AFM. Mikroskopia sił atomowych

Transkrypt

1 AFM Mikroskopia sił atomowych

2 Siły van der Waalsa F(r) V ( r) = c 1 r 1 12 c 2 r 1 6

3 Siły van der Waalsa Mod kontaktowy Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka ostrze od odległości ostrza od próbki: tryb kontaktowy (contact mode) tryb bezkontaktowy (non-contact mode) tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode)

4 Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości µm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.

5 Metody pomiaru odchylenia dźwigni

6 Detekcja AFM / L(lateral)FM Pomiar skręcenia dźwigni czteropozycyjny PSPD (fotodetektor pozycyjny) Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM

7 AFM / LFM Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).

8 Obrazy LFM Obrazy topografii i sił lateralnych uzyskane równocześnie dla tego samego obszaru próbki (2.45 x 2.45 µ). Próbka jest monowarstwą Langmuir a Blodgett (LB) osadzoną na powierzchni krzemu. Warstwa zawiera wyspy dwóch składników. Różnica w wysokości między dwoma składnikami wynosi ok. 1nm. Obszary odpowiadające różnym fazom mają różne tarcie, co jest widoczne na obrazie LFM.

9 Tryb kontaktowy: Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar odpychających sił van der Waalsa). Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia) swobodnego końca dźwigni z ostrzem podczas skanowania próbki. F c stała sprężystości dźwigni z wychylenie dźwigni = c z [N]

10 Tryb kontaktowy (siły) całkowita siła, jaką ostrze działa na próbkę: F = F c + F adh F VDW F c siła wywierana na próbkę przez dźwignię F adh siła adhezji (kapilarna, elektrostatyczna) F VDW siła van der Waalsa

11 Krzywe siła - odległość

12 Tryb kontaktowy (ostrza) ostrze o małej stałej sprężystości (c<1n/m) pozwala zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si 3 N 4 ) długość dźwigni ~ µm; proces prefabrykacji ostrza

13 Tryb bezkontaktowy odległość ostrza od próbki ~ nm (obszar przyciągających sił van der Waalsa); słabsze siły => detekcja AC dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej); możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością rezonansową f f = 1 2π c eff m [Hz] m efektywna masa dźwigni i ostrza c eff efektywna stała sprężystości c eff = c F z [N/m]

14 Tryb bezkontaktowy (detekcja) zmiana stałej sprężystości dźwigni w obecności gradientu siły powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej dźwigni f = f 0 1 F / z c [Hz] Metody detekcji zmiany częstotliwości rezonansowej Detekcja amplitudy dźwignia oscyluje z ustaloną częstotliwością f ex > f 0 gdy df/dz = 0 amplituda oscylacji jest trochę niższa od amplitudy dla f 0 zmiana częstotliwości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy drgań dźwigni Detekcja częstotliwości dźwignia oscyluje z rezonansową częstotliwością f; zmiana częstotliwości jest mierzona bezpośrednio;

15 Tryb z przerywanym kontaktem (Tapping Mode) oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej (f ~ khz) duża amplituda oscylacji (>20 nm) kiedy ostrze nie jest w kontakcie z próbką oscylujące ostrze jest zbliżane do próbki i zaczyna uderzać w próbkę (tapping)

16 Tapping Mode (ostrza) Cechy dźwigni i ostrza pracującego w trybie Tapping Mode: krótka, sztywna dźwignia z krzemu ze zintegrowanym ostrzem duża stała sprężystości dźwigni (c = N/m.) wysoka częstotliwość rezonansowa (f = khz)

17 Tryby pracy AFM (porównanie) Tryb kontaktowy: duża rozdzielczość obrazów duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza Tryb bezkontaktowy: mniejsza rozdzielczość obrazów Tryb z przerywanym kontaktem: możliwość skanowania miękkich powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni) dobra zdolność rozdzielcza

18 Tryby pracy (porównanie) Tapping Mode Kontakt Warstwa epitaksjalna Si (100).

19 Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.

20 Pierwotniak Tetrahymena. Obraz otrzymany w trybie Tapping Mode. Rozmiary obrazu 50 x 50 µm.

21 Obraz warstwy bakterii Deinococcus radiodurans (HPI). Tryb Tapping Mode. Rozmiar 220 x 220 nm.

22 MFM Mikroskopia sił magnetycznych

23 Zasada MFM r r F = µ ( M H ) dv 0 tip próbka tip r Tip pokryty warstwą magnetyczną Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych wywołanych niejednorodnościami namagnesowania

24 Separacja topografii i obrazu MFM magnetyzm topografia Źródło rozproszonego pola magnetycznego Zwiększenie odległości Topografia (w kontakcie) Magnetyzm topografia Struktura magnetyczna

25 Obrazy magnetycznych nośników danych. Dysk twardy Dysk zip