原子間力顕微鏡（AFM）の選び方は？

顕微鏡開発の歴史

• 初代：光学顕微鏡(17世紀に発明)

• 第二世代: 電子顕微鏡 (1932)

1933 年、ドイツのルスカとノール: 最初の走査型電子顕微鏡 (SEM）、高真空を必要とし、原子を区別できませんでした。
透過電子顕微鏡法（TEM）、高真空、薄層サンプルのバルクおよび界面研究、高価格。
電界電子顕微鏡（FEM) と電界イオン顕微鏡 (FEM) は、r<100nm の先端の原子構造を検出し、サンプルの準備が複雑です。

• 第 3 世代: 走査型プローブ顕微鏡 (SPM) (1982)

1982年 IBMチューリッヒ研究所とビニング・ローラー、最初の新しいタイプの表面分析装置 - 走査型トンネル顕微鏡 (STM)。
1986 ビニング、クォート、ガーバーが最初の原子顕微鏡 (AFM) を発明

他の顕微鏡と比較した走査型プローブ顕微鏡 (SPM)

現在の主な顕微鏡分析技術：

初代：光学顕微鏡(干渉、共焦点、デジタルホログラフィーを含む)
第2世代：電子顕微鏡（主にSEMとTEM)
第 3 世代: 走査型プローブ顕微鏡 (SPM)

3世代の顕微鏡の分解能比較

走査型プローブ顕微鏡（SPM）とは

走査型プローブ顕微鏡 (SPM) は、その名の通り、走査型 + プローブ + 顕微鏡である第 3 世代の顕微鏡です。 SPM の原理は、プローブを使用してサンプルの表面をラスターラインでスキャンし、サンプルの表面の特徴を記録し、プローブとサンプルの間の相互作用を検出することによって画像を取得することです。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）の分類

プローブとサンプルの検出力の違いにより、走査型プローブ顕微鏡 (SPM)つまり、2つのカテゴリに分けることができます。走査型トンネル顕微鏡 (STM)、電流を使用して検出し、原子間力顕微鏡 (AFM)、さまざまな力を使用して検出します。

AFMまた、異なる力に応じて、磁力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、横力顕微鏡、化学力顕微鏡、静電力顕微鏡などに分類できます。

間の違いSTMとAFMアプリケーション:

走査型トンネル顕微鏡 (STM) は、主に導体の研究に使用されます。
原子間力顕微鏡 (AFM) は、導体の研究だけでなく、非導体の研究にも使用できます。

被写界深度、異なる顕微鏡のサンプル調製

走査型プローブ顕微鏡 (SPM) の長所と短所

新しいタイプの顕微鏡ツールである SPM には、以前の顕微鏡分析機器と比較して明らかな利点があります。

• SPM は非常に高い解像度を持ち、STM は試料表面に平行および垂直な方向で 0.1nm および 0.01nm に達することがあります。

• SPM は、サンプル表面のリアルタイムで高解像度の 3D 画像を取得します。これは、サンプルの表面構造を推定するための間接的または計算的な方法による一部の分析機器とは異なります。

• SPM は、表面欠陥、表面リモデリング、表面吸着物の形態と位置、および吸着剤によって誘発される表面リモデリングの直接観察を可能にします。

• SPM の使用環境は緩く、真空中だけでなく、大気中、低温、常温、高温、さらには溶液中でも機能します。

• SPM は特別なサンプル調製技術を必要とせず、検出プロセスは基本的にサンプルに無害です。

• 走査型トンネル分光法と組み合わせて、表面のさまざまなレベルでの状態密度、表面電子トラップ、表面ポテンシャル障壁の変化など、表面構造に関する情報を得ることができます。

• 同時に、SPM にはいくつかの欠点もあります。

• スキャン速度。その動作原理は、走査イメージングのために特定の品質のプローブを制御することであるため、走査速度が制限され、検出効率は他の顕微鏡法よりも低くなります。

• スキャン範囲。圧電セラミックスの伸縮範囲によって制限されるため、SPM の最大スキャン範囲は数十から数百ミクロンの範囲です。

• 位置決め精度。圧電セラミックスは位置決め精度確保を前提とした可動域が小さく、機械的な調整精度が繋がらないため、電子顕微鏡のような大規模な連続ズームが実現できず、特性の特定や発見が難しい構造。

• サンプルの表面粗さ。管状圧電スキャナは現在広く使用されており、垂直方向の伸縮範囲は平面走査範囲の 1/10 です。試料表面のうねりが走査管の伸縮範囲を超えると、システムの誤動作やプローブの破損につながります。

• 針の鋭さ。システムは、サンプルをスキャンするときにプローブの運動軌跡を検出することによって表面トポグラフィーを推測するため、プローブの幾何学的な幅、曲率半径、および異方性が画像の歪みを引き起こします。

原子間力顕微鏡（AFM）の基本原理

弱い力に非常に敏感なカンチレバーの一方の端は固定されており、もう一方の端には小さな針先が付いています。針の先端はサンプル表面と軽く接触しています。針先の先端の原子と試料表面の原子との間の反発力が非常に弱いため、走査時にこれを制御することで。力が一定の場合、先端を持つカンチレバーは、先端とサンプルの表面原子の間の力の等平面に対応するサンプルの表面に垂直な方向に変動します。光検出法やトンネル電流検出法を用いれば、各走査点に対応するマイクロカンチレバーの位置変化を計測することができ、試料の表面形状の情報を得ることができる。

原子間力顕微鏡（AFM）の構成と動作図

原子間力顕微鏡のAFMシステムは、力検出部、位置検出部、フィードバック電子系、ピエゾ走査系の4つの部分に分かれています。

1.力検出カンチレバー

原子間力顕微鏡 (AFM) システムでは、検出される力は原子間のファンデルワールス力です。そのため、このシステムでは、原子間の力の変化を検出するために小さなカンチレバー (カンチレバー) が使用されます。小さなカンチレバーには、長さ、幅、弾性率、先端の形状などの特定の仕様があり、これらの仕様の選択は、サンプルの特性とさまざまな操作モードに基づいており、さまざまな種類のプローブが選択されます。

2. 位置感知型光検出器

針先が試料に当たるとカンチレバーが揺れますので、カンチレバーの先端にレーザーを照射すると、カンチレバーの揺れにより反射光の位置も変化します。となり、オフセットが生じます。システム全体では、レーザースポット位置検出器を使用してオフセットを記録し、コントローラーが信号処理を行うために電気信号に変換します。

3.フィードバック電子システム：フィードバックループ

AFMフィードバック制御は、コンピュータシステムと電子回路によって完成されています。 AFM の動作は、高速かつ強力なコンピューターの制御の下で実現されます。制御システムには 2 つの主な機能があります。(1) 圧電トランスデューサの XY 方向の走査を制御するための駆動電圧を提供します。 (2) 定力モードで顕微鏡検出ループからの入力アナログ信号の一定値を維持します。ループ電圧（設定値と実測値の差）をコンピュータが読み取り、A/D変換して比較します。異なる電圧値に応じて、制御システムは対応する電圧を連続的に出力し、Z 方向の圧電センサーの伸縮を調整して、A/D コンバーターに読み込まれた偏差を補正し、比較ループの出力電圧を維持します。絶え間ない。
電子回路システムは、コンピュータとスキャンシステムを接続する役割を果たします。電子回路は、圧電セラミックチューブに電圧を供給し、位置感知デバイスから信号を受信し、針先とサンプル間の距離を制御するためのフィードバックシステムを形成します。

4. 圧電スキャナー

サンプルの AFM スキャンの正確な制御は、スキャナーによって実現されます。スキャナには圧電振動子が搭載されており、圧電素子が試料やプローブの位置をX、Y、Zの3方向で精密に制御します。
現在、スキャナのマトリックス材料は、主にチタン酸ジルコン酸鉛 [Pb(Ti,Zr)O3] で作られた圧電セラミック材料です。圧電セラミックスは圧電効果、つまり電圧を加えると収縮する特性を持ち、収縮の度合いは印加電圧に比例します。圧電セラミックスは、1mV から 1000V の範囲の電圧信号を、10 分の 1 ナノメートルから数マイクロメートルの範囲の変位に変換できます。

原子間力顕微鏡 (AFM) の力と動作モード

次の表に示すように、AFM の先端とサンプルの間にはいくつかの異なる相互作用力があります。さまざまな力に応じて、AFM はさまざまな動作モードに拡張できます: 位相モード、磁気モード、静電力モード、拡張抵抗、横力、力変調など。

AFM の動作モードは、プローブとサンプル間の力の形で分類されます。主な動作モードには、接触モード、非接触モード、タッピングモードの 3 つがあります。

接触モード

コンタクトモードは、AFM の最も直接的なイメージングモードです。走査イメージングプロセス全体で、プローブ先端は常にサンプル表面に密着しており、両者間の相互作用力は反発力であり、力の大きさは 10-10 から 10-6N の範囲です。したがって、スキャン中にカンチレバーによって先端に加えられる力は、試料の表面構造を損傷する可能性があります。接触モードは、表面が柔らかいサンプルのテストには適していません。

利点:スキャン速度が速く、「原子分解能」の画像が得られる唯一のモード。
不利益：横力は画質に影響します。空気中では、試料表面の吸着液層の毛細管現象により、針先と試料の密着力が非常に大きくなります。横力と粘着力の合成力は、画像の空間解像度の低下につながります。また、チップでサンプルを引っかくと、柔らかいサンプル (生体サンプル、ポリマーなど) が損傷する可能性があります。

非接触モード

サンプル表面を非接触モードでプローブすると、カンチレバーはサンプル表面から 5 ～ 10 nm の距離で振動します。このとき、サンプルと針先の相互作用はファンデルワールス力によって制御され、通常は 10 ～ 12 N であり、サンプルは破壊されず、針先は汚染されず、特に表面の研究に適しています。ソフトオブジェクトの。この動作モードの欠点は、室温雰囲気でこのモードを実現することが非常に難しいことです。水の薄い層がサンプルの表面に必然的に蓄積するため、サンプルとチップの間に小さな毛管ブリッジが作成され、チップと表面が引き寄せられ、表面に対するチップの圧力が増加します。

アドバンテージ：試料表面に力は作用しません。
不利益：通常、水を非常に恐れるサンプルにのみ使用されます。針の先端がサンプルから離れているため、横方向の解像度が低くなります。吸着層との接触を避けて針先を突き刺すために、走査速度はタッピングモードやコンタクトモードAFMよりも遅く、サンプル表面の吸着液層は非常に薄い必要があります。厚いと、針の先端が液層に沈み込み、フィードバックが不安定になり、サンプルに傷がつく可能性があります。

タッピングモード

タッピングモードは、接触モードと非接触モードの中間であり、ハイブリッドコンセプトです。カンチレバーはサンプル表面上で共振周波数で振動し、先端はサンプル表面に短時間かつ定期的に触れる/タップするだけです。これは、チップがサンプルに接触することによって発生する横方向の力が大幅に減少することを意味します。したがって、AFM のタッピングモードは、柔らかいサンプルを検出する際の最良の選択肢の 1 つです。 AFMがサンプルのイメージングとスキャンを開始すると、デバイスは、オブジェクトの表面分析のために、表面粗さ、平均高さ、山と谷の間の最大距離などの関連データをシステムに入力します。同時に、AFM は力測定作業を完了することもでき、カンチレバーの曲げの程度を測定して、探針とサンプルの間の力を決定します。

利点:横方向の力の影響が十分に排除され、吸着液層によって生じる力が減少し、画像の解像度が高くなります。表面を傷つけることなく、柔らかく、もろく、または粘着性のあるサンプルを見るのに最適です。
不利益：接触モードよりもスキャン速度が遅くなります。

原子間力顕微鏡（AFM）の応用分野

材料科学:主に金属、合金、薄膜、結晶、セラミック、ポリマー、複合材料などを含むマイクロ・ナノ材料の表面形態、粗さ、機械的特性、局所電気特性など。

半導体およびマイクロエレクトロニクス:チップまたはウェーハ表面の 3D 構造、粗さ、欠陥検出、局所電気特性など。

生物学と医学：DNA、タンパク質、細胞、ウイルス、生体高分子の in situ イメージングと研究など。
物理学と化学：材料表面の原子構造を検出し、原子間の相互作用力、表面の化学反応を研究し、化学反応の原子レベルの変化を観察します。

ナノティーチング教育：ナノテクノロジーの教育、材料の表面のナノ構造の観察、ナノメートルの基本的な理論的知識の学習、および科学研究に対する学生の関心の育成など。

原子間力顕微鏡（AFM）のメリット

• AFM は 3 次元イメージングを実行でき、横方向と縦方向の両方で非常に高い解像度を持ち、横方向で 0.2 nm、縦方向で 0.05 nm に達することができます。

• AFM は、サンプル表面のリアルタイムの実際の 3 次元画像を取得します。これは、一部のソフトウェアアルゴリズムを通じてサンプルの表面構造を推定する一部の分析機器とは異なります。

• AFM では、観察されるサンプルの反射率と導電率に制限はありません。導電性サンプル、非導電性サンプル、生体サンプルを測定できます。

• AFM の使用環境は緩く、真空中だけでなく、大気中、低温、常温、高温、さらには溶液中でも機能します。

• AFM は特別なサンプル調製技術を必要とせず、検出プロセスは基本的にサンプルを損傷しません。

• AFM は、試料表面の 3 次元形態、粗さ、粒子サイズ、膜厚、表面欠陥などを観察するだけでなく、微小な物質の機械的、電気的、熱的特性も検出できます。

• Opto-Edu 原子間力顕微鏡 (AFM) モデル

A64.4500 教育レベル、原子間力顕微鏡 (AFM)

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◆ 針先がサンプルスキャンに対して垂直になるように、単軸駆動サンプルが自動的にプローブに垂直に接近します。

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◆スプリングサスペンションの耐衝撃方式、シンプルで実用的、優れた耐衝撃効果

◆ スキャナーの非線形補正ユーザーエディター、ナノメートル特性評価、98% を超える測定精度を統合

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A62.4501 基礎レベル、原子間力顕微鏡 (AFM)

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A62.4501の詳細はこちら

A62.4503 研究レベル、原子間力顕微鏡 (AFM)、オールインワン設計

研究レベル、コントローラーと本体の一体型デザイン、コンタクトモード、タッピングモード、10x オブジェクティブ。

1.走査プローブとサンプルステージが統合されており、干渉防止能力が強力です。

2.精密レーザーとプローブ位置決め装置、プローブを交換してスポットを調整するのは簡単で便利です。

3. サンプル接近プローブ法を使用して、針先がサンプル走査に対して垂直になるようにします。

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A62.4505 光学＋原子間力顕微鏡

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2.光学顕微鏡と原子間力顕微鏡の両方のイメージング機能を備えており、どちらも互いに影響を与えることなく同時にスキャンおよびイメージングできます。

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4.垂直光路設計が採用されており、気液兼用プローブホルダーは空気または液体で同時に使用できます。

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7.強力な干渉防止能力を持ち、機器の操作に影響を与えない空気圧衝撃吸収テーブルを装備。

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Opto-Edu ガントリー型原子間力顕微鏡 (AFM)

A62.4510 プローブ走査型原子間力顕微鏡

A62.4511 平面走査型原子間力顕微鏡

A62.4510 + 圧電シフト走査ステージ =A62.4511

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原子間力顕微鏡（AFM）のサンプル写真