ab

Hvordan velge Atom Force Microscope (AFM)?

Kort historie om utvikling av mikroskoper

• Første generasjon:Optisk mikroskop(oppfunnet på 1600-tallet)

• Andre generasjon: Elektronmikroskop (1932)

I 1933, Ruska og Knoll, Tyskland: det første skanningselektronmikroskopet (SEM), som krevde høyt vakuum og ikke kunne skille atomer;
Transmisjonselektronmikroskopi (TEM), høyvakuum-, bulk- og grensesnittstudier av tynnlagsprøver, høy pris;
Feltelektronmikroskop (FEM) og feltionmikroskop (FEM) oppdager atomstrukturen på spissen av r<100nm, og prøveprepareringen er komplisert;

• Tredje generasjon: Scanning Probe Microscopy (SPM) (1982)

1982 IBM Zurich Laboratory og Binnig Rohrer, den første nye typen overflateanalyseinstrument - Scanning Tunneling Microscope (STM);
1986 Binnig, Quate og Gerber oppfinner det første atommikroskopet (AFM)

Scanning Probe Microscope (SPM) sammenlignet med andre mikroskopier

De viktigste mikroskopiske analyseteknikkene for tiden:

Første generasjon:Optisk mikroskop(Inkludert interferens, konfokal og digital holografi)
Andre generasjon:Elektronmikroskop(HovedsakeligSEMogTEM)
Tredje generasjon: Scanning Probe Microscopy (SPM)

Sammenligning av oppløsning av tre generasjoner mikroskoper

Hva er Scanning Probe Microscopy (SPM)

Scanning Probe Microscope (SPM), er tredje generasjons mikroskop, som navnet antyder, er det skanning + sonde + mikroskop. Prinsippet til SPM er å bruke en sonde til å skanne overflaten av prøven med en rasterlinje, og for å registrere overflatetrekkene til prøven og få et bilde ved å detektere interaksjonen mellom sonden og prøven.

Klassifisering av skanningsprobemikroskop (SPM)

I henhold til forskjellen i deteksjonskraften mellom sonden og prøven,Scanning Probe Microscopy (SPM)kan deles inn i to kategorier, nemligSkannetunnelmikroskopi (STM), som bruker strøm for å oppdage, ogAtomic Force Microscope (AFM), som bruker forskjellige krefter for å oppdage.

AFMkan også deles inn i magnetisk kraftmikroskop, friksjonskraftmikroskop, lateral kraftmikroskop, kjemisk kraftmikroskop, elektrostatisk kraftmikroskop og andre typer i henhold til de forskjellige kreftene.

Forskjeller mellomSTMogAFMapplikasjoner:

Scanning Tunneling Microscope (STM) brukes hovedsakelig til studiet av ledere,
Atomic Force Microscopy (AFM) kan brukes ikke bare for studiet av ledere, men også for studiet av ikke-ledere.

Dybdeskarphet, prøvepreparering av forskjellige mikroskoper

Fordeler og ulemper med Scanning Probe Microscope (SPM)

Som en ny type mikroskopverktøy har SPM åpenbare fordeler sammenlignet med tidligere mikroskopanalyseinstrumenter:

• SPM har ekstremt høy oppløsning, slik at STM parallelt og vinkelrett på prøvens overflateretning kan nå 0,1 nm og 0,01 nm.

• SPM oppnår et sanntids, høyoppløselig 3D-bilde av prøveoverflaten, som er forskjellig fra enkelte analytiske instrumenter gjennom indirekte eller beregningsmetoder for å estimere overflatestrukturen til prøven.

• SPM muliggjør direkte observasjon av overflatedefekter, overflateremodellering, morfologi og plassering av overflateadsorbater, og overflateremodellering indusert av adsorbenter.

• Bruksmiljøet til SPM er løst, det kan fungere ikke bare i vakuum, men også i atmosfære, lav temperatur, normal temperatur, høy temperatur og til og med i løsning.

• SPM krever ikke spesielle prøveprepareringsteknikker, og deteksjonsprosessen er i utgangspunktet ufarlig for prøven.

• I forbindelse med skanningstunnelspektroskopi kan informasjon om overflatestrukturen innhentes, slik som tettheten av tilstander på ulike nivåer av overflaten, overflateelektronfeller, endringer i overflatepotensialbarrierer osv.

• Samtidig har SPM også noen ulemper

• Skannehastighet. Siden arbeidsprinsippet er å kontrollere en sonde med en viss kvalitet for skanning av bildebehandling, er skanningshastigheten begrenset, og deteksjonseffektiviteten er lavere enn andre mikroskopimetoder.

• Skanneområde. Begrenset av strekkområdet til piezoelektrisk keramikk, er det maksimale skanningsområdet for SPM i området fra titalls til hundrevis av mikron.

• posisjoneringsnøyaktighet. Fordi piezoelektrisk keramikk har et lite bevegelsesområde under forutsetningen om å sikre posisjoneringsnøyaktighet, og den mekaniske justeringsnøyaktigheten ikke kan kobles til den, kan den ikke oppnå storskala kontinuerlig zooming som elektronmikroskoper, og det er vanskelig å lokalisere og finne karakteristiske egenskaper. strukturer.

• Prøve overflateruhet. Rørformede piezoelektriske skannere er mye brukt for tiden, og deres vertikale strekkområde er 1/10 av det plane skanningsområdet. Hvis overflatebølgen til prøven som skal testes overskrider ekspansjons- og sammentrekningsområdet til skannerøret, vil det føre til at systemet ikke fungerer eller til og med skader sonden.

• Nåleskarphet. Siden systemet utleder overflatetopografien ved å oppdage bevegelsesbanen til sonden når den skanner prøven, vil den geometriske bredden, krumningsradiusen og anisotropien til sonden forårsake bildeforvrengning.

Grunnleggende prinsipper for atomkraftmikroskop (AFM)

Den ene enden av en utkrager, som er ekstremt følsom for svak kraft, er festet, og den andre enden har en liten nålespiss. Nålespissen er i lett kontakt med prøveoverflaten. På grunn av den ekstremt svake frastøtende kraften mellom atomene på spissen av nålespissen og atomene på prøveoverflaten, ved å kontrollere dette under skanning. Når kraften er konstant, vil utkragingen med spissen svinge i retningen vinkelrett på overflaten av prøven tilsvarende isoplanet til kraften mellom spissen og overflateatomene til prøven. Ved å bruke den optiske deteksjonsmetoden eller tunnelstrømdeteksjonsmetoden kan posisjonsendringen til mikrokantilen som tilsvarer hvert skannepunkt måles, slik at informasjonen om overflatetopografien til prøven kan oppnås.

Sammensetning og arbeidsdiagram for Atomic Force Microscope (AFM)

Atomkraftmikroskopets AFM-system er delt inn i fire deler: kraftdeteksjonsdel, posisjonsdeteksjonsdel, elektronisk tilbakemeldingssystem, piezoelektrisk skanningssystem.

1. Force Detection Cantilever

I et atomkraftmikroskopsystem (AFM) er kraften som skal oppdages van der Waals-kraften mellom atomer. Så i dette systemet brukes en liten utkraging (Cantilever) for å oppdage endringen av kraften mellom atomer. Den lille utkragingen har visse spesifikasjoner, for eksempel: lengde, bredde, elastisitetsmodul og form på spissen, og valget av disse spesifikasjonene er basert på egenskapene til prøven og de forskjellige driftsmodusene, og forskjellige typer prober velges.

2. Plasser sensitiv fotodetektor

Når nålespissen samhandler med prøven, vil utkrageren svinge, så når laseren bestråler enden av utkrageren, vil også posisjonen til det reflekterte lyset endres på grunn av utkragingens sving. , som resulterer i en offset. I hele systemet brukes laserpunktposisjonsdetektoren til å registrere forskyvningen og konvertere den til et elektrisk signal slik at kontrolleren kan utføre signalbehandling.

3. Tilbakemelding elektronisk system: Tilbakemeldingssløyfe

AFM tilbakemeldingskontroll fullføres av datasystem og elektronisk krets. Driften av AFM er realisert under kontroll av høyhastighets og kraftig datamaskin. Kontrollsystemet har to hovedfunksjoner: (1) Gi drivspenningen for å kontrollere XY-retningsskanningen til den piezoelektriske transduseren; (2) Oppretthold en konstant verdi av det analoge inngangssignalet fra mikroskopdeteksjonssløyfen i konstant kraftmodus. Datamaskinen leser og sammenligner sløyfespenningen (dvs. forskjellen mellom innstilt verdi og den faktiske målte verdien) gjennom A/D-konvertering. I henhold til de forskjellige spenningsverdiene gir kontrollsystemet kontinuerlig ut den tilsvarende spenningen for å justere utvidelsen og sammentrekningen av den piezoelektriske sensoren i Z-retningen for å korrigere avviket som leses inn i A/D-omformeren, og dermed opprettholde utgangsspenningen til sammenligningssløyfen. konstant.
Det elektroniske kretssystemet spiller rollen som å koble datamaskinen og skannesystemet. Den elektroniske kretsen gir spenning for det piezoelektriske keramiske røret, mottar signalet fra den posisjonsfølsomme enheten, og danner et tilbakemeldingssystem for å kontrollere avstanden mellom nålespissen og prøven.

4. Piezoelektrisk skanner

Den nøyaktige kontrollen av AFM-skanningen av prøven oppnås av skanneren. En piezoelektrisk transduser er installert i skanneren, og den piezoelektriske enheten kontrollerer nøyaktig posisjonen til prøven eller sonden i de tre retningene X, Y og Z.
For tiden er matrisematerialet til skanneren hovedsakelig et piezoelektrisk keramisk materiale laget av blyzirkonattitanat [Pb(Ti,Zr)O3]. Piezoelektrisk keramikk har piezoelektrisk effekt, det vil si at de har krympingsegenskaper når en spenning påføres, og krympingsgraden er proporsjonal med den påførte spenningen. Piezoelektrisk keramikk kan konvertere spenningssignaler fra 1mV til 1000V til forskyvninger fra tideler av en nanometer til flere mikrometer.

Kraft og arbeidsmodus for atomkraftmikroskop (AFM)

Det er flere forskjellige interaksjonskrefter mellom spissen av AFM og prøven, som er oppført i følgende tabell. I henhold til forskjellige krefter kan AFM utvides til en rekke arbeidsmoduser: fasemodus, magnetisk modus, elektrostatisk kraftmodus, utvidet motstand, sidekraft, kraftmodulasjon, etc.

Arbeidsmodusene til AFM er klassifisert i form av kraften mellom sonden og prøven. Det er tre hovedmoduser: Kontaktmodus, Ikke-kontaktmodus og Tappemodus.

Kontaktmodus

Kontaktmodus er den mest direkte avbildningsmodusen til AFM. Under hele skanningsavbildningsprosessen er probespissen alltid i nær kontakt med prøveoverflaten, og interaksjonskraften mellom de to er en frastøtende kraft, og størrelsen på kraften varierer fra 10-10 til 10-6N. Under skanning har kraften som utøves av utkrageren på spissen potensial til å skade overflatestrukturen til prøven, derfor. Kontaktmodus er ikke egnet for testing av prøver med myke overflater.

Fordeler:Rask skannehastighet, den eneste modusen som kan oppnå bilder med "atomisk oppløsning".
Ulempe:Sidekraft påvirker bildekvaliteten. I luften, på grunn av kapillærvirkningen til det adsorberte væskelaget på overflaten av prøven, er adhesjonen mellom nålespissen og prøven veldig stor. Den kombinerte kraften til sidekraften og klebekraften fører til en reduksjon i den romlige oppløsningen til bildet. Å skrape prøven med spissen kan også skade myke prøver (som biologiske prøver, polymerer, etc.).

Ikke-kontaktmodus

Når prøveoverflaten undersøkes i ikke-kontaktmodus, svinger utkragingen i en avstand på 5–10 nm over prøveoverflaten. På dette tidspunktet styres interaksjonen mellom prøven og nålespissen av van der Waals-kraften, vanligvis 10 - 12 N, prøven vil ikke bli ødelagt, og nålespissen vil ikke bli forurenset, spesielt egnet for å studere overflaten av myke gjenstander. Ulempen med denne driftsmodusen er at det er svært vanskelig å oppnå denne modusen i romtemperatur. Fordi et tynt lag med vann uunngåelig samler seg på overflaten av prøven, skaper det en liten kapillærbro mellom prøven og spissen, som trekker spissen og overflaten sammen, og øker trykket av spissen mot overflaten.

Fordel:Ingen kraft virker på prøveoverflaten.
Ulempe:Brukes vanligvis kun til prøver som er veldig redde for vann. Fordi nålespissen er skilt fra prøven, er sideoppløsningen lav; for å unngå kontakt med adsorpsjonslaget og få nålespissen til å feste seg, er skannehastigheten lavere enn for Tapping Mode og Contact Mode AFM, og adsorpsjonsvæskelaget på prøveoverflaten må være veldig tynt hvis det er for tykk, kanylespissen synke ned i væskelaget, forårsake tilbakemeldingsstabilitet og riper opp prøven.

Trykkemodus

Tappemodusen er mellom kontaktmodus og ikke-kontaktmodus, som er et hybridkonsept. Utkrageren oscillerer med sin resonansfrekvens over prøveoverflaten og spissen berører/banker kun kort og periodisk på prøveoverflaten. Dette betyr at sidekraften som genereres av at spissen kommer i kontakt med prøven, reduseres betydelig. Derfor er tappemodusen til AFM et av de beste valgene når du oppdager ømme prøver. Når AFM begynner å avbilde og skanne prøven, vil enheten legge inn relevante data i systemet, slik som overflateruhet, gjennomsnittlig høyde, maksimal avstand mellom topper og daler, etc., for overflateanalyse av objektet. Samtidig kan AFM også fullføre kraftmålingsarbeidet, ved å måle bøyegraden til utkragingen for å bestemme kraften mellom spissen og prøven.

Fordeler:Påvirkningen av sidekraft er godt eliminert, kraften forårsaket av adsorpsjonsvæskelaget reduseres, og bildeoppløsningen er høy. Ideell for å se på myke, sprø eller klebrige prøver uten å skade overflaten.
Ulempe:lavere skannehastighet enn kontaktmodus.

Bruksområder for atomkraftmikroskop (AFM)

Materialvitenskap:Overflatemorfologi, ruhet, mekaniske egenskaper, lokale elektriske egenskaper osv. til mikronanomaterialer, hovedsakelig inkludert metaller, legeringer, tynne filmer, krystaller, keramikk, polymerer, komposittmaterialer, etc.;

Halvleder og mikroelektronikk:3D-struktur av brikke- eller waferoverflate, ruhet, defektdeteksjon, lokale elektriske egenskaper, etc.;

Biologi og medisin:DNA, protein, celle, virus, biologisk makromolekylær in situ avbildning og forskning, etc.;
Fysikk og kjemi: Oppdag atomstrukturen til materialoverflaten, studer samspillskraften mellom atomer, overflatekjemiske reaksjoner, observer endringene på atomnivå av kjemiske reaksjoner, etc.;

Nano-undervisningsutdanning:undervisning i nanoteknologi, observere nanostrukturer på overflaten av materialer, lære den grunnleggende teoretiske kunnskapen om nanometer, og dyrke elevenes interesse for vitenskapelig forskning m.m.

Fordelen med Atomic Force Microscope (AFM)

• AFM kan utføre tredimensjonal avbildning, og har ekstremt høy oppløsning i både lateral og vertikal retning, som kan nå 0,2 nm i lateral retning og 0,05 nm i vertikal retning;

• AFM oppnår et sanntids, ekte tredimensjonalt bilde av prøveoverflaten, som er forskjellig fra enkelte analytiske instrumenter som utleder overflatestrukturen til prøven gjennom noen programvarealgoritmer;

• AFM har ingen begrensninger på reflektiviteten og konduktiviteten til de observerte prøvene. Den kan måle ledende prøver, ikke-ledende prøver og biologiske prøver.

• Bruksmiljøet til AFM er løst, det kan fungere ikke bare i vakuum, men også i atmosfære, lav temperatur, normal temperatur, høy temperatur og til og med i løsning;

• AFM krever ikke spesiell prøveprepareringsteknologi, og deteksjonsprosessen skader i utgangspunktet ikke prøven;

• I tillegg til å observere den tredimensjonale morfologien, ruheten, partikkelstørrelsen, filmtykkelsen, overflatedefekter osv. på prøveoverflaten, kan AFM også oppdage de mekaniske, elektriske og termiske egenskapene til mikroskopiske stoffer.

• Opto-Edu Atomic Force Microscope (AFM) modeller

A64.4500 Undervisningsnivå, atomkraftmikroskop (AFM)

Undervisningsnivå Separat kontroller og hovedkroppsdesign, med tappemodus, 4x objektiv, økonomisk modell for undervisning.

◆ Miniatyrisert og avtakbar design, veldig lett å bære og lære bort

◆ Laserdeteksjonshodet og prøveskanningstrinnet er integrert, strukturen er veldig stabil, og anti-interferensen er sterk

◆ Presisjonssondeposisjoneringsenhet, laserpunktjustering er veldig enkel

◆ Enakset drivprøve nærmer seg automatisk sonden vertikalt, slik at nålespissen er vinkelrett på prøveskanningen

◆ Den intelligente nålematingsmetoden med motorstyrt trykksatt piezoelektrisk keramisk automatisk deteksjon beskytter sonden og prøven

◆ Automatisk optisk posisjonering, ingen behov for fokus, sanntidsobservasjon og posisjonering av sondeprøveskanningsområdet

◆ Fjæroppheng støtsikker metode, enkel og praktisk, god støtsikker effekt

◆ Integrert skanner, ikke-lineær korreksjon brukerredigerer, nanometerkarakterisering og målenøyaktighet bedre enn 98 %

Klikk for å se detaljer om A62.4500

A62.4501 Basic Level, Atomic Force Microscope (AFM)

Grunnnivå, separat kontroller og hovedkroppsdesign, med kontaktmodus, tappemodus, 4x mål.

1. Skannesonden og prøvetrinnet er integrert, og anti-interferensevnen er sterk;

2. Presisjonslaser og sondeposisjoneringsenhet, det er enkelt og praktisk å bytte ut sonden og justere stedet;

3. Bruk prøven som nærmer seg probemetoden, slik at nålespissen er vinkelrett på prøveskanningen;

4. Den automatiske pulskontrollen til motoren driver prøven til å nærme seg sonden vertikalt for å oppnå nøyaktig posisjonering av skanneområdet;

5. 4X objektiv linse optisk posisjonering, ingen behov for fokus, sanntidsobservasjon og posisjonering av sondeprøven skanningsområde;

6. Fjæropphenget støtsikker metode er enkel og praktisk, og har sterk anti-interferensevne.

Klikk for å se detaljer om A62.4501

A62.4503 Forskningsnivå, Atomic Force Microscope (AFM), Alt-i-ett-design

Forskningsnivå, kombinert kontroller og hovedkroppsdesign, med kontaktmodus, tappemodus, 10x mål.

1. Skannesonden og prøvetrinnet er integrert, og anti-interferensevnen er sterk;

2. Presisjonslaser og sondeposisjoneringsenhet, det er enkelt og praktisk å bytte ut sonden og justere stedet;

3. Bruk prøven som nærmer seg probemetoden, slik at nålespissen er vinkelrett på prøveskanningen;

4. Høypresisjon og storskala piezoelektriske keramiske skannere kan velges i henhold til ulike krav til nøyaktighet og skanningsområde;

5. Optisk posisjonering av 10X APO objektivlinse, ingen behov for fokus, sanntidsobservasjon og posisjonering av sondeprøveskanningsområdet;

6. Fjæropphenget støtsikker metode er enkel og praktisk, og har sterk anti-interferensevne.

Klikk for å se detaljer om A62.4503

A62.4505 Optisk + Atomic Force Mikroskop

Kombinert optisk mikroskop + AFM Alt-i-ett, A62.4505 har Infinity Plan LWD APO objektiv 5x10x20x50x, okular 10x, 5,0M digitalkamera, 10" LCD-skjerm med målefunksjon, LED kohler-belysning for å se prøven i både optisk modus og AFM-modus.

1. Integrert design av optisk mikroskop og atomkraftmikroskop, integrert fotoelektrisk kontroll;

2. Den har både optiske og atomkraftmikroskopavbildningsfunksjoner, som begge kan skannes og avbildes samtidig uten å påvirke hverandre;

3. Samtidig har den funksjonene til optisk todimensjonal måling og atomkraftmikroskop tredimensjonal måling;

4. Den vertikale optiske banedesignen er tatt i bruk, og gass-væske to-formål sondeholderen kan brukes i luft eller væske på samme tid;

5. Optisk posisjoneringssystem med høy forstørrelse brukes til å oppnå nøyaktig posisjonering av sonde og prøveskanningsområde;

6. Den bærbare laserpunktjusteringsmetoden kan observere og justere punktet i sanntid gjennom det optiske CCD-vinduet;

7. Utstyrt med et pneumatisk støtdempende bord, som har sterk anti-interferensevne og ikke påvirker driften av instrumentet;

Klikk for å se detaljer om A62.4505

Opto-Edu Gantry Type Atomic Force Microscope (AFM)

A62.4510 Probe Scanning Atomic Force Microscope

A62.4511 Plane Scanning Atomic Force Microscope

A62.4510 + Piezoelektrisk Shift-skanningstrinn =A62.4511

◆ Det første atomkraftmikroskopet i Kina for å holde prøven i ro og sonden i bevegelse og skanning;

◆ Den første i Kina som brukte en treakset uavhengig trykkskifteskanner med lukket sløyfe, som kan skanne med høy presisjon i et bredt spekter;

◆ Prøvestørrelsen og vekten er i utgangspunktet ubegrenset, spesielt egnet for påvisning av store prøver; prøve område av interesse;

◆ Gantry skannehodedesign, marmorbase, vakuumadsorpsjonsstadium;

◆ Intelligent nålematingsmetode med automatisk deteksjon av motorstyrt piezoelektrisk keramikk for å beskytte sonder og prøver;

◆ Automatisk optisk posisjonering, ikke nødvendig å justere fokus, sanntidsobservasjon og posisjonering av sondeprøveskanningsområde;

◆ Utstyrt med lukket metallskjold, pneumatisk støtdempende bord, sterk anti-interferensevne;

◆ Integrert skanner ikke-lineær korreksjon brukerredigerer, nanometer karakterisering og målingenøyaktighet er bedre enn 98%.

Klikk for å se detaljer om A62.4510
Klikk for å se detaljer om A62.4511

Eksempelbilder av Atomic Force Microscope (AFM)