ab

Hoe een Atom Force Microscope (AFM) selecteren?

Korte geschiedenis van de ontwikkeling van microscopen

• Eerste generatie:Optische microscoop(uitgevonden in de 17e eeuw)

• Tweede generatie: elektronenmicroscoop (1932)

In 1933, Ruska en Knoll, Duitsland: de eerste scanning elektronenmicroscoop (SEM), waarvoor een hoog vacuüm vereist was en geen atomen kon onderscheiden;
Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), hoogvacuüm-, bulk- en interfacestudies van dunnelaagmonsters, hoge prijs;
Veld elektronenmicroscoop (FEM) en veldionenmicroscoop (FEM) detecteren de atomaire structuur op de punt van r<100nm, en de monstervoorbereiding is gecompliceerd;

• Derde generatie: scanning probe microscopie(SPM) (1982)

1982 IBM Zürich Laboratory en Binnig Rohrer, het eerste nieuwe type instrument voor oppervlakteanalyse - Scanning Tunneling Microscope (STM);
1986 Binnig, Quate en Gerber vinden de eerste atoommicroscoop (AFM) uit

Scanning Probe Microscope (SPM) in vergelijking met andere microscopie

De belangrijkste microscopische analysetechnieken op dit moment:

Eerste generatie:Optische microscoop(inclusief interferentie, confocale en digitale holografie)
Tweede generatie:Elektronen microscoop(VoornamelijkSEMenTEM)
Derde generatie: scanning probe microscopie(SPM)

Vergelijking van resolutie van drie generaties microscopen

Wat is scanning probe microscopie (SPM)

Scanning Probe Microscope (SPM), is de derde generatie microscoop, zoals de naam al doet vermoeden, het is scanning + probe + microscoop. Het principe van SPM is om een sonde te gebruiken om het oppervlak van het monster te scannen met een rasterlijn, en om de oppervlaktekenmerken van het monster vast te leggen en een beeld te verkrijgen door de interactie tussen de sonde en het monster te detecteren.

Classificatie van Scanning Probe Microscope (SPM)

Volgens het verschil in de detectiekracht tussen de sonde en het monster,Scanning Probe Microscopie (SPM)kan worden onderverdeeld in twee categorieën, namelijkScanning Tunneling Microscopie (STM), die stroom gebruikt om te detecteren, enAtomic Force Microscoop (AFM), die verschillende krachten gebruikt om te detecteren.

AFMkan ook worden onderverdeeld in magnetische krachtmicroscoop, wrijvingskrachtmicroscoop, laterale krachtmicroscoop, chemische krachtmicroscoop, elektrostatische krachtmicroscoop en andere typen volgens de verschillende krachten.

Verschillen tussenSTMenAFMtoepassingen:

Scanning Tunneling Microscope (STM) wordt voornamelijk gebruikt voor de studie van geleiders,
Atomic Force Microscopy (AFM) kan niet alleen worden gebruikt voor de studie van geleiders, maar ook voor de studie van niet-geleiders.

Scherptediepte, monstervoorbereiding van verschillende microscopen

Voor- en nadelen van Scanning Probe Microscope (SPM)

Als nieuw type microscoopinstrument heeft SPM duidelijke voordelen in vergelijking met eerdere microscoopanalyse-instrumenten:

• SPM heeft een extreem hoge resolutie, zoals STM parallel en loodrecht op de oppervlakte van het monster kan de richting van 0,1 nm en 0,01 nm bereiken.

• SPM verkrijgt een realtime 3D-beeld met hoge resolutie van het monsteroppervlak, dat verschilt van sommige analytische instrumenten door middel van indirecte of computationele methoden om de oppervlaktestructuur van het monster te schatten.

• SPM maakt directe observatie mogelijk van oppervlaktedefecten, oppervlakteremodellering, morfologie en locatie van oppervlakteadsorbaten, en oppervlakteremodellering geïnduceerd door adsorptiemiddelen.

• De gebruiksomgeving van SPM is los, het kan niet alleen in vacuüm werken, maar ook in atmosfeer, lage temperatuur, normale temperatuur, hoge temperatuur en zelfs in oplossing.

• SPM vereist geen speciale monstervoorbereidingstechnieken en het detectieproces is in principe onschadelijk voor het monster.

• In combinatie met scanning tunneling spectroscopie kan informatie over de oppervlaktestructuur worden verkregen, zoals de toestandsdichtheid op verschillende niveaus van het oppervlak, elektronenvallen aan het oppervlak, veranderingen in potentiaalbarrières aan het oppervlak, enz.

• Tegelijkertijd heeft SPM ook enkele nadelen

• Scansnelheid. Omdat het werkingsprincipe is om een sonde met een bepaalde kwaliteit te besturen voor scanbeeldvorming, is de scansnelheid beperkt en is de detectie-efficiëntie lager dan bij andere microscopiemethoden.

• Scanbereik. Beperkt door het rekbereik van piëzo-elektrisch keramiek, ligt het maximale scanbereik van SPM in het bereik van tientallen tot honderden microns.

• positioneringsnauwkeurigheid. Omdat piëzo-elektrische keramiek een klein bewegingsbereik heeft onder de premisse van positioneringsnauwkeurigheid, en de mechanische aanpassingsnauwkeurigheid er niet mee kan worden verbonden, kan het geen grootschalig continu zoomen zoals elektronenmicroscopen bereiken, en is het moeilijk om karakteristieken te lokaliseren en te vinden structuren.

• Monster oppervlakteruwheid. Buisvormige piëzo-elektrische scanners worden momenteel veel gebruikt en hun verticale rekbereik is 1/10 van het vlakke scanbereik. Als de oppervlaktegolf van het te testen monster het uitzettings- en samentrekkingsbereik van de scanbuis overschrijdt, zal het systeem defect raken of zelfs de sonde beschadigen.

• Naaldscherpte. Aangezien het systeem de oppervlaktetopografie afleidt door het bewegingstraject van de sonde te detecteren wanneer het het monster scant, zullen de geometrische breedte, krommingsstraal en anisotropie van de sonde beeldvervorming veroorzaken.

Basisprincipes van Atomic Force Microscope (AFM)

Het ene uiteinde van een cantilever, dat extreem gevoelig is voor zwakke kracht, is gefixeerd en het andere uiteinde heeft een kleine naaldpunt. De naaldpunt is in licht contact met het monsteroppervlak. Door de extreem zwakke afstotende kracht tussen de atomen aan de punt van de naaldpunt en de atomen op het monsteroppervlak, door deze te controleren tijdens het scannen. Wanneer de kracht constant is, zal de cantilever met de punt fluctueren in de richting loodrecht op het oppervlak van het monster, overeenkomend met het isovlak van de kracht tussen de punt en de oppervlakte-atomen van het monster. Met behulp van de optische detectiemethode of de tunnelstroomdetectiemethode kan de positieverandering van de microcantilever die overeenkomt met elk scanpunt worden gemeten, zodat de informatie over de oppervlaktetopografie van het monster kan worden verkregen.

Samenstelling & Werkschema van Atomic Force Microscope (AFM)

Het AFM-systeem van de atomaire krachtmicroscoop is verdeeld in vier delen: krachtdetectiedeel, positiedetectiedeel, elektronisch feedbacksysteem, piëzo-elektrisch scansysteem.

1. Krachtdetectie cantilever

In een atomic force microscope (AFM)-systeem is de te detecteren kracht de van der Waals-kracht tussen atomen. Dus in dit systeem wordt een kleine cantilever (Cantilever) gebruikt om de verandering van de kracht tussen atomen te detecteren. De kleine cantilever heeft bepaalde specificaties, zoals: lengte, breedte, elasticiteitsmodulus en vorm van de punt, en de selectie van deze specificaties is gebaseerd op de kenmerken van het monster en de verschillende bedieningsmodi, en er worden verschillende soorten sondes geselecteerd.

2. Positiegevoelige fotodetector

Wanneer de naaldpunt samenwerkt met het monster, zal de cantilever zwaaien, dus wanneer de laser het uiteinde van de cantilever bestraalt, zal de positie van het gereflecteerde licht ook veranderen als gevolg van de zwaai van de cantilever. , wat resulteert in een offset. In het hele systeem wordt de laserspotpositiedetector gebruikt om de offset vast te leggen en om te zetten in een elektrisch signaal voor de controller om signaalverwerking uit te voeren.

3. Feedback elektronisch systeem: feedbacklus

AFM-feedbackcontrole wordt voltooid door een computersysteem en een elektronisch circuit. De werking van AFM wordt gerealiseerd onder besturing van een snelle en krachtige computer. Het besturingssysteem heeft twee hoofdfuncties: (1) Zorg voor de stuurspanning om het scannen in de XY-richting van de piëzo-elektrische transducer te regelen; (2) Handhaaf een constante waarde van het analoge ingangssignaal van de microscoopdetectielus in de constante krachtmodus. De computer leest en vergelijkt de lusspanning (dwz het verschil tussen de ingestelde waarde en de werkelijke gemeten waarde) door middel van A/D-conversie. Volgens de verschillende spanningswaarden voert het besturingssysteem continu de overeenkomstige spanning uit om de uitzetting en samentrekking van de piëzo-elektrische sensor in de Z-richting aan te passen om de afwijking te corrigeren die in de A / D-omzetter wordt gelezen, waardoor de uitgangsspanning van de vergelijkingslus behouden blijft constante.
Het elektronische circuitsysteem speelt de rol van het verbinden van de computer en het scansysteem. Het elektronische circuit levert spanning voor de piëzo-elektrische keramische buis, ontvangt het signaal van het positiegevoelige apparaat en vormt een feedbacksysteem voor het regelen van de afstand tussen de naaldpunt en het monster.

4. Piëzo-elektrische scanner

De nauwkeurige controle van de AFM-scan van het monster wordt bereikt door de scanner. Een piëzo-elektrische transducer is in de scanner geïnstalleerd en het piëzo-elektrische apparaat regelt nauwkeurig de positie van het monster of de sonde in de drie richtingen van X, Y en Z.
Momenteel is het matrixmateriaal van de scanner voornamelijk een piëzo-elektrisch keramisch materiaal gemaakt van loodzirkonaattitanaat [Pb(Ti,Zr)O3]. Piëzo-elektrische keramiek heeft een piëzo-elektrisch effect, dat wil zeggen dat ze krimpkarakteristieken hebben wanneer een spanning wordt aangelegd, en de mate van krimp is evenredig met de aangelegde spanning. Piëzo-elektrisch keramiek kan spanningssignalen van 1 mV tot 1000 V omzetten in verplaatsingen van tienden van een nanometer tot enkele micrometers.

Kracht & Werkmodus van Atomic Force Microscope (AFM)

Er zijn verschillende interactiekrachten tussen de punt van de AFM en het monster, die in de volgende tabel worden vermeld. Volgens verschillende krachten kan AFM worden uitgebreid tot verschillende werkmodi: fasemodus, magnetische modus, elektrostatische krachtmodus, uitgebreide weerstand, laterale kracht, krachtmodulatie, enz.

De werkmodi van AFM worden geclassificeerd in de vorm van de kracht tussen de sonde en het monster. Er zijn drie hoofdbedieningsmodi: contactmodus, contactloze modus en tikmodus.

Contactmodus

De contactmodus is de meest directe beeldvormingsmodus van AFM. Tijdens het hele scanbeeldvormingsproces staat de sondepunt altijd in nauw contact met het monsteroppervlak en de interactiekracht tussen de twee is een afstotende kracht en de grootte van de kracht varieert van 10-10 tot 10-6N. Tijdens het scannen kan de kracht die door de cantilever op de punt wordt uitgeoefend, daarom de oppervlaktestructuur van het monster beschadigen. De contactmodus is niet geschikt voor het testen van monsters met zachte oppervlakken.

Voordelen:Hoge scansnelheid, de enige modus die afbeeldingen met "atomaire resolutie" kan verkrijgen.
Nadeel:Zijdelingse kracht beïnvloedt de beeldkwaliteit. In de lucht is door de capillaire werking van de geadsorbeerde vloeistoflaag op het oppervlak van het monster de hechting tussen de naaldpunt en het monster erg groot. De gecombineerde kracht van de zijdelingse kracht en de houdkracht leidt tot een afname van de ruimtelijke resolutie van het beeld. Ook kan het krassen van het monster met de punt zachte monsters (zoals biologische monsters, polymeren, enz.) beschadigen.

Contactloze modus

Wanneer het monsteroppervlak in contactloze modus wordt gesondeerd, oscilleert de cantilever op een afstand van 5-10 nm boven het monsteroppervlak. Op dit moment wordt de interactie tussen het monster en de naaldpunt gecontroleerd door de van der Waals-kracht, meestal 10 - 12 N, het monster zal niet worden vernietigd en de naaldpunt zal niet worden verontreinigd, vooral geschikt voor het bestuderen van het oppervlak van zachte voorwerpen. Het nadeel van deze manier van werken is dat het erg moeilijk is om deze modus te bereiken in een atmosfeer op kamertemperatuur. Omdat zich onvermijdelijk een dunne laag water ophoopt op het oppervlak van het monster, creëert het een kleine capillaire brug tussen het monster en de punt, waardoor de punt en het oppervlak naar elkaar toe worden getrokken, waardoor de druk van de punt tegen het oppervlak toeneemt.

Voordeel:Er werkt geen kracht op het monsteroppervlak.
Nadeel:Meestal alleen gebruikt voor monsters die erg bang zijn voor water. Omdat de naaldpunt van het monster is gescheiden, is de laterale resolutie laag; om contact met de adsorptielaag te voorkomen en ervoor te zorgen dat de naaldpunt blijft plakken, is de scansnelheid lager dan die van de tikmodus en contactmodus AFM, en moet de adsorptievloeistoflaag op het monsteroppervlak erg dun zijn, als het te dik, de naaldpunt Kan in de vloeistoflaag wegzakken, wat instabiliteit van de feedback en krassen op het monster veroorzaakt.

Tikmodus

De tapmodus bevindt zich tussen de contactmodus en de contactloze modus, wat een hybride concept is. De cantilever oscilleert met zijn resonantiefrequentie boven het monsteroppervlak en de punt raakt/tikt het monsteroppervlak slechts kort en periodiek. Dit betekent dat de zijdelingse kracht die wordt gegenereerd door de tip die in contact komt met het monster aanzienlijk wordt verminderd. Daarom is de tapmodus van AFM een van de beste keuzes bij het detecteren van aanbestedingsmonsters. Zodra de AFM het monster begint af te beelden en te scannen, voert het apparaat relevante gegevens in het systeem in, zoals oppervlakteruwheid, gemiddelde hoogte, maximale afstand tussen pieken en dalen, enz., voor oppervlakteanalyse van het object. Tegelijkertijd kan AFM ook het krachtmetingswerk voltooien, waarbij de buigingsgraad van de cantilever wordt gemeten om de kracht tussen de punt en het monster te bepalen.

Voordelen:De invloed van zijdelingse kracht is goed geëlimineerd, de kracht veroorzaakt door de adsorptievloeistoflaag wordt verminderd en de beeldresolutie is hoog. Ideaal voor het bekijken van zachte, broze of plakkerige monsters zonder het oppervlak te beschadigen.
Nadeel:lagere scansnelheid dan contactmodus.

Toepassingsgebieden van Atomic Force Microscope (AFM)

Materiaal kunde:Oppervlaktemorfologie, ruwheid, mechanische eigenschappen, lokale elektrische eigenschappen, enz. van micro-nanomaterialen, voornamelijk metalen, legeringen, dunne films, kristallen, keramiek, polymeren, composietmaterialen, enz.;

Halfgeleider en micro-elektronica:3D-structuur van chip- of waferoppervlak, ruwheid, defectdetectie, lokale elektrische eigenschappen, enz.;

Biologie en geneeskunde:DNA, eiwit, cel, virus, biologische macromoleculaire in situ beeldvorming en onderzoek, enz.;
Natuurkunde en scheikunde: Detecteer de atomaire structuur van het materiaaloppervlak, bestudeer de interactiekracht tussen atomen, chemische oppervlaktereacties, observeer de veranderingen op atomair niveau van chemische reacties, enz.;

Nano-onderwijzend onderwijs:het onderwijzen van nanotechnologie, het observeren van nanostructuren op het oppervlak van materialen, het leren van de theoretische basiskennis van nanometers, en het kweken van de interesse van studenten voor wetenschappelijk onderzoek, enz.

Voordeel van Atomic Force Microscope (AFM)

• AFM kan driedimensionale beeldvorming uitvoeren en heeft een extreem hoge resolutie in zowel laterale als verticale richtingen, die 0,2 nm in laterale richting en 0,05 nm in verticale richting kan bereiken;

• AFM verkrijgt een real-time, echt driedimensionaal beeld van het monsteroppervlak, dat verschilt van sommige analytische instrumenten die de oppervlaktestructuur van het monster afleiden via sommige software-algoritmen;

• AFM heeft geen beperkingen op de reflectiviteit en geleidbaarheid van de waargenomen monsters. Het kan geleidende monsters, niet-geleidende monsters en biologische monsters meten.

• De gebruiksomgeving van AFM is los, het kan niet alleen in vacuüm werken, maar ook in atmosfeer, lage temperatuur, normale temperatuur, hoge temperatuur en zelfs in oplossing;

• AFM vereist geen speciale monstervoorbereidingstechnologie en het detectieproces beschadigt het monster in principe niet;

• Naast het observeren van de driedimensionale morfologie, ruwheid, deeltjesgrootte, filmdikte, oppervlaktedefecten, enz. van het monsteroppervlak, kan AFM ook de mechanische, elektrische en thermische eigenschappen van microscopisch kleine stoffen detecteren.

• Opto-Edu Atomic Force Microscope (AFM) modellen

A64.4500 Onderwijsniveau, Atomic Force Microscope (AFM)

Onderwijsniveau Afzonderlijk ontwerp van controller en hoofdgedeelte, met tikmodus, 4x objectief, economisch model voor lesgeven.

◆ Geminiaturiseerd en afneembaar ontwerp, zeer gemakkelijk te dragen en te leren

◆ De laserdetectiekop en de monsterscanfase zijn geïntegreerd, de structuur is zeer stabiel en de anti-interferentie is sterk

◆ Precisie-probepositioneringsapparaat, aanpassing van de laserpuntuitlijning is heel eenvoudig

◆ Het enkelassige aandrijfmonster nadert automatisch de sonde verticaal, zodat de naaldpunt loodrecht op de monsteraftasting staat

◆ De intelligente naaldaanvoermethode van motorgestuurde piëzo-elektrische keramische automatische detectie onder druk beschermt de sonde en het monster

◆ Automatische optische positionering, geen noodzaak om te focussen, realtime observatie en positionering van het scangebied van de sondemonster

◆ Schokbestendige methode met veerophanging, eenvoudig en praktisch, goed schokbestendig effect

◆ Geïntegreerde scanner niet-lineaire correctie gebruikerseditor, nanometerkarakterisering en meetnauwkeurigheid beter dan 98%

Klik om details van A62.4500 . te zien

A62.4501 Basisniveau, Atomic Force Microscope (AFM)

Basisniveau, aparte controller en ontwerp van het hoofdgedeelte, met contactmodus, tikmodus, 4x objectief.

1. De scansonde en de monsterfase zijn geïntegreerd en het anti-interferentievermogen is sterk;

2. Precisie laser- en sondepositioneringsapparaat, het is eenvoudig en handig om de sonde te vervangen en de plek aan te passen;

3. Gebruik de methode van de monster naderende sonde, zodat de naaldpunt loodrecht staat op het scannen van het monster;

4. De automatische pulsbesturing van de motor drijft het monster aan om de sonde verticaal te naderen om een nauwkeurige positionering van het scangebied te bereiken;

5. 4X optische positionering van de objectieflens, niet nodig om te focussen, realtime observatie en positionering van het scangebied van de sondemonster;

6. De schokbestendige methode met veerophanging is eenvoudig en praktisch en heeft een sterk anti-interferentievermogen.

Klik om details van A62.4501 . te zien

A62.4503 Onderzoeksniveau, Atomic Force Microscope (AFM), alles-in-één ontwerp

Onderzoeksniveau, gecombineerd controller- en hoofdlichaamontwerp, met contactmodus, tikmodus, 10x doelstelling.

1. De scansonde en de monsterfase zijn geïntegreerd en het anti-interferentievermogen is sterk;

2. Precisie laser- en sondepositioneringsapparaat, het is eenvoudig en handig om de sonde te vervangen en de plek aan te passen;

3. Gebruik de methode van de monster naderende sonde, zodat de naaldpunt loodrecht staat op het scannen van het monster;

4. Hoge precisie en grootschalige piëzo-elektrische keramische scanners kunnen worden geselecteerd op basis van verschillende nauwkeurigheids- en scanbereikvereisten;

5. Optische positionering van 10X APO-objectief, niet nodig om te focussen, realtime observatie en positionering van het scangebied van de sondemonster;

6. De schokbestendige methode met veerophanging is eenvoudig en praktisch en heeft een sterk anti-interferentievermogen.

Klik om details van A62.4503 . te zien

A62.4505 Optische + Atomic Force Microscoop

Gecombineerde optische microscoop + AFM All-in-One, A62.4505 heeft Infinity Plan LWD APO-objectief 5x10x20x50x, oculair 10x, 5.0M digitale camera, 10" LCD-monitor met meetfunctie, LED-kohler-verlichting om het monster te bekijken in zowel optische modus als AFM-modus.

1. Geïntegreerd ontwerp van optische microscoop en atoomkrachtmicroscoop, geïntegreerde foto-elektrische controle;

2. Het heeft zowel optische als atoomkrachtmicroscoopbeeldvormingsfuncties, die beide tegelijkertijd kunnen worden gescand en afgebeeld zonder elkaar te beïnvloeden;

3. Tegelijkertijd heeft het de functies van optische tweedimensionale meting en driedimensionale meting van de atomaire krachtmicroscoop;

4. Het verticale optische padontwerp wordt aangenomen en de gas-vloeistof dual-purpose sondehouder kan tegelijkertijd in lucht of vloeistof worden gebruikt;

5. Optisch positioneringssysteem met hoge vergroting wordt gebruikt om een nauwkeurige positionering van het sonde- en monsterscangebied te bereiken;

6. De draagbare laservlekaanpassingsmethode kan de plek in realtime observeren en aanpassen via het optische CCD-venster;

7. Uitgerust met een pneumatische schokabsorberende tafel, die een sterk anti-interferentievermogen heeft en de werking van het instrument niet beïnvloedt;

Klik om details van A62.4505 . te zien

Opto-Edu Gantry Type Atomic Force Microscope (AFM)

A62.4510 Sonde Scanning Atomic Force Microscoop

A62.4511 Plane Scanning Atomic Force Microscoop

A62.4510 + Piëzo-elektrische Shift Scanning Stage =A62.4511

◆De eerste atoomkrachtmicroscoop in China die het monster stil houdt en de sonde beweegt en scant;

◆De eerste in China die een gesloten-lus drie-assige onafhankelijke drukverschuivingsscanner gebruikt, die met hoge precisie in een breed bereik kan scannen;

◆De steekproefomvang en het gewicht zijn in principe onbeperkt, vooral geschikt voor de detectie van grote monsters; voorbeeld van interessegebied;

◆Gantry-scankopontwerp, marmeren voet, vacuümadsorptiefase;

◆Intelligente naaldaanvoermethode met automatische detectie van motorgestuurde piëzo-elektrische keramiek om sondes en monsters te beschermen;

◆ Automatische optische positionering, geen noodzaak om de focus aan te passen, realtime observatie en positionering van het sondemonsterscangebied;

◆ Uitgerust met gesloten metalen schild, pneumatische schokabsorberende tafel, sterk anti-interferentievermogen;

◆Geïntegreerde scanner niet-lineaire correctie gebruikerseditor, nanometerkarakterisering en meetnauwkeurigheid is beter dan 98%.

Klik om details van A62.4510 . te zien
Klik om details van A62.4511 . te zien

Voorbeeldfoto's van Atomic Force Microscope (AFM)