ab

Hur väljer man Atom Force Microscope (AFM)?

Kort historia om utveckling av mikroskop

• Första generationens:Optiskt mikroskop(uppfanns på 1600-talet)

• Andra generationen: Elektronmikroskop (1932)

1933, Ruska och Knoll, Tyskland: det första svepelektronmikroskopet (SEM), som krävde högt vakuum och inte kunde urskilja atomer;
Transmissionselektronmikroskopi (TEM), högvakuum, bulk och gränssnittsstudier av tunnskiktsprover, högt pris;
Fältelektronmikroskop (FEM) och fältjonmikroskop (FEM) detekterar atomstrukturen på spetsen av r<100nm, och provberedningen är komplicerad;

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

1982 IBM Zurich Laboratory och Binnig Rohrer, den första nya typen av ytanalysinstrument - Scanning Tunneling Microscope (STM);
1986 Binnig, Quate och Gerber uppfinner det första atommikroskopet (AFM)

Scanning Probe Microscope (SPM) jämfört med andra mikroskopier

De viktigaste mikroskopiska analysteknikerna för närvarande:

Första generationens:Optiskt mikroskop(Inklusive störningar, konfokal och digital holografi)
Andra generationen:Elektron mikroskop(HuvudsakligenSEMochTEM)
Tredje generationen: Scanning Probe Microscopy(SPM)

Jämförelse av upplösning för tre generationer av mikroskop

Vad är Scanning Probe Microscopy (SPM)

Scanning Probe Microscope (SPM), är tredje generationens mikroskop, som namnet antyder är det skanning + sond + mikroskop. Principen för SPM är att använda en sond för att skanna provets yta med en rasterlinje och för att registrera provets ytegenskaper och erhålla en bild genom att detektera interaktionen mellan sonden och provet.

Klassificering av skanningssondmikroskop (SPM)

Enligt skillnaden i detektionskraften mellan sonden och provet,Scanning Probe Microscopy (SPM)kan delas in i två kategorier, nämligenScanning Tunneling Microscopy (STM), som använder ström för att detektera, ochAtomic Force Microscope (AFM), som använder olika krafter för att upptäcka.

AFMkan också delas in i magnetiska kraftmikroskop, friktionskraftsmikroskop, laterala kraftmikroskop, kemiska kraftmikroskop, elektrostatiska kraftmikroskop och andra typer enligt de olika krafterna.

Skillnaderna mellanSTMochAFMapplikationer:

Scanning Tunneling Microscope (STM) används främst för studier av ledare,
Atomic Force Microscopy (AFM) kan användas inte bara för studier av ledare, utan också för studier av icke-ledare.

Skärpedjup, provberedning av olika mikroskop

Fördelar och nackdelar med Scanning Probe Microscope (SPM)

Som en ny typ av mikroskopverktyg har SPM uppenbara fördelar jämfört med tidigare mikroskopanalysinstrument:

• SPM har extremt hög upplösning, så att STM parallellt och vinkelrätt mot provets ytriktning kan nå 0,1 nm och 0,01 nm.

• SPM erhåller en högupplöst 3D-bild i realtid av provytan, som skiljer sig från vissa analytiska instrument genom indirekta eller beräkningsmetoder för att uppskatta provets ytstruktur.

• SPM möjliggör direkt observation av ytdefekter, ytremodellering, morfologi och lokalisering av ytadsorbater och ytremodellering inducerad av adsorbenter.

• Användningsmiljön för SPM är lös, den kan fungera inte bara i vakuum, utan även i atmosfär, låg temperatur, normal temperatur, hög temperatur och till och med i lösning.

• SPM kräver inga speciella provberedningstekniker och detektionsprocessen är i princip ofarlig för provet.

• I samband med scanning tunneling spektroskopi kan information om ytstrukturen erhållas, såsom täthet av tillstånd på olika nivåer av ytan, ytelektronfällor, förändringar i ytpotentialbarriärer etc.

• Samtidigt har SPM också vissa nackdelar

• Skanningshastighet. Eftersom dess arbetsprincip är att styra en sond med en viss kvalitet för skanningsavbildning, är skanningshastigheten begränsad och detektionseffektiviteten är lägre än andra mikroskopimetoder.

• Skanningsområde. Begränsat av sträckningsområdet för piezoelektrisk keramik, är det maximala skanningsområdet för SPM i intervallet tiotals till hundratals mikron.

• positioneringsnoggrannhet. Eftersom piezoelektrisk keramik har ett litet rörelseomfång under förutsättningen att säkerställa positioneringsnoggrannhet, och den mekaniska justeringsnoggrannheten inte kan kopplas till den, kan den inte uppnå storskalig kontinuerlig zoomning såsom elektronmikroskop, och det är svårt att lokalisera och hitta egenskaper strukturer.

• Provytans grovhet. Rörformade piezoelektriska skannrar används i stor utsträckning för närvarande, och deras vertikala sträckningsområde är 1/10 av det plana avsökningsomfånget. Om ytvågorna på provet som ska testas överskrider scanningsrörets expansions- och kontraktionsområde, kommer det att leda till att systemet inte fungerar eller till och med skadar sonden.

• Nålskärpa. Eftersom systemet härleder yttopografin genom att detektera sondens rörelsebana när den skannar provet, kommer sondens geometriska bredd, krökningsradie och anisotropi att orsaka bildförvrängning.

Grundläggande principer för Atomic Force Microscope (AFM)

Ena änden av en konsol, som är extremt känslig för svag kraft, är fixerad, och den andra änden har en liten nålspets. Nålspetsen är i lätt kontakt med provytan. På grund av den extremt svaga avstötningskraften mellan atomerna vid spetsen av nålspetsen och atomerna på provytan, genom att kontrollera detta under skanning. När kraften är konstant kommer fribäraren med spetsen att fluktuera i den riktning som är vinkelrät mot provets yta motsvarande isoplanet för kraften mellan spetsen och provets ytatomer. Med användning av den optiska detekteringsmetoden eller metoden för detektering av tunnelström kan positionsändringen för mikrokantilen som motsvarar varje skanningspunkt mätas, så att informationen om provets yttopografi kan erhållas.

Sammansättning och arbetsdiagram av Atomic Force Microscope (AFM)

Atomkraftmikroskopets AFM-system är uppdelat i fyra delar: kraftdetekteringsdel, positionsdetekteringsdel, återkopplingselektronik, piezoelektriskt skanningssystem.

1. Kraftdetektering Cantilever

I ett atomkraftmikroskopsystem (AFM) är kraften som ska detekteras van der Waals-kraften mellan atomerna. Så i det här systemet används en liten konsol (Cantilever) för att upptäcka förändringen av kraften mellan atomer. Den lilla konsolen har vissa specifikationer, såsom: längd, bredd, elasticitetsmodul och form på spetsen, och valet av dessa specifikationer baseras på egenskaperna hos provet och de olika driftlägena, och olika typer av sonder väljs.

2. Placera känslig fotodetektor

När nålspetsen interagerar med provet kommer konsolen att svänga, så när lasern bestrålar änden av konsolen kommer även positionen för det reflekterade ljuset att ändras på grund av konsolens svängning. , vilket resulterar i en offset. I hela systemet används laserpunktspositionsdetektorn för att registrera offseten och omvandla den till en elektrisk signal för styrenheten att utföra signalbehandling.

3. Elektroniskt återkopplingssystem: återkopplingsslinga

AFM återkopplingskontroll slutförs av datorsystem och elektronisk krets. Driften av AFM realiseras under kontroll av höghastighets och kraftfull dator. Styrsystemet har två huvudfunktioner: (1) Tillhandahålla drivspänningen för att styra XY-riktningsavsökningen av den piezoelektriska givaren; (2) Bibehåll ett konstant värde på den analoga insignalen från mikroskopdetektionsslingan i konstant kraftläge. Datorn läser och jämför slingspänningen (dvs skillnaden mellan inställt värde och det faktiska uppmätta värdet) genom A/D-konvertering. Enligt de olika spänningsvärdena matar styrsystemet kontinuerligt ut motsvarande spänning för att justera expansionen och sammandragningen av den piezoelektriska sensorn i Z-riktningen för att korrigera avvikelsen som läses in i A/D-omvandlaren, och därigenom bibehålla utspänningen från jämförelseslingan konstant.
Det elektroniska kretssystemet spelar rollen som att koppla ihop datorn och skanningssystemet. Den elektroniska kretsen tillhandahåller spänning för det piezoelektriska keramiska röret, tar emot signalen från den positionskänsliga anordningen och bildar ett återkopplingssystem för att styra avståndet mellan nålspetsen och provet.

4. Piezoelektrisk skanner

Den exakta kontrollen av AFM-skanningen av provet uppnås av skannern. En piezoelektrisk givare är installerad i skannern, och den piezoelektriska enheten kontrollerar exakt positionen för provet eller sonden i de tre riktningarna X, Y och Z.
För närvarande är matrismaterialet i skannern huvudsakligen ett piezoelektriskt keramiskt material tillverkat av blyzirkonattitanat [Pb(Ti,Zr)O3]. Piezoelektrisk keramik har piezoelektrisk effekt, det vill säga de har krympningsegenskaper när en spänning appliceras, och graden av krympning är proportionell mot den applicerade spänningen. Piezoelektrisk keramik kan omvandla spänningssignaler från 1mV till 1000V till förskjutningar som sträcker sig från tiondels nanometer till flera mikrometer.

Force & Working Mode of Atomic Force Microscope (AFM)

Det finns flera olika växelverkanskrafter mellan spetsen av AFM och provet, vilka listas i följande tabell. Enligt olika krafter kan AFM utökas till en mängd olika arbetslägen: fasläge, magnetiskt läge, elektrostatiskt kraftläge, utökat motstånd, sidokraft, kraftmodulering, etc.

Arbetssätten för AFM klassificeras i form av kraften mellan sonden och provet. Det finns tre huvudsakliga driftlägen: kontaktläge, icke-kontaktläge och tryckläge.

Kontaktläge

Kontaktläget är det mest direkta avbildningsläget för AFM. Under hela avbildningsprocessen är sondspetsen alltid i nära kontakt med provytan, och samverkanskraften mellan de två är en frånstötande kraft, och storleken på kraften varierar från 10-10 till 10-6N. Under skanning kan kraften som utövas av konsolen på spetsen därför skada provets ytstruktur. Kontaktläget är inte lämpligt för att testa prover med mjuka ytor.

Fördelar:Snabb skanningshastighet, det enda läget som kan få bilder med "atomupplösning".
Nackdel:Sidokraft påverkar bildkvaliteten. I luften, på grund av det adsorberade vätskeskiktets kapillärverkan på provets yta, är vidhäftningen mellan nålspetsen och provet mycket stor. Den kombinerade kraften av sidokraften och den adhesiva kraften leder till en minskning av bildens rumsliga upplösning. Att repa provet med spetsen kan också skada mjuka prover (som biologiska prover, polymerer, etc.).

Icke-kontaktläge

När provytan sonderas i beröringsfritt läge, svänger konsolen på ett avstånd av 5–10 nm ovanför provytan. Vid denna tidpunkt styrs interaktionen mellan provet och nålspetsen av van der Waals-kraften, vanligtvis 10 - 12 N, provet kommer inte att förstöras och nålspetsen kommer inte att förorenas, särskilt lämplig för att studera ytan av mjuka föremål. Nackdelen med detta driftsätt är att det är mycket svårt att uppnå detta läge i rumstemperatur. Eftersom ett tunt lager vatten oundvikligen ackumuleras på provets yta, skapar det en liten kapillärbrygga mellan provet och spetsen, som drar ihop spetsen och ytan, vilket ökar spetsens tryck mot ytan.

Fördel:Ingen kraft verkar på provytan.
Nackdel:Används vanligtvis bara för prover som är mycket rädda för vatten. Eftersom nålspetsen är separerad från provet är den laterala upplösningen låg; för att undvika kontakt med adsorptionsskiktet och få nålspetsen att fastna, är skanningshastigheten lägre än för Tapping Mode och Contact Mode AFM, och adsorptionsvätskeskiktet på provytan måste vara mycket tunt, om det är för tjock, nålspetsen kan sjunka ner i vätskeskiktet, orsaka återkopplingsinstabilitet och repa provet.

Tryckläge

Avtappningsläget är mellan kontaktläget och det icke-kontaktläget, vilket är ett hybridkoncept. Fribäraren oscillerar med sin resonansfrekvens ovanför provytan och spetsen vidrör/knakar endast kort och periodiskt på provytan. Detta innebär att den laterala kraften som genereras av att spetsen kommer i kontakt med provet reduceras avsevärt. Därför är avlyssningsläget för AFM ett av de bästa valen när man upptäcker anbudsprover. När AFM börjar avbilda och skanna provet kommer enheten att mata in relevant data i systemet, såsom ytjämnhet, medelhöjd, maximalt avstånd mellan toppar och dalar, etc., för ytanalys av objektet. Samtidigt kan AFM också slutföra kraftmätningsarbetet, mäta konsolens böjningsgrad för att bestämma kraften mellan spetsen och provet.

Fördelar:Inverkan av lateral kraft elimineras väl, kraften som orsakas av adsorptionsvätskeskiktet reduceras och bildupplösningen är hög. Idealisk för att titta på mjuka, spröda eller klibbiga prover utan att skada ytan.
Nackdel:långsammare skanningshastighet än kontaktläge.

Användningsområden för Atomic Force Microscope (AFM)

Materialvetenskap:Ytmorfologi, grovhet, mekaniska egenskaper, lokala elektriska egenskaper etc. hos mikronanomaterial, huvudsakligen inklusive metaller, legeringar, tunna filmer, kristaller, keramer, polymerer, kompositmaterial, etc.;

Halvledare och mikroelektronik:3D-struktur av chip- eller waferyta, grovhet, defektdetektering, lokala elektriska egenskaper, etc.;

Biologi och medicin:DNA, protein, cell, virus, biologisk makromolekylär in situ-avbildning och forskning, etc.;
Fysik och kemi: Upptäck materialytans atomära struktur, studera växelverkan mellan atomer, ytkemiska reaktioner, observera förändringar på atomnivå av kemiska reaktioner, etc.;

Nanopedagogisk utbildning:undervisning i nanoteknik, observera nanostrukturer på materialytan, lära sig de grundläggande teoretiska kunskaperna om nanometrar, och odla elevernas intresse för vetenskaplig forskning m.m.

Fördelen med Atomic Force Microscope (AFM)

• AFM kan utföra tredimensionell avbildning och har extremt hög upplösning i både laterala och vertikala riktningar, som kan nå 0,2 nm i lateral riktning och 0,05 nm i vertikal riktning;

• AFM erhåller en realtid, verklig tredimensionell bild av provytan, som skiljer sig från vissa analytiska instrument som härleder provets ytstruktur genom vissa mjukvarualgoritmer;

• AFM har inga restriktioner för de observerade provernas reflektionsförmåga och konduktivitet. Den kan mäta ledande prover, icke-ledande prover och biologiska prover.

• Användningsmiljön för AFM är lös, den kan fungera inte bara i vakuum utan även i atmosfär, låg temperatur, normal temperatur, hög temperatur och till och med i lösning;

• AFM kräver ingen speciell provberedningsteknik, och detektionsprocessen skadar i princip inte provet;

• Förutom att observera provytans tredimensionella morfologi, grovhet, partikelstorlek, filmtjocklek, ytdefekter etc. på provytan, kan AFM även detektera de mekaniska, elektriska och termiska egenskaperna hos mikroskopiska ämnen.

• Opto-Edu Atomic Force Microscope (AFM) modeller

A64.4500 Teaching Level, Atomic Force Microscope (AFM)

Undervisningsnivå Separat styrenhet & huvudkroppsdesign, med Tapping Mode, 4x Objective, ekonomisk modell för undervisning.

◆ Miniatyriserad och löstagbar design, mycket lätt att bära och lära ut

◆ Laserdetekteringshuvudet och provskanningssteget är integrerade, strukturen är mycket stabil och anti-interferensen är stark

◆ Precisionssondpositioneringsanordning, laserpunktsjustering är mycket enkel

◆ Det enaxliga drivprovet närmar sig automatiskt sonden vertikalt så att nålspetsen är vinkelrät mot provskanningen

◆ Den intelligenta nålmatningsmetoden för motorstyrd trycksatt piezoelektrisk keramisk automatisk detektering skyddar sonden och provet

◆ Automatisk optisk positionering, inget behov av att fokusera, observation i realtid och positionering av sondens provavsökningsområde

◆ Fjäderupphängning stötsäker metod, enkel och praktisk, bra stötsäker effekt

◆ Integrerad skanner olinjär korrigering användarredigerare, nanometerkarakterisering och mätnoggrannhet bättre än 98%

Klicka för att se detaljer om A62.4500

A62.4501 Grundnivå, Atomic Force Microscope (AFM)

Grundnivå, separat styrenhet & huvudkroppsdesign, med kontaktläge, tryckläge, 4x mål.

1. Skanningssonden och provsteget är integrerade, och anti-interferensförmågan är stark;

2. Precisionslaser och sondpositioneringsanordning, det är enkelt och bekvämt att byta ut sonden och justera platsen;

3. Använd metoden med provet närmar sig sond, så att nålspetsen är vinkelrät mot provskanningen;

4. Motorns automatiska pulsstyrning driver provet att närma sig sonden vertikalt för att uppnå exakt positionering av skanningsområdet;

5. 4X objektiv lins optisk positionering, inget behov av fokus, realtidsobservation och positionering av sondens provavsökningsområde;

6. Fjäderupphängningen stötsäkra metoden är enkel och praktisk och har en stark anti-interferensförmåga.

Klicka för att se detaljer om A62.4501

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

Forskningsnivå, kombinerad styrenhet & huvudkroppsdesign, med kontaktläge, tappläge, 10x mål.

1. Skanningssonden och provsteget är integrerade, och anti-interferensförmågan är stark;

2. Precisionslaser och sondpositioneringsanordning, det är enkelt och bekvämt att byta ut sonden och justera platsen;

3. Använd metoden med provet närmar sig sond, så att nålspetsen är vinkelrät mot provskanningen;

4. Högprecision och storskalig piezoelektriska keramiska skannrar kan väljas enligt olika krav på noggrannhet och skanningsområde;

5. Optisk positionering av 10X APO objektivlins, inget behov av att fokusera, observation i realtid och positionering av sondens provavsökningsområde;

6. Fjäderupphängningen stötsäkra metoden är enkel och praktisk och har en stark anti-interferensförmåga.

Klicka för att se detaljer om A62.4503

A62.4505 Optiskt + Atomic Force Mikroskop

Kombinerat optiskt mikroskop + AFM Allt-i-ett, A62.4505 har Infinity Plan LWD APO objektiv 5x10x20x50x, okular 10x, 5,0M digitalkamera, 10" LCD-skärm med mätfunktion, LED kohler-belysning för att titta på provet i både optiskt läge och AFM-läge.

1. Integrerad design av optiskt mikroskop och atomkraftmikroskop, integrerad fotoelektrisk kontroll;

2. Den har både optiska och atomiska kraftmikroskopavbildningsfunktioner, som båda kan skannas och avbildas samtidigt utan att påverka varandra;

3. Samtidigt har den funktionerna för optisk tvådimensionell mätning och atomkraftmikroskop tredimensionell mätning;

4. Den vertikala optiska vägdesignen har antagits, och gas-vätske-probhållaren med dubbla ändamål kan användas i luft eller vätska samtidigt;

5. Optiskt positioneringssystem med hög förstoring används för att uppnå exakt positionering av sond och provavsökningsområde;

6. Den bärbara laserpunktsjusteringsmetoden kan observera och justera punkten i realtid genom det optiska CCD-fönstret;

7. Utrustad med ett pneumatiskt stötdämpande bord, som har stark anti-interferensförmåga och inte påverkar instrumentets funktion;

Klicka för att 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 + Piezoelektriskt skiftavsökningssteg =A62.4511

◆ Det första atomkraftsmikroskopet i Kina för att hålla provet stilla och sonden i rörelse och skanning;

◆ Den första i Kina att använda en treaxlad oberoende tryckskiftningsskanner med sluten slinga, som kan skanna med hög precision inom ett brett spektrum;

◆Provstorleken och vikten är i princip obegränsad, särskilt lämplig för detektering av stora prover; provområde av intresse;

◆Gantry-skanningshuvuddesign, marmorbas, vakuumadsorptionssteg;

◆ Intelligent nålmatningsmetod med automatisk detektering av motorstyrd piezoelektrisk keramik för att skydda sonder och prover;

◆Automatisk optisk positionering, inget behov av att justera fokus, realtidsobservation och positionering av sondprovsskanningsområde;

◆ Utrustad med stängd metallsköld, pneumatiskt stötdämpande bord, stark anti-interferensförmåga;

◆ Integrerad skanner olinjär korrigering användarredigerare, nanometer karaktärisering och mätnoggrannhet är bättre än 98%.

Klicka för att se detaljer om A62.4510
Klicka för att se detaljer om A62.4511

Exempelbilder av Atomic Force Microscope (AFM)