원자간력현미경(AFM)을 선택하는 방법은 무엇입니까?

현미경 개발의 간략한 역사

• 첫 세대:광학 현미경(17세기에 발명됨)

• 2세대: 전자 현미경(1932)

1933년 독일의 Ruska와 Knoll: 최초의 주사 전자 현미경(SEM), 고진공이 필요하고 원자를 구별할 수 없음;
투과 전자 현미경 (TEM), 박막 샘플의 고진공, 벌크 및 인터페이스 연구, 높은 가격;
필드 전자 현미경(FEM) 및 필드 이온 현미경(FEM)은 r<100nm의 팁에서 원자 구조를 감지하고 샘플 준비가 복잡합니다.

• 3세대: 스캐닝 프로브 현미경(SPM) (1982)

1982년 IBM Zurich Laboratory와 Binnig Rohrer, 최초의 새로운 유형의 표면 분석 장비 - 주사 터널링 현미경(STM);
1986년 Binnig, Quate 및 Gerber는 최초의 원자현미경(AFM)을 발명했습니다.

다른 현미경과 비교한 주사 프로브 현미경(SPM)

현재 주요 현미경 분석 기술:

첫 세대:광학 현미경(간섭, 공초점 및 디지털 홀로그래피 포함)
2세대:전자 현미경(주로SEM그리고TEM)
3세대: 스캐닝 프로브 현미경(SPM)

3세대 현미경의 분해능 비교

스캐닝 프로브 현미경(SPM)이란?

스캐닝 프로브 현미경(SPM)은 이름에서 알 수 있듯이 스캐닝 + 프로브 + 현미경의 3세대 현미경입니다. SPM의 원리는 프로브를 사용하여 샘플의 표면을 래스터 라인으로 스캔하고 샘플의 표면 특징을 기록하고 프로브와 샘플 간의 상호 작용을 감지하여 이미지를 얻는 것입니다.

스캐닝 프로브 현미경(SPM)의 분류

프로브와 샘플 사이의 검출력의 차이에 따라,스캐닝 프로브 현미경(SPM)즉, 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.주사 터널링 현미경(STM), 전류를 사용하여 감지하고원자력 현미경(AFM), 감지하기 위해 다른 힘을 사용합니다.

원자현미경다른 힘에 따라 자기력 현미경, 마찰력 현미경, 측면 힘 현미경, 화학 힘 현미경, 정전기 힘 현미경 및 기타 유형으로 나눌 수도 있습니다.

차이점STM그리고원자현미경응용 프로그램:

주사 터널링 현미경(STM)은 주로 도체 연구에 사용되며,
AFM(Atomic Force Microscopy)은 도체 연구뿐만 아니라 부도체 연구에도 사용할 수 있습니다.

피사계 심도, 다양한 현미경의 샘플 준비

스캐닝 프로브 현미경(SPM)의 장점과 단점

새로운 유형의 현미경 도구인 SPM은 이전 현미경 분석 기기와 비교하여 다음과 같은 분명한 이점이 있습니다.

• SPM은 샘플 표면 방향에 평행하고 수직인 STM과 같이 매우 높은 분해능을 가지고 있어 0.1nm 및 0.01nm에 도달할 수 있습니다.

• SPM은 시료의 표면 구조를 추정하는 간접 또는 전산적 방법을 통해 일부 분석 기기와 달리 시료 표면의 실시간 고해상도 3D 이미지를 얻습니다.

• SPM은 표면 결함, 표면 리모델링, 표면 흡착물의 형태 및 위치, 흡착제에 의해 유도된 표면 리모델링을 직접 관찰할 수 있습니다.

• SPM의 사용환경은 느슨하여 진공뿐만 아니라 대기, 저온, 상온, 고온, 용액에서도 작동이 가능합니다.

• SPM은 특별한 시료 전처리 기술이 필요하지 않으며 검출 과정은 기본적으로 시료에 무해합니다.

• 주사 터널링 분광법과 함께 표면 구조에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 표면의 다양한 수준에서의 상태 밀도, 표면 전자 트랩, 표면 전위 장벽의 변화 등입니다.

• 동시에 SPM에는 몇 가지 단점이 있습니다.

• 스캔 속도. 그 작동 원리는 스캐닝 이미징을 위해 특정 품질로 프로브를 제어하는 것이므로 스캐닝 속도가 제한되고 다른 현미경 방법보다 검출 효율이 낮습니다.

• 스캔 범위. 압전 세라믹의 신장 범위에 의해 제한되는 SPM의 최대 스캐닝 범위는 수십에서 수백 미크론 범위입니다.

• 위치 정확도. 압전 세라믹은 위치 정확도 확보를 전제로 운동 범위가 작고 기계적 조정 정확도를 연결할 수 없기 때문에 전자 현미경과 같은 대규모 연속 줌을 달성할 수 없으며 특성을 찾아 찾기가 어렵습니다. 구조.

• 샘플 표면 거칠기. 관형 압전 스캐너는 현재 널리 사용되며 수직 확장 범위는 평면 스캔 범위의 1/10입니다. 테스트할 샘플의 표면 기복이 스캐닝 튜브의 팽창 및 수축 범위를 초과하면 시스템이 오작동하거나 프로브가 손상될 수 있습니다.

• 바늘의 날카로움. 시스템은 샘플을 스캔할 때 프로브의 움직임 궤적을 감지하여 표면 지형을 추론하므로 프로브의 기하학적 너비, 곡률 반경 및 이방성이 이미지 왜곡을 유발합니다.

원자력 현미경(AFM)의 기본 원리

약한 힘에 극도로 민감한 캔틸레버의 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 작은 바늘 끝이 있습니다. 바늘 끝은 샘플 표면과 가볍게 접촉합니다. 니들 팁의 원자와 시료 표면의 원자 사이의 매우 약한 반발력으로 인해 스캐닝 중에 이를 제어합니다. 힘이 일정할 때 팁이 있는 캔틸레버는 팁과 샘플의 표면 원자 사이의 힘의 등면에 해당하는 샘플의 표면에 수직인 방향으로 변동합니다. 광검출법 또는 터널전류검출법을 이용하여 각 주사점에 해당하는 마이크로캔틸레버의 위치변화를 측정하여 시료의 표면지형에 대한 정보를 얻을 수 있다.

원자력현미경(AFM)의 구성 및 작동도

원자력 현미경 AFM 시스템은 힘 감지 부분, 위치 감지 부분, 피드백 전자 시스템, 압전 스캐닝 시스템의 네 부분으로 나뉩니다.

1. 힘 감지 캔틸레버

원자간력현미경(AFM) 시스템에서 감지할 힘은 원자 사이의 반데르발스 힘입니다. 그래서 이 시스템에서는 작은 캔틸레버(Cantilever)를 사용하여 원자 사이의 힘의 변화를 감지합니다. 작은 캔틸레버에는 길이, 너비, 탄성 계수 및 팁 모양과 같은 특정 사양이 있으며 이러한 사양의 선택은 샘플의 특성 및 다양한 작동 모드를 기반으로 하며 다양한 유형의 프로브가 선택됩니다.

2. 위치 감지 광검출기

바늘 끝이 샘플과 상호 작용할 때 캔틸레버가 흔들리므로 레이저가 캔틸레버의 끝을 조사하면 캔틸레버의 스윙으로 인해 반사광의 위치도 변경됩니다. , 오프셋이 발생합니다. 전체 시스템에서 레이저 스폿 위치 감지기는 오프셋을 기록하고 컨트롤러가 신호 처리를 수행할 수 있도록 이를 전기 신호로 변환하는 데 사용됩니다.

3. 피드백 전자 시스템: 피드백 루프

AFM 피드백 제어는 컴퓨터 시스템과 전자 회로에 의해 완료됩니다. AFM의 작동은 고속의 강력한 컴퓨터의 제어하에 구현됩니다. 제어 시스템에는 두 가지 주요 기능이 있습니다. (1) 압전 변환기의 XY 방향 스캐닝을 제어하기 위해 구동 전압을 제공합니다. (2) 일정한 힘 모드에서 현미경 감지 루프에서 입력 아날로그 신호의 일정한 값을 유지합니다. 컴퓨터는 A/D 변환을 통해 루프 전압(즉, 설정값과 실제 측정값의 차이)을 읽고 비교합니다. 다른 전압 값에 따라 제어 시스템은 해당 전압을 지속적으로 출력하여 Z 방향으로 압전 센서의 팽창 및 수축을 조정하여 A/D 변환기로 판독된 편차를 수정함으로써 비교 루프의 출력 전압을 유지합니다. 끊임없는.
전자 회로 시스템은 컴퓨터와 스캐닝 시스템을 연결하는 역할을 합니다. 전자 회로는 압전 세라믹 튜브에 전압을 제공하고 위치 감지 장치에서 신호를 수신하며 바늘 끝과 샘플 사이의 거리를 제어하기 위한 피드백 시스템을 형성합니다.

4. 압전 스캐너

스캐너는 샘플의 AFM 스캔을 정밀하게 제어합니다. 스캐너에는 압전 변환기가 설치되어 있으며, 압전 장치는 X, Y, Z의 3방향으로 시료 또는 프로브의 위치를 정밀하게 제어합니다.
현재 스캐너의 매트릭스 재료는 주로 납 지르콘 티탄산염[Pb(Ti,Zr)O3]으로 만들어진 압전 세라믹 재료입니다. 압전 세라믹은 압전 효과가 있어 전압을 인가하면 수축하는 특성을 가지며, 수축 정도는 인가 전압에 비례한다. 압전 세라믹은 1mV에서 1000V 범위의 전압 신호를 1/10 나노미터에서 수 마이크로미터 범위의 변위로 변환할 수 있습니다.

원자현미경(AFM)의 힘 및 작동 모드

원자현미경의 끝과 샘플 사이에는 몇 가지 다른 상호 작용력이 있으며 다음 표에 나열되어 있습니다. 다른 힘에 따라 AFM은 위상 모드, 자기 모드, 정전기력 모드, 확장된 저항, 횡력, 힘 변조 등 다양한 작동 모드로 확장될 수 있습니다.

원자현미경의 작동 모드는 프로브와 샘플 사이의 힘의 형태로 분류됩니다. 세 가지 주요 작동 모드가 있습니다: 접촉 모드, 비접촉 모드 및 태핑 모드.

접촉 모드

접촉 모드는 원자현미경의 가장 직접적인 이미징 모드입니다. 전체 스캐닝 이미징 프로세스 동안 프로브 팁은 항상 샘플 표면과 밀접하게 접촉하고 둘 사이의 상호 작용력은 반발력이며 힘의 크기는 10-10에서 10-6N 범위입니다. 스캐닝하는 동안 팁에 캔틸레버가 가하는 힘은 시편의 표면 구조를 손상시킬 가능성이 있습니다. 접촉 모드는 부드러운 표면을 가진 샘플을 테스트하는 데 적합하지 않습니다.

장점:빠른 스캔 속도, "원자 해상도" 이미지를 얻을 수 있는 유일한 모드.
불리:측면 힘은 이미지 품질에 영향을 줍니다. 공기 중에서는 시료 표면에 흡착된 액체층의 모세관 작용으로 인해 바늘 끝과 시료 사이의 접착력이 매우 큽니다. 횡력과 접착력의 결합은 이미지의 공간 해상도를 감소시킵니다. 또한 팁으로 샘플을 긁으면 부드러운 샘플(예: 생물학적 샘플, 폴리머 등)이 손상될 수 있습니다.

비접촉 모드

샘플 표면이 비접촉 모드로 프로브되면 캔틸레버가 샘플 표면 위 5-10nm 거리에서 진동합니다. 이때 샘플과 바늘 끝 사이의 상호 작용은 반 데르 발스 힘, 일반적으로 10-12 N에 의해 제어되며 샘플은 파괴되지 않으며 바늘 끝은 오염되지 않으며 특히 표면 연구에 적합합니다. 부드러운 개체의. 이 작동 모드의 단점은 실온 대기에서 이 모드를 달성하기가 매우 어렵다는 것입니다. 얇은 층의 물은 필연적으로 시료 표면에 축적되기 때문에 시료와 팁 사이에 작은 모세관 다리를 만들어 팁과 표면을 함께 끌어 표면에 대한 팁의 압력을 증가시킵니다.

이점:샘플 표면에 힘이 작용하지 않습니다.
불리:일반적으로 물을 매우 두려워하는 샘플에만 사용됩니다. 바늘 끝이 샘플에서 분리되어 있기 때문에 측면 분해능이 낮습니다. 흡착층과의 접촉을 방지하고 바늘 끝이 달라붙는 것을 방지하기 위해 스캔 속도는 탭핑 모드 및 접촉 모드 AFM보다 느리고 샘플 표면의 흡착 액체 층이 너무 얇으면 매우 얇아야 합니다. 두꺼운 바늘 끝은 액체 층으로 가라앉아 피드백 불안정을 유발하고 샘플을 긁을 수 있습니다.

태핑 모드

탭핑 모드는 접촉 모드와 비접촉 모드 사이에 하이브리드 개념이다. 캔틸레버는 샘플 표면 위의 공진 주파수에서 진동하고 팁은 샘플 표면을 짧게 주기적으로 만지거나 두드립니다. 이것은 샘플과 접촉하는 팁에 의해 생성되는 횡력이 상당히 감소됨을 의미합니다. 따라서 AFM의 태핑 모드는 부드러운 샘플을 감지할 때 가장 좋은 선택 중 하나입니다. AFM이 샘플을 이미지화하고 스캔하기 시작하면 장치는 물체의 표면 분석을 위해 표면 거칠기, 평균 높이, 봉우리와 계곡 사이의 최대 거리 등과 같은 관련 데이터를 시스템에 입력합니다. 동시에 AFM은 팁과 샘플 사이의 힘을 결정하기 위해 캔틸레버의 굽힘 정도를 측정하여 힘 측정 작업을 완료할 수도 있습니다.

장점:횡력의 영향이 잘 제거되고 흡착 액층으로 인한 힘이 감소하며 이미지 해상도가 높습니다. 표면을 손상시키지 않고 부드럽고 부서지기 쉬운 또는 끈적한 샘플을 보는 데 이상적입니다.
불리:접촉 모드보다 느린 스캔 속도.

원자력현미경(AFM)의 응용분야

재료 과학:주로 금속, 합금, 박막, 결정, 세라믹, 폴리머, 복합 재료 등을 포함하는 마이크로 나노 재료의 표면 형태, 거칠기, 기계적 특성, 국부적인 전기적 특성 등;

반도체 및 마이크로일렉트로닉스:칩 또는 웨이퍼 표면의 3D 구조, 거칠기, 결함 감지, 국부적 전기적 특성 등

생물학 및 의학:DNA, 단백질, 세포, 바이러스, 생물학적 거대분자 제자리 이미징 및 연구 등;
물리 및 화학: 재료 표면의 원자 구조를 감지하고, 원자 간의 상호 작용력, 표면 화학 반응을 연구하고, 화학 반응의 원자 수준 변화를 관찰합니다.

나노 교육:나노기술 교육, 물질 표면의 나노구조 관찰, 나노미터에 대한 기초 이론지식 습득, 과학 연구에 대한 학생들의 흥미 함양 등

원자력현미경(AFM)의 장점

• 원자현미경은 3차원 이미징을 수행할 수 있으며 가로 및 세로 방향 모두에서 매우 높은 해상도를 가지며 가로 방향으로 0.2nm, 세로 방향으로 0.05nm에 도달할 수 있습니다.

• AFM은 샘플 표면의 실시간 실제 3차원 이미지를 얻습니다. 이는 일부 소프트웨어 알고리즘을 통해 샘플의 표면 구조를 추론하는 일부 분석 장비와 다릅니다.

• AFM은 관찰된 샘플의 반사율과 전도도에 대한 제한이 없습니다. 전도성 시료, 비전도성 시료, 생물학적 시료를 측정할 수 있습니다.

• 원자현미경의 사용 환경은 느슨하며 진공뿐만 아니라 대기, 저온, 상온, 고온 및 용액에서도 작동할 수 있습니다.

• AFM은 특별한 시료 전처리 기술을 필요로 하지 않으며 검출 과정은 기본적으로 시료를 손상시키지 않습니다.

• AFM은 시료 표면의 3차원 형태, 거칠기, 입자 크기, 필름 두께, 표면 결함 등을 관찰하는 것 외에도 미세한 물질의 기계적, 전기적, 열적 특성을 감지할 수 있습니다.

• Opto-Edu 원자력 현미경(AFM) 모델

A64.4500 교육 수준, 원자력 현미경(AFM)

교육 수준 별도의 컨트롤러 및 본체 설계, 탭핑 모드, 4x 목표, 교육용 경제 모델.

◆ 소형화 및 탈착식 디자인으로 휴대 및 교육이 매우 쉽습니다.

◆ 레이저 감지 헤드와 샘플 스캐닝 단계가 통합되어 구조가 매우 안정적이며 간섭 방지가 강합니다.

◆ 정밀 프로브 포지셔닝 장치, 레이저 스폿 정렬 조정이 매우 쉽습니다.

◆ 단일 축 드라이브 샘플은 자동으로 프로브에 수직으로 접근하여 바늘 끝이 샘플 스캔에 수직이 되도록 합니다.

◆ 모터로 제어되는 가압 압전 세라믹 자동 감지의 지능형 바늘 공급 방식으로 프로브와 샘플 보호

◆ 자동 광학 위치 지정, 초점 필요 없음, 프로브 샘플 스캔 영역의 실시간 관찰 및 위치 지정

◆ 스프링 서스펜션 충격 방지 방법, 간단하고 실용적인, 좋은 충격 방지 효과

◆ 통합 스캐너 비선형 보정 사용자 편집기, 98% 이상의 나노미터 특성화 및 측정 정확도

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A62.4501 기본 수준, 원자력 현미경(AFM)

기본 레벨, 별도의 컨트롤러 및 본체 설계, 접촉 모드, 탭핑 모드, 4x 대물렌즈 포함.

1. 스캐닝 프로브와 샘플 스테이지가 통합되어 있으며 간섭 방지 기능이 강력합니다.

2. 정밀 레이저 및 프로브 위치 지정 장치, 프로브를 교체하고 스팟을 조정하는 것이 간단하고 편리합니다.

3. 바늘 끝이 샘플 스캐닝에 수직이 되도록 샘플 접근 프로브 방법을 사용합니다.

4. 모터의 자동 펄스 제어는 샘플을 구동하여 프로브에 수직으로 접근하여 스캐닝 영역의 정확한 위치를 달성합니다.

5. 4X 대물 렌즈 광학 포지셔닝, 초점을 맞출 필요가 없으며 프로브 샘플 스캐닝 영역의 실시간 관찰 및 위치 지정;

6. 스프링 서스펜션 충격 방지 방법은 간단하고 실용적이며 강력한 간섭 방지 기능이 있습니다.

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A62.4503 연구 수준, 원자력 현미경(AFM), 일체형 설계

연구 수준, 결합된 컨트롤러 및 본체 설계, 접촉 모드, 탭핑 모드, 10x 대물렌즈 포함.

1. 스캐닝 프로브와 샘플 스테이지가 통합되어 있으며 간섭 방지 기능이 강력합니다.

2. 정밀 레이저 및 프로브 위치 지정 장치, 프로브를 교체하고 스팟을 조정하는 것이 간단하고 편리합니다.

3. 바늘 끝이 샘플 스캐닝에 수직이 되도록 샘플 접근 프로브 방법을 사용합니다.

4. 다양한 정확도 및 스캔 범위 요구 사항에 따라 고정밀 및 대규모 압전 세라믹 스캐너를 선택할 수 있습니다.

5. 10X APO 대물 렌즈의 광학 위치 지정, 초점을 맞출 필요가 없으며 프로브 샘플 스캐닝 영역의 실시간 관찰 및 위치 지정;

6. 스프링 서스펜션 충격 방지 방법은 간단하고 실용적이며 강력한 간섭 방지 기능이 있습니다.

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A62.4505 광학 + 원자력 현미경

결합된 광학 현미경 + AFM 올인원, A62.4505에는 Infinity Plan LWD APO 대물렌즈 5x10x20x50x, 접안렌즈 10x, 5.0M 디지털 카메라, 측정 기능이 있는 10" LCD 모니터, 광학 모드 및 두 가지 모두에서 샘플을 볼 수 있는 LED 콜러 조명이 있습니다. 원자현미경 모드.

1. 광학 현미경과 원자력 현미경의 통합 설계, 통합 광전 제어;

2. 광학 및 원자력 현미경 이미징 기능을 모두 가지고 있으며 서로 영향을 미치지 않고 동시에 스캔하고 이미지화할 수 있습니다.

3. 동시에 광학 2차원 측정 및 원자력 현미경 3차원 측정의 기능을 가지고 있습니다.

4. 수직 광학 경로 설계가 채택되었으며 기액 이중 목적 프로브 홀더는 공기 또는 액체에서 동시에 사용할 수 있습니다.

5. 고배율 광학 포지셔닝 시스템은 프로브 및 샘플 스캐닝 영역의 정확한 위치를 달성하는 데 사용됩니다.

6. 휴대용 레이저 스폿 조정 방법은 광학 CCD 창을 통해 실시간으로 스폿을 관찰하고 조정할 수 있습니다.

7. 강력한 간섭 방지 기능이 있고 기기 작동에 영향을 미치지 않는 공압식 충격 흡수 테이블이 장착되어 있습니다.

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Opto-Edu 갠트리 유형 원자력 현미경(AFM)

A62.4510 프로브 스캐닝 원자력 현미경

A62.4511 평면 스캐닝 원자력 현미경

A62.4510 + 압전 시프트 스캐닝 스테이지 = A62.4511

◆중국 최초의 원자현미경으로 시료를 움직이지 않고 프로브를 움직이고 스캔합니다.

◆중국에서 최초로 폐쇄 루프 3축 독립 압력 이동 스캐너를 사용하여 넓은 범위에서 높은 정밀도로 스캔할 수 있습니다.

◆샘플 크기와 무게는 기본적으로 무제한이며 특히 큰 샘플의 감지에 적합합니다. 샘플 관심 영역;

◆갠트리 스캐닝 헤드 디자인, 대리석 바닥, 진공 흡착 단계;

◆탐침과 샘플을 보호하기 위해 모터로 제어되는 압전 세라믹을 자동으로 감지하는 지능형 바늘 공급 방식;

◆자동 광학 위치, 초점, 실시간 관찰 및 위치 프로브 샘플 스캔 영역을 조정할 필요가 없습니다.

◆폐쇄 금속 실드, 공압 충격 흡수 테이블, 강력한 간섭 방지 기능을 갖추고 있습니다.

◆통합 스캐너 비선형 보정 사용자 편집기, 나노미터 특성화 및 측정 정확도는 98% 이상입니다.

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A62.4511에 대한 자세한 내용을 보려면 클릭하십시오.

원자력 현미경(AFM)의 샘플 사진