Come selezionare il microscopio a forza atomica (AFM)?

Breve storia dello sviluppo dei microscopi

• Prima generazione:microscopio ottico(inventato nel XVII secolo)

• Seconda generazione: microscopio elettronico (1932)

Nel 1933, Ruska e Knoll, Germania: il primo microscopio elettronico a scansione (SEM), che richiedeva un alto vuoto e non poteva distinguere gli atomi;
Microscopia elettronica a trasmissione (TEM), studi di alto vuoto, bulk e interfaccia di campioni a strato sottile, prezzo elevato;
Microscopio elettronico da campo (FEM) e il microscopio a ioni di campo (FEM) rilevano la struttura atomica sulla punta di r<100 nm e la preparazione del campione è complicata;

• Terza generazione: microscopia a scansione di sonda(SPM) (1982)

1982 IBM Zurich Laboratory e Binnig Rohrer, il primo nuovo tipo di strumento per l'analisi delle superfici - Scanning Tunneling Microscope (STM);
1986 Binnig, Quate e Gerber inventano il primo microscopio atomico (AFM)

Microscopio con sonda a scansione (SPM) rispetto ad altri microscopi

Le principali tecniche di analisi microscopica attualmente:

Prima generazione:microscopio ottico(Compresa l'interferenza, l'olografia confocale e digitale)
Seconda generazione:Microscopio elettronico(PrincipalmenteSEMeTEM)
Terza generazione: microscopia a scansione di sonda(SPM)

Confronto della risoluzione di tre generazioni di microscopi

Che cos'è la microscopia a scansione di sonda (SPM)

Scanning Probe Microscope (SPM), è il microscopio di terza generazione, come suggerisce il nome, è scansione + sonda + microscopio. Il principio di SPM consiste nell'utilizzare una sonda per scansionare la superficie del campione con una linea raster e per registrare le caratteristiche della superficie del campione e ottenere un'immagine rilevando l'interazione tra la sonda e il campione.

Classificazione del microscopio con sonda a scansione (SPM)

In base alla differenza nella forza di rilevamento tra la sonda e il campione,Microscopia a scansione di sonda (SPM)si possono dividere in due categorie, vale a direMicroscopia a scansione di tunneling (STM), che utilizza la corrente per rilevare, eMicroscopio a forza atomica (AFM), che utilizza diverse forze per rilevare.

AFMpuò anche essere suddiviso in microscopio a forza magnetica, microscopio a forza di attrito, microscopio a forza laterale, microscopio a forza chimica, microscopio a forza elettrostatica e altri tipi in base alle diverse forze.

Differenze traSTMeAFMapplicazioni:

Scanning Tunneling Microscope (STM) è utilizzato principalmente per lo studio di conduttori,
La microscopia a forza atomica (AFM) può essere utilizzata non solo per lo studio dei conduttori, ma anche per lo studio dei non conduttori.

Profondità di campo, preparazione del campione di diversi microscopi

Vantaggi e svantaggi del microscopio con sonda a scansione (SPM)

In quanto nuovo tipo di strumento per microscopio, l'SPM presenta evidenti vantaggi rispetto ai precedenti strumenti di analisi per microscopio:

• SPM ha una risoluzione estremamente elevata, come STM parallelo e perpendicolare alla direzione della superficie del campione può raggiungere 0,1 nm e 0,01 nm.

• SPM ottiene un'immagine 3D in tempo reale ad alta risoluzione della superficie del campione, che è diversa da alcuni strumenti analitici attraverso metodi indiretti o computazionali per stimare la struttura superficiale del campione.

• L'SPM consente l'osservazione diretta dei difetti superficiali, il rimodellamento superficiale, la morfologia e la posizione degli adsorbati superficiali e il rimodellamento superficiale indotto dagli adsorbenti.

• L'ambiente di utilizzo dell'SPM è libero, può funzionare non solo nel vuoto, ma anche in atmosfera, bassa temperatura, temperatura normale, alta temperatura e persino in soluzione.

• L'SPM non richiede tecniche speciali di preparazione del campione e il processo di rilevamento è sostanzialmente innocuo per il campione.

• In combinazione con la spettroscopia di tunneling a scansione, è possibile ottenere informazioni sulla struttura della superficie, come la densità degli stati a diversi livelli della superficie, le trappole di elettroni di superficie, i cambiamenti nelle barriere di potenziale superficiale, ecc.

• Allo stesso tempo, SPM presenta anche alcuni svantaggi

• Velocità di scansione. Poiché il suo principio di funzionamento è controllare una sonda con una certa qualità per la scansione delle immagini, la velocità di scansione è limitata e l'efficienza di rilevamento è inferiore rispetto ad altri metodi di microscopia.

• Intervallo di scansione. Limitato dalla gamma di allungamento della ceramica piezoelettrica, la gamma di scansione massima di SPM è nell'intervallo da decine a centinaia di micron.

• precisione di posizionamento. Poiché la ceramica piezoelettrica ha una piccola gamma di movimento con la premessa di garantire l'accuratezza del posizionamento e l'accuratezza della regolazione meccanica non può essere collegata ad essa, non può ottenere uno zoom continuo su larga scala come i microscopi elettronici ed è difficile da individuare e trovare caratteristiche strutture.

• Campione di rugosità superficiale. Gli scanner piezoelettrici tubolari sono attualmente ampiamente utilizzati e il loro raggio di allungamento verticale è 1/10 del raggio di scansione planare. Se l'ondulazione della superficie del campione da testare supera l'intervallo di espansione e contrazione del tubo di scansione, si verificherà un malfunzionamento del sistema o addirittura danneggerà la sonda.

• Affilatura dell'ago. Poiché il sistema deduce la topografia della superficie rilevando la traiettoria di movimento della sonda durante la scansione del campione, la larghezza geometrica, il raggio di curvatura e l'anisotropia della sonda causeranno una distorsione dell'immagine.

Principi di base del microscopio a forza atomica (AFM)

Un'estremità di un cantilever, che è estremamente sensibile alla forza debole, è fissa e l'altra estremità ha una minuscola punta dell'ago. La punta dell'ago è in leggero contatto con la superficie del campione. A causa della forza repulsiva estremamente debole tra gli atomi sulla punta della punta dell'ago e gli atomi sulla superficie del campione, controllandola durante la scansione. Quando la forza è costante, il cantilever con la punta oscillerà nella direzione perpendicolare alla superficie del campione corrispondente all'isopiano della forza tra la punta e gli atomi di superficie del campione. Utilizzando il metodo di rilevamento ottico o il metodo di rilevamento della corrente di tunnel, è possibile misurare la variazione di posizione del microcantilever corrispondente a ciascun punto di scansione, in modo da ottenere le informazioni sulla topografia superficiale del campione.

Composizione e diagramma di lavoro del microscopio a forza atomica (AFM)

Il sistema AFM del microscopio a forza atomica è diviso in quattro parti: parte di rilevamento della forza, parte di rilevamento della posizione, sistema elettronico di feedback, sistema di scansione piezoelettrico.

1. Cantilever di rilevamento della forza

In un sistema di microscopio a forza atomica (AFM), la forza da rilevare è la forza di van der Waals tra gli atomi. Quindi, in questo sistema, un minuscolo cantilever (Cantilever) viene utilizzato per rilevare il cambiamento della forza tra gli atomi. Il minuscolo cantilever ha determinate specifiche, come: lunghezza, larghezza, modulo elastico e forma della punta, e la selezione di queste specifiche si basa sulle caratteristiche del campione e sulle diverse modalità operative e vengono selezionati diversi tipi di sonde.

2. Fotorilevatore sensibile alla posizione

Quando la punta dell'ago interagisce con il campione, il cantilever oscillerà, quindi quando il laser irradia l'estremità del cantilever, anche la posizione della luce riflessa cambierà a causa dell'oscillazione del cantilever. , che si traduce in un offset. Nell'intero sistema, il rilevatore di posizione del punto laser viene utilizzato per registrare l'offset e convertirlo in un segnale elettrico affinché il controller esegua l'elaborazione del segnale.

3. Sistema elettronico di feedback: anello di feedback

Il controllo del feedback AFM è completato dal sistema informatico e dal circuito elettronico. Il funzionamento di AFM è realizzato sotto il controllo di un computer potente e ad alta velocità. Il sistema di controllo ha due funzioni principali: (1) fornire la tensione di pilotaggio per controllare la scansione della direzione XY del trasduttore piezoelettrico; (2) Mantenere un valore costante del segnale analogico in ingresso dal circuito di rilevamento del microscopio nella modalità a forza costante. Il computer legge e confronta la tensione di loop (ovvero la differenza tra il valore impostato e il valore misurato effettivo) tramite la conversione A/D. In base ai diversi valori di tensione, il sistema di controllo emette continuamente la tensione corrispondente per regolare l'espansione e la contrazione del sensore piezoelettrico nella direzione Z per correggere la deviazione letta nel convertitore A/D, mantenendo così la tensione di uscita del circuito di confronto costante.
Il sistema di circuiti elettronici svolge il ruolo di collegare il computer e il sistema di scansione. Il circuito elettronico fornisce tensione al tubo piezoelettrico in ceramica, riceve il segnale dal dispositivo sensibile alla posizione e forma un sistema di feedback per controllare la distanza tra la punta dell'ago e il campione.

4. Scanner piezoelettrico

Il controllo preciso della scansione AFM del campione è ottenuto dallo scanner. Nello scanner è installato un trasduttore piezoelettrico e il dispositivo piezoelettrico controlla con precisione la posizione del campione o della sonda nelle tre direzioni X, Y e Z.
Attualmente, il materiale della matrice dello scanner è principalmente un materiale ceramico piezoelettrico costituito da titanato di zirconato di piombo [Pb(Ti,Zr)O3]. Le ceramiche piezoelettriche hanno un effetto piezoelettrico, ovvero hanno caratteristiche di restringimento quando viene applicata una tensione e il grado di restringimento è proporzionale alla tensione applicata. La ceramica piezoelettrica può convertire segnali di tensione che vanno da 1 mV a 1000 V in spostamenti che vanno da decimi di nanometro a diversi micrometri.

Forza e modalità di lavoro del microscopio a forza atomica (AFM)

Esistono diverse forze di interazione tra la punta dell'AFM e il campione, elencate nella tabella seguente. A seconda delle diverse forze, l'AFM può essere esteso a una varietà di modalità di lavoro: modalità di fase, modalità magnetica, modalità di forza elettrostatica, resistenza estesa, forza laterale, modulazione della forza, ecc.

Le modalità di lavoro dell'AFM sono classificate nella forma della forza tra la sonda e il campione. Esistono tre modalità operative principali: Modalità contatto, Modalità senza contatto e Modalità tocco.

Modalità di contatto

La modalità di contatto è la modalità di imaging più diretta di AFM. Durante l'intero processo di scansione dell'immagine, la punta della sonda è sempre a stretto contatto con la superficie del campione e la forza di interazione tra i due è una forza repulsiva e l'entità della forza varia da 10-10 a 10-6N. Durante la scansione, la forza esercitata dal cantilever sulla punta può quindi danneggiare la struttura superficiale del campione. La modalità di contatto non è adatta per testare campioni con superfici morbide.

vantaggi:Alta velocità di scansione, l'unica modalità che può ottenere immagini a "risoluzione atomica".
Svantaggio:La forza laterale influisce sulla qualità dell'immagine. Nell'aria, a causa dell'azione capillare dello strato liquido adsorbito sulla superficie del campione, l'adesione tra la punta dell'ago e il campione è molto ampia. La forza combinata della forza laterale e della forza adesiva porta a una diminuzione della risoluzione spaziale dell'immagine. Inoltre, graffiare il campione con la punta può danneggiare i campioni morbidi (come campioni biologici, polimeri, ecc.).

Modalità senza contatto

Quando la superficie del campione viene sondata in modalità senza contatto, il cantilever oscilla a una distanza di 5–10 nm sopra la superficie del campione. In questo momento, l'interazione tra il campione e la punta dell'ago è controllata dalla forza di van der Waals, solitamente 10 - 12 N, il campione non verrà distrutto e la punta dell'ago non sarà contaminata, particolarmente adatta per studiare la superficie di oggetti morbidi. Lo svantaggio di questa modalità di funzionamento è che è molto difficile ottenere questa modalità in un'atmosfera a temperatura ambiente. Poiché un sottile strato di acqua si accumula inevitabilmente sulla superficie del campione, crea un piccolo ponte capillare tra il campione e la punta, avvicinando la punta e la superficie, aumentando la pressione della punta contro la superficie.

Vantaggio:Nessuna forza agisce sulla superficie del campione.
Svantaggio:Solitamente utilizzato solo per campioni che hanno molta paura dell'acqua. Poiché la punta dell'ago è separata dal campione, la risoluzione laterale è bassa; per evitare il contatto con lo strato di adsorbimento e causare l'adesione della punta dell'ago, la velocità di scansione è inferiore a quella di Tapping Mode e Contact Mode AFM e lo strato di liquido di adsorbimento sulla superficie del campione deve essere molto sottile, se troppo spessa, la punta dell'ago può affondare nello strato liquido, causando instabilità del feedback e graffiando il campione.

Modalità tocco

La modalità toccando è tra la modalità contatto e la modalità senza contatto, che è un concetto ibrido. Il cantilever oscilla alla sua frequenza di risonanza sopra la superficie del campione e la punta tocca/tocca la superficie del campione solo brevemente e periodicamente. Ciò significa che la forza laterale generata dalla punta a contatto con il campione è notevolmente ridotta. Pertanto, la modalità di prelievo di AFM è una delle scelte migliori quando si rilevano campioni teneri. Una volta che l'AFM inizia a visualizzare e scansionare il campione, il dispositivo inserirà i dati rilevanti nel sistema, come rugosità superficiale, altezza media, distanza massima tra picchi e valli, ecc., per l'analisi della superficie dell'oggetto. Allo stesso tempo, AFM può anche completare il lavoro di misurazione della forza, misurando il grado di flessione del cantilever per determinare la forza tra la punta e il campione.

vantaggi:L'influenza della forza laterale è ben eliminata, la forza causata dallo strato di liquido di adsorbimento è ridotta e la risoluzione dell'immagine è elevata. Ideale per visualizzare campioni morbidi, fragili o appiccicosi senza danneggiare la superficie.
Svantaggio:velocità di scansione inferiore rispetto alla modalità contatto.

Aree di applicazione del microscopio a forza atomica (AFM)

Scienza dei materiali:Morfologia superficiale, rugosità, proprietà meccaniche, proprietà elettriche locali, ecc. di micro-nano materiali, inclusi principalmente metalli, leghe, film sottili, cristalli, ceramiche, polimeri, materiali compositi, ecc.;

Semiconduttori e microelettronica:Struttura 3D della superficie del chip o del wafer, rugosità, rilevamento dei difetti, proprietà elettriche locali, ecc.;

Biologia e medicina:DNA, proteine, cellule, virus, imaging macromolecolare biologico e ricerca in situ, ecc.;
Fisica e chimica: rileva la struttura atomica della superficie del materiale, studia la forza di interazione tra atomi, le reazioni chimiche di superficie, osserva i cambiamenti a livello atomico delle reazioni chimiche, ecc.;

Educazione al nano-insegnamento:insegnamento delle nanotecnologie, osservazione delle nanostrutture sulla superficie dei materiali, apprendimento delle conoscenze teoriche di base dei nanometri e coltivare l'interesse degli studenti per la ricerca scientifica, ecc.

Vantaggio del microscopio a forza atomica (AFM)

• L'AFM può eseguire immagini tridimensionali e ha una risoluzione estremamente elevata sia in direzione laterale che verticale, che può raggiungere 0,2 nm in direzione laterale e 0,05 nm in direzione verticale;

• AFM ottiene un'immagine tridimensionale reale in tempo reale della superficie del campione, che è diversa da alcuni strumenti analitici che deducono la struttura superficiale del campione attraverso alcuni algoritmi software;

• L'AFM non ha alcuna restrizione sulla riflettività e conducibilità dei campioni osservati. Può misurare campioni conduttivi, campioni non conduttivi e campioni biologici.

• L'ambiente di utilizzo dell'AFM è libero, può funzionare non solo nel vuoto, ma anche in atmosfera, bassa temperatura, temperatura normale, alta temperatura e persino in soluzione;

• L'AFM non richiede una tecnologia speciale per la preparazione del campione e il processo di rilevamento sostanzialmente non danneggia il campione;

• Oltre ad osservare la morfologia tridimensionale, la rugosità, la dimensione delle particelle, lo spessore del film, i difetti superficiali, ecc. della superficie del campione, l'AFM può anche rilevare le proprietà meccaniche, elettriche e termiche di sostanze microscopiche.

• Modelli di microscopio a forza atomica (AFM) Opto-Edu

A64.4500 Livello di insegnamento, microscopio a forza atomica (AFM)

Livello di insegnamento Controller separato e design del corpo principale, con modalità Tapping, obiettivo 4x, modello economico per l'insegnamento.

◆ Design miniaturizzato e staccabile, molto facile da trasportare e da insegnare

◆ La testina di rilevamento laser e lo stadio di scansione del campione sono integrati, la struttura è molto stabile e l'anti-interferenza è forte

◆ Dispositivo di posizionamento della sonda di precisione, la regolazione dell'allineamento del punto laser è molto semplice

◆ Il campione di azionamento ad asse singolo si avvicina automaticamente alla sonda verticalmente, in modo che la punta dell'ago sia perpendicolare alla scansione del campione

◆ Il metodo di alimentazione intelligente dell'ago del rilevamento automatico della ceramica piezoelettrica pressurizzata controllata da motore protegge la sonda e il campione

◆ Posizionamento ottico automatico, nessuna necessità di messa a fuoco, osservazione in tempo reale e posizionamento dell'area di scansione del campione della sonda

◆ Metodo antiurto con sospensione a molla, semplice e pratico, buon effetto antiurto

◆ Editor utente integrato per la correzione non lineare dello scanner, caratterizzazione nanometrica e precisione di misurazione superiore al 98%

Fare clic per visualizzare i dettagli di A62.4500

A62.4501 Livello base, microscopio a forza atomica (AFM)

Livello base, controller separato e design del corpo principale, con modalità contatto, modalità tocco, obiettivo 4x.

1. La sonda di scansione e lo stadio del campione sono integrati e l'abilità anti-interferenza è forte;

2. Dispositivo di posizionamento della sonda e del laser di precisione, è semplice e conveniente sostituire la sonda e regolare il punto;

3. Utilizzare il metodo della sonda di avvicinamento del campione, in modo che la punta dell'ago sia perpendicolare alla scansione del campione;

4. Il controllo automatico degli impulsi del motore spinge il campione ad avvicinarsi alla sonda verticalmente per ottenere un posizionamento preciso dell'area di scansione;

5. Posizionamento ottico dell'obiettivo 4X, nessuna necessità di messa a fuoco, osservazione in tempo reale e posizionamento dell'area di scansione del campione della sonda;

6. Il metodo antiurto con sospensione a molla è semplice e pratico e ha una forte capacità anti-interferenza.

Fare clic per visualizzare i dettagli di A62.4501

A62.4503 Livello di ricerca, microscopio a forza atomica (AFM), design All-in-One

Livello di ricerca, controller combinato e design del corpo principale, con modalità contatto, modalità tocco, obiettivo 10x.

1. La sonda di scansione e lo stadio del campione sono integrati e l'abilità anti-interferenza è forte;

2. Dispositivo di posizionamento della sonda e del laser di precisione, è semplice e conveniente sostituire la sonda e regolare il punto;

3. Utilizzare il metodo della sonda di avvicinamento del campione, in modo che la punta dell'ago sia perpendicolare alla scansione del campione;

4. Gli scanner ceramici piezoelettrici ad alta precisione e su larga scala possono essere selezionati in base a diversi requisiti di precisione e gamma di scansione;

5. Posizionamento ottico dell'obiettivo 10X APO, nessuna necessità di messa a fuoco, osservazione in tempo reale e posizionamento dell'area di scansione del campione della sonda;

6. Il metodo antiurto con sospensione a molla è semplice e pratico e ha una forte capacità anti-interferenza.

Fare clic per visualizzare i dettagli di A62.4503

A62.4505 Microscopio ottico + a forza atomica

Microscopio ottico combinato + AFM All-in-One, A62.4505 ha obiettivo Infinity Plan LWD APO 5x10x20x50x, oculare 10x, fotocamera digitale 5.0M, monitor LCD da 10" con funzione di misurazione, illuminazione kohler a LED per osservare il campione sia in modalità ottica che Modalità AFM.

1. Progettazione integrata del microscopio ottico e del microscopio a forza atomica, controllo fotoelettrico integrato;

2. Ha funzioni di imaging del microscopio a forza sia ottica che atomica, che possono essere scansionate e riprese contemporaneamente senza influenzarsi a vicenda;

3. Allo stesso tempo, ha le funzioni di misurazione ottica bidimensionale e misurazione tridimensionale del microscopio a forza atomica;

4. Viene adottato il design del percorso ottico verticale e il supporto della sonda a doppio scopo gas-liquido può essere utilizzato contemporaneamente in aria o liquido;

5. Il sistema di posizionamento ottico ad alto ingrandimento viene utilizzato per ottenere il posizionamento preciso della sonda e dell'area di scansione del campione;

6. Il metodo di regolazione del punto laser portatile può osservare e regolare il punto in tempo reale attraverso la finestra ottica del CCD;

7. Dotato di un tavolo pneumatico ammortizzante, che ha una forte capacità anti-interferenza e non influisce sul funzionamento dello strumento;

Fare clic per visualizzare i dettagli di A62.4505

Microscopio a forza atomica tipo a portale Opto-Edu (AFM)

A62.4510 Microscopio a scansione con sonda a forza atomica

A62.4511 Microscopio a scansione piana a forza atomica

A62.4510 + Fase di scansione del cambio piezoelettrico =A62.4511

◆Il primo microscopio a forza atomica in Cina a mantenere fermo il campione e la sonda in movimento e scansione;

◆Il primo in Cina a utilizzare uno scanner di spostamento della pressione indipendente a tre assi a circuito chiuso, in grado di scansionare con alta precisione in un'ampia gamma;

◆La dimensione e il peso del campione sono sostanzialmente illimitati, particolarmente adatti per il rilevamento di campioni di grandi dimensioni; area campione di interesse;

◆ Design della testa di scansione a portale, base in marmo, fase di assorbimento del vuoto;

◆Metodo di alimentazione intelligente dell'ago con rilevamento automatico di ceramiche piezoelettriche comandate da motore per proteggere sonde e campioni;

◆ Posizionamento ottico automatico, nessuna necessità di regolare la messa a fuoco, l'osservazione in tempo reale e l'area di scansione del campione della sonda di posizionamento;

◆ Dotato di scudo metallico chiuso, tavolo ammortizzante pneumatico, forte capacità anti-interferenza;

◆L'editor utente di correzione non lineare dello scanner integrato, la caratterizzazione nanometrica e l'accuratezza della misurazione sono migliori del 98%.

Fare clic per visualizzare i dettagli di A62.4510
Fare clic per visualizzare i dettagli di A62.4511

Immagini di esempio del microscopio a forza atomica (AFM)