SPM juga memiliki beberapa kelemahan

• Kecepatan pemindaian. Karena prinsip kerjanya adalah mengontrol probe dengan kualitas tertentu untuk pemindaian pencitraan, kecepatan pemindaian terbatas, dan efisiensi deteksi lebih rendah daripada metode mikroskop lainnya.

• Rentang pemindaian. Dibatasi oleh rentang peregangan keramik piezoelektrik, rentang pemindaian maksimum SPM berada dalam kisaran puluhan hingga ratusan mikron.

• akurasi posisi. Karena keramik piezoelektrik memiliki rentang gerak yang kecil di bawah premis untuk memastikan akurasi pemosisian, dan akurasi penyesuaian mekanis tidak dapat dihubungkan dengannya, keramik ini tidak dapat mencapai pembesaran kontinu skala besar seperti mikroskop elektron, dan sulit untuk menemukan dan menemukan karakteristiknya. struktur.

• Kekasaran permukaan sampel. Pemindai piezoelektrik tubular banyak digunakan saat ini, dan rentang peregangan vertikalnya adalah 1/10 dari rentang pemindaian planar. Jika undulasi permukaan sampel yang akan diuji melebihi rentang ekspansi dan kontraksi tabung pemindai, itu akan menyebabkan sistem tidak berfungsi atau bahkan merusak probe.

• Ketajaman jarum. Karena sistem menyimpulkan topografi permukaan dengan mendeteksi lintasan gerak probe saat memindai sampel, lebar geometris, radius kelengkungan, dan anisotropi probe akan menyebabkan distorsi gambar.

Prinsip Dasar Mikroskop Gaya Atom (AFM)

Salah satu ujung kantilever, yang sangat sensitif terhadap gaya lemah, diperbaiki, dan ujung lainnya memiliki ujung jarum kecil. Ujung jarum berada dalam kontak ringan dengan permukaan sampel. Karena gaya tolak yang sangat lemah antara atom di ujung ujung jarum dan atom di permukaan sampel, dengan mengendalikan ini selama pemindaian. Ketika gaya konstan, kantilever dengan ujung akan berfluktuasi dalam arah tegak lurus terhadap permukaan sampel sesuai dengan isoplane gaya antara ujung dan atom permukaan sampel. Menggunakan metode deteksi optik atau metode deteksi arus terowongan, perubahan posisi mikrokantilever yang sesuai dengan setiap titik pemindaian dapat diukur, sehingga informasi topografi permukaan sampel dapat diperoleh.

Komposisi & Diagram Kerja Atomic Force Microscope (AFM)

Sistem AFM mikroskop gaya atom dibagi menjadi empat bagian: bagian deteksi gaya, bagian deteksi posisi, sistem elektronik umpan balik, sistem pemindaian piezoelektrik.

1. Kantilever Deteksi Paksa

Dalam sistem mikroskop gaya atom (AFM), gaya yang akan dideteksi adalah gaya van der Waals antar atom. Jadi dalam sistem ini, penopang kecil (Cantilever) digunakan untuk mendeteksi perubahan gaya antar atom. Kantilever kecil memiliki spesifikasi tertentu, seperti: panjang, lebar, modulus elastisitas dan bentuk ujung, dan pemilihan spesifikasi ini didasarkan pada karakteristik sampel dan mode operasi yang berbeda, dan berbagai jenis probe dipilih.

2. Posisikan Fotodetektor Sensitif

Ketika ujung jarum berinteraksi dengan sampel, kantilever akan berayun, sehingga ketika laser menyinari ujung kantilever, posisi cahaya yang dipantulkan juga akan berubah karena ayunan kantilever. , yang menghasilkan offset. Di seluruh sistem, detektor posisi titik laser digunakan untuk merekam offset dan mengubahnya menjadi sinyal listrik untuk pengontrol untuk melakukan pemrosesan sinyal.

3. Sistem Elektronik Umpan Balik: Putaran Umpan Balik

Kontrol umpan balik AFM dilengkapi dengan sistem komputer dan sirkuit elektronik. Pengoperasian AFM diwujudkan di bawah kendali komputer berkecepatan tinggi dan kuat. Sistem kontrol memiliki dua fungsi utama: (1) Memberikan tegangan penggerak untuk mengontrol pemindaian arah XY dari transduser piezoelektrik; (2) Pertahankan nilai konstan dari sinyal analog input dari loop deteksi mikroskop dalam mode gaya konstan. Komputer membaca dan membandingkan tegangan loop (yaitu perbedaan antara nilai yang ditetapkan dan nilai terukur yang sebenarnya) melalui konversi A/D. Menurut nilai tegangan yang berbeda, sistem kontrol terus-menerus mengeluarkan tegangan yang sesuai untuk menyesuaikan ekspansi dan kontraksi sensor piezoelektrik ke arah Z untuk memperbaiki pembacaan deviasi ke dalam konverter A/D, sehingga mempertahankan tegangan output dari loop perbandingan. konstan.
Sistem sirkuit elektronik memainkan peran menghubungkan komputer dan sistem pemindaian. Sirkuit elektronik memberikan tegangan untuk tabung keramik piezoelektrik, menerima sinyal dari perangkat sensitif posisi, dan membentuk sistem umpan balik untuk mengontrol jarak antara ujung jarum dan sampel.

4. Pemindai Piezoelektrik

Kontrol yang tepat dari pemindaian AFM sampel dicapai oleh pemindai. Transduser piezoelektrik dipasang di pemindai, dan perangkat piezoelektrik secara tepat mengontrol posisi sampel atau probe di tiga arah X, Y, dan Z.
Saat ini, bahan matriks pemindai terutama adalah bahan keramik piezoelektrik yang terbuat dari timbal zirkonat titanat [Pb(Ti,Zr)O3]. Keramik piezoelektrik memiliki efek piezoelektrik, yaitu memiliki karakteristik susut ketika diberikan tegangan, dan derajat penyusutan sebanding dengan tegangan yang diberikan. Keramik piezoelektrik dapat mengubah sinyal tegangan mulai dari 1mV hingga 1000V menjadi perpindahan mulai dari sepersepuluh nanometer hingga beberapa mikrometer.

Gaya & Mode Kerja Mikroskop Gaya Atom (AFM)

Ada beberapa gaya interaksi yang berbeda antara ujung AFM dan sampel, yang tercantum dalam tabel berikut. Menurut kekuatan yang berbeda, AFM dapat diperluas ke berbagai mode kerja: mode fase, mode magnetik, mode gaya elektrostatik, resistensi diperpanjang, gaya lateral, modulasi gaya, dll.

Mode kerja AFM diklasifikasikan dalam bentuk gaya antara probe dan sampel. Ada tiga mode operasi utama: Mode Kontak, Mode Non-Kontak, dan Mode Tapping.

Mode Kontak

Mode kontak adalah mode pencitraan AFM yang paling langsung. Selama seluruh proses pencitraan pemindaian, ujung probe selalu bersentuhan dengan permukaan sampel, dan gaya interaksi antara keduanya adalah gaya tolak, dan besarnya gaya berkisar antara 10-10 hingga 10-6N. Selama pemindaian, gaya yang diberikan oleh kantilever pada ujung memiliki potensi untuk merusak struktur permukaan spesimen, oleh karena itu. Mode kontak tidak cocok untuk menguji sampel dengan permukaan lunak.

Keuntungan:Kecepatan pemindaian cepat, satu-satunya mode yang dapat memperoleh gambar "resolusi atom".
Kerugian:Gaya lateral mempengaruhi kualitas gambar. Di udara, karena aksi kapiler dari lapisan cairan yang teradsorpsi pada permukaan sampel, adhesi antara ujung jarum dan sampel sangat besar. Gaya gabungan gaya lateral dan gaya perekat menyebabkan penurunan resolusi spasial gambar. Selain itu, menggaruk sampel dengan ujungnya dapat merusak sampel lunak (seperti sampel biologis, polimer, dll.).

Mode Non-Kontak

Ketika permukaan sampel diperiksa dalam mode non-kontak, kantilever berosilasi pada jarak 5-10 nm di atas permukaan sampel. Pada saat ini, interaksi antara sampel dan ujung jarum dikendalikan oleh gaya van der Waals, biasanya 10 - 12 N, sampel tidak akan hancur, dan ujung jarum tidak akan terkontaminasi, sangat cocok untuk mempelajari permukaan. dari benda-benda lunak. Kerugian dari mode operasi ini adalah sangat sulit untuk mencapai mode ini dalam suasana suhu kamar. Karena lapisan tipis air tak terhindarkan terakumulasi pada permukaan sampel, itu menciptakan jembatan kapiler kecil antara sampel dan ujung, menarik ujung dan permukaan bersama-sama, meningkatkan tekanan ujung terhadap permukaan.

Keuntungan:Tidak ada gaya yang bekerja pada permukaan sampel.
Kerugian:Biasanya hanya digunakan untuk sampel yang sangat takut air. Karena ujung jarum terpisah dari sampel, resolusi lateralnya rendah; untuk menghindari kontak dengan lapisan adsorpsi dan menyebabkan ujung jarum menempel, kecepatan pemindaian lebih rendah daripada Mode Tapping dan Mode Kontak AFM, dan lapisan cairan adsorpsi pada permukaan sampel harus sangat tipis, jika terlalu tebal, ujung jarum Dapat tenggelam ke dalam lapisan cairan, menyebabkan ketidakstabilan umpan balik dan menggores sampel.

Mode Penyadapan

Mode penyadapan adalah antara mode kontak dan mode non-kontak, yang merupakan konsep hibrida. Kantilever berosilasi pada frekuensi resonansinya di atas permukaan sampel dan ujungnya hanya menyentuh/mengetuk permukaan sampel secara singkat dan berkala. Ini berarti bahwa gaya lateral yang dihasilkan oleh ujung yang menyentuh sampel berkurang secara signifikan. Oleh karena itu, mode penyadapan AFM adalah salah satu pilihan terbaik saat mendeteksi sampel tender. Setelah AFM mulai mengambil gambar dan memindai sampel, perangkat kemudian akan memasukkan data yang relevan ke dalam sistem, seperti kekasaran permukaan, tinggi rata-rata, jarak maksimum antara puncak dan lembah, dll., untuk analisis permukaan objek. Pada saat yang sama, AFM juga dapat menyelesaikan pekerjaan pengukuran gaya, mengukur tingkat tekukan kantilever untuk menentukan gaya antara ujung dan sampel.

Keuntungan:Pengaruh gaya lateral dihilangkan dengan baik, gaya yang disebabkan oleh lapisan cairan adsorpsi berkurang, dan resolusi gambar tinggi. Ideal untuk melihat sampel yang lunak, rapuh, atau lengket tanpa merusak permukaan.
Kerugian:kecepatan pemindaian lebih lambat daripada mode kontak.

Area Aplikasi Mikroskop Gaya Atom (AFM)

Ilmu Material:Morfologi permukaan, kekasaran, sifat mekanik, sifat listrik lokal, dll. dari bahan mikro-nano, terutama termasuk logam, paduan, film tipis, kristal, keramik, polimer, bahan komposit, dll .;

Semikonduktor dan mikroelektronika:Struktur 3D permukaan chip atau wafer, kekasaran, deteksi cacat, sifat listrik lokal, dll .;

Biologi dan kedokteran:DNA, protein, sel, virus, pencitraan dan penelitian biologi makromolekul in situ, dll.;
Fisika dan Kimia: Mendeteksi struktur atom permukaan material, mempelajari gaya interaksi antara atom, reaksi kimia permukaan, mengamati perubahan tingkat atom dari reaksi kimia, dll.;

Pendidikan nano-mengajar:pengajaran nanoteknologi, mengamati struktur nano pada permukaan bahan, mempelajari pengetahuan teoritis dasar nanometer, dan menumbuhkan minat siswa dalam penelitian ilmiah, dll.

Keuntungan Mikroskop Gaya Atom (AFM)

• AFM dapat melakukan pencitraan tiga dimensi, dan memiliki resolusi yang sangat tinggi baik dalam arah lateral maupun vertikal, yang dapat mencapai 0,2 nm pada arah lateral dan 0,05 nm pada arah vertikal;

• AFM memperoleh gambar tiga dimensi real-time dari permukaan sampel, yang berbeda dari beberapa instrumen analitik yang menyimpulkan struktur permukaan sampel melalui beberapa algoritme perangkat lunak;

• AFM tidak memiliki batasan pada reflektifitas dan konduktivitas sampel yang diamati. Itu dapat mengukur sampel konduktif, sampel non-konduktif, dan sampel biologis.

• Lingkungan penggunaan AFM longgar, dapat bekerja tidak hanya di ruang hampa, tetapi juga di atmosfer, suhu rendah, suhu normal, suhu tinggi, dan bahkan dalam larutan;

• AFM tidak memerlukan teknologi preparasi sampel khusus, dan proses deteksi pada dasarnya tidak merusak sampel;

• Selain mengamati morfologi tiga dimensi, kekasaran, ukuran partikel, ketebalan film, cacat permukaan, dll. dari permukaan sampel, AFM juga dapat mendeteksi sifat mekanik, listrik, dan termal zat mikroskopis.

• Model Opto-Edu Atomic Force Microscope (AFM)

A64.4500 Tingkat Pengajaran, Mikroskop Gaya Atom (AFM)

Tingkat Pengajaran Kontroler terpisah & desain bodi utama, dengan Mode Tapping, 4x Objective, model ekonomi untuk mengajar.

Desain mini dan dapat dilepas, sangat mudah dibawa dan diajarkan

Kepala deteksi laser dan tahap pemindaian sampel terintegrasi, strukturnya sangat stabil, dan anti-interferensinya kuat

Perangkat pemosisian probe presisi, penyesuaian penyelarasan titik laser sangat mudah

Sampel penggerak sumbu tunggal secara otomatis mendekati probe secara vertikal, sehingga ujung jarum tegak lurus dengan pemindaian sampel

Metode pengumpanan jarum cerdas dari deteksi otomatis keramik piezoelektrik bertekanan yang dikendalikan motor melindungi probe dan sampel

Pemosisian optik otomatis, tidak perlu fokus, pengamatan waktu nyata dan pemosisian area pemindaian sampel probe

Metode shockproof suspensi pegas, sederhana dan praktis, efek shockproof yang baik

Editor pengguna koreksi nonlinier pemindai terintegrasi, karakterisasi nanometer, dan akurasi pengukuran lebih baik dari 98%

Klik untuk melihat detail A62.4500

A62.4501 Tingkat Dasar, Mikroskop Gaya Atom (AFM)

Level Dasar, Kontroler terpisah & desain bodi utama, dengan Mode Kontak, Mode Tapping, 4x Objective.

1. Probe pemindaian dan tahap sampel terintegrasi, dan kemampuan anti-interferensinya kuat;

2. Laser presisi dan perangkat pemosisian probe, sederhana dan nyaman untuk mengganti probe dan menyesuaikan tempat;

3. Gunakan metode probe mendekati sampel, sehingga ujung jarum tegak lurus dengan pemindaian sampel;

4. Kontrol pulsa otomatis motor menggerakkan sampel untuk mendekati probe secara vertikal untuk mencapai posisi yang tepat dari area pemindaian;

5. 4X pemosisian optik lensa objektif, tidak perlu fokus, pengamatan waktu nyata dan pemosisian area pemindaian sampel probe;

6. Metode shockproof suspensi pegas sederhana dan praktis, dan memiliki kemampuan anti-interferensi yang kuat.

Klik untuk melihat detail A62.4501

A62.4503 Tingkat Riset, Mikroskop Gaya Atom (AFM), Desain Lengkap

Level Riset, Kontroler gabungan & desain bodi utama, dengan Mode Kontak, Mode Tapping, Objektif 10x.

1. Probe pemindaian dan tahap sampel terintegrasi, dan kemampuan anti-interferensinya kuat;

2. Laser presisi dan perangkat pemosisian probe, sederhana dan nyaman untuk mengganti probe dan menyesuaikan tempat;

3. Gunakan metode probe mendekati sampel, sehingga ujung jarum tegak lurus dengan pemindaian sampel;

4. Pemindai keramik piezoelektrik presisi tinggi dan skala besar dapat dipilih sesuai dengan persyaratan akurasi dan rentang pemindaian yang berbeda;

5. Pemosisian optik lensa objektif 10X APO, tidak perlu fokus, pengamatan waktu nyata dan pemosisian area pemindaian sampel probe;

6. Metode shockproof suspensi pegas sederhana dan praktis, dan memiliki kemampuan anti-interferensi yang kuat.

Klik untuk melihat detail A62.4503

A62.4505 Optik + Mikroskop Kekuatan Atom

Mikroskop optik gabungan + AFM All-in-One, A62.4505 memiliki tujuan Infinity Plan LWD APO 5x10x20x50x, Eyepiece 10x, Kamera Digital 5.0M, Monitor LCD 10" dengan fungsi pengukuran, pencahayaan kohler LED untuk menonton sampel di bawah mode optik & Modus AFM.

1. Desain terintegrasi mikroskop optik dan mikroskop kekuatan atom, kontrol fotolistrik terintegrasi;

2. Ini memiliki fungsi pencitraan mikroskop kekuatan optik dan atom, yang keduanya dapat dipindai dan dicitrakan pada saat yang sama tanpa mempengaruhi satu sama lain;

3. Pada saat yang sama, ia memiliki fungsi pengukuran dua dimensi optik dan pengukuran tiga dimensi mikroskop kekuatan atom;

4. Desain jalur optik vertikal diadopsi, dan pemegang probe tujuan ganda gas-cair dapat digunakan di udara atau cairan secara bersamaan;

5. Sistem pemosisian optik pembesaran tinggi digunakan untuk mencapai pemosisian yang tepat dari area pemindaian probe dan sampel;

6. Metode penyesuaian titik laser portabel dapat mengamati dan menyesuaikan titik secara real time melalui jendela CCD optik;

7. Dilengkapi dengan meja penyerap goncangan pneumatik, yang memiliki kemampuan anti-interferensi yang kuat dan tidak mempengaruhi pengoperasian instrumen;

Klik untuk melihat detail A62.4505

Opto-Edu Gantry Type Atomic Force Microscope (AFM)

A62.4510 Probe Scanning Atomic Force Microscope

A62.4511 Pemindaian Pesawat Mikroskop Kekuatan Atom

A62.4510 + Tahap Pemindaian Pergeseran Piezoelektrik = A62.4511

Mikroskop kekuatan atom pertama di China untuk menjaga sampel tetap diam dan probe bergerak dan memindai;

Yang pertama di China menggunakan pemindai pergeseran tekanan independen tiga sumbu loop tertutup, yang dapat memindai dengan presisi tinggi dalam rentang yang luas;

Ukuran dan berat sampel pada dasarnya tidak terbatas, terutama cocok untuk mendeteksi sampel besar; sampel daerah yang diminati;

Desain kepala pemindaian Gantry, dasar marmer, tahap adsorpsi vakum;

Metode pengumpanan jarum yang cerdas dengan deteksi otomatis keramik piezoelektrik yang dikendalikan motor untuk melindungi probe dan sampel;

Pemosisian optik otomatis, tidak perlu menyesuaikan fokus, pengamatan waktu nyata, dan area pemindaian sampel probe posisi;

Dilengkapi dengan pelindung logam tertutup, meja penyerap goncangan pneumatik, kemampuan anti-interferensi yang kuat;

Editor pengguna koreksi nonlinier pemindai terintegrasi, karakterisasi nanometer, dan akurasi pengukuran lebih baik dari 98%.

Klik untuk melihat detail A62.4510
Klik untuk melihat detail A62.4511

Contoh Gambar Mikroskop Gaya Atom (AFM)