Mikroskopia Sił Atomowych AFM Atomic Force Microscopy G. Binning, C.F. Quate, Ch. Gerber Phys.Rev.Lett., 1986
Narodziny AFM Dane: wibr >10 13 Hz. m at 10-25 kg K=m 2 wibr K=10 N/m GB Dla porównania: folia Al.: 1 N/m Si, SiO 2, Si 3 N 4 0,1 1 N/m F E s pot gdzie: E pot energia potencjalna oddziaływań pomiędzy próbką i dźwignią. s odległość pomiędzy próbką i dźwignią.
Przyczyny oddziaływań Próżnia: siły daleko zakresowe: van der Waals a, elektrostatyczne i magnetyczne (do 100 nm). siły blisko zakresowe: chemiczne (poniżej 0,5 nm). Gazy i ciecze: siły daleko zakresowe: van der Waals a, elektrostatyczne i magnetyczne ( 100 nm). siły blisko zakresowe: chemiczne (poniżej 0,5 nm). siły adhezyjne: związane z wilgocią i adsorpcją na powierzchni badanej i dźwigni.
Force Oddziaływania Repulsive force a/s 12 -b/s 6 F rep. + F attr. Attractive force odpychanie a b 12 6 s s przyciąganie
Oddziaływania van der Waals a Siły elektrostatyczne Opis oddziaływań gdzie; A H - stała Hamakar a zależna od polaryzowalności i gęstości elektronowej próbki i dźwigni, r promień ostrza dźwigni, a s - odległość pomiędzy próbką i ostrzem dźwigni. Np..: Jeśli; A H wynosi około 1 ev, r około 100 nm, a s około 0,5 nm to E vdw -30 ev, siła F wyniesie 10 nn. Jeśli; różnica potencjałów wynosi 1V, r około 100 nm, a s około 0,5 nm, to F 5,5 nn. Siły chemiczne I. Energia potencjalna Morse a E E rv F 0 s M vdw AH r 6s E bond gdzie δ najmniejsza odległość między nieruchomymi cząsteczkami, E bond jest energią wiązania cząsteczek odległych o 2 1/6 δ, κ jest odległością zaniku oddziaływania. e 2 2 ( s ) 2e ( s ) II. Energia Lennarda Jonesa E 4E s 12 L J bond 12 6 s 6
Mikroskop AFM F K s K V ds dv Jeśli F 3 10-8 N, K 0,4 N m -1, s 3 nm to V 350 mv
Mikroskop AFM-2 Urz. kontr.-sterujące Laser Lustro i Fotodetektor Uchwyt Dźwignia z ostrzem Próbka Kryształ piezoelektryczny
Obraz AFM Porównanie STM i AFM Powstawanie obrazu AFM STM AFM
Zależność siły od odległości od powierzchni Próżnia Powietrze Powietrze i adsorbat
Przegląd technik SPM Mikroskop SPM Badane oddziaływania informacja STM kontaktowy AFM tapping mode AFM bezkontaktowy AFM LFM MFM Prąd tunelowania Międzyatomowe, międzycząsteczkowe oddziaływania Międzyatomowe, międzycząsteczkowe oddziaływania Siły tarcia Siły magnetyczne 3-D topografia: rozmiar, kształt, nierówność powierzchni. Struktura elektryczna powierzchni i możliwa elementarna identyfikacja(spektroskopia stm) 3-D topografia: rozmiar, kształt, nierówność powierzchni. 3-D topografia: rozmiar, kształt, nierówność powierzchni. Róznice sił tarcia w różnych miejscach powierzchnii Rozmiar i kształt magnetycznych obiektów. Siła i moment magnetyczny w różnych punktach powierzchni. SThM Przepływ ciepła Przewodność cieplna w różnych miejscach próbki EFM NSOM Sily elektrostatyczne Odbicie, absorpcja i fluorescencja Promieniowania elektromagnetycznego(światła) Gradient pola elektrostatycznego próbki w funkcji stężenia domen elektrostycznych. Właściwości optyczne powierzchni
Techniki AFM
TM AFM
Przykładowe wyniki Atomy na powierzchni miki. Zdjęcie AFM. (Pracownia Elektrochemii, Wydział Chemii, U.W., M. Szklarczyk) Zadsorbowana warstwa organiczna na elektrodzie Au. Zdjęcie LFM, Digital Instruments
Manne et al., Science, 251 (1991) 183 Przykładowe wyniki
2-D i 3-D zdjęcia AFM pokazujące polimerową powłokę antykorozyjną naniesioną elektrochemicznie na powierzchnię kryształu GaAs. Każda z łusek jest warstwą polimeru. E. Wierzbiński, M. Szklarczyk, 2001. Przykładowe wyniki
Przykładowe wyniki
Przykładowe wyniki Bakterie zaadsorbowane na elektrodzie metalowej. Zdjęcie TP AFM, 220 220 nm, Digital Instruments
Przykładowe wyniki The high resolution of the SPM is able to discern very subtle features such as these two linear dsdna molecules overlapping each other. 155nm scan. Image courtesy of W. Blaine Stine at email address stineb@stineb.pprd.abbott. com. GroES protein of chaperonin 10 family (E. coli). Molecule: green and purple color, 84 Å diameter. Heptametric crown: purple color, 45 Å diameter. Hole: 8 Å diameter. J. Mou et al. FEBS Lett., 381 (1996) 161, AFM image. Image taken with a DI SPM-AFM
Lateral Force Microscope Mikroskop sił poprzecznych (LFM: Lateral Force Microscope). W tym wariancie żródłem sygnału, służącym do tworzenia obrazu powierzchni, jest wychylenie boczne dzwigienki (skręcenie). Wychylenia te są spowodowane przez lokalne zmiany w tarciu powierzchniowym oraz zmianę nachylenia powierzchni próbki. Mikroskop ten służy do obrazowania zmian w tarciu powierzchniowym, spowodowanym nieregegularnością badanych powierzchni.
Pomiar sił na komórkach rzeczywistych Topografia Komórki osteocarcinoma 3D topography painted 30 nm 700 kpa with modulus map 850 ev skin Peak Force Error Modulus Dissipation Berquand et al. Microscopy Today Nov. 2010 p.24-29 20
Topography białko Bacteriorhodopsin sub-molekularna rozdzielczość Modulus 5nm 5nm Bruker January 2012
Tubular Micelles - 1.72 mm scan Hela Cell - 20mm scan
Obrazowanie w szerokim zakresie wymiarowym Obrazowanie wysokorozdzielcze zespołów protein i makromolekuł Komórki HELI, 150um
Laser IR o długości fali 850nm Umożliwia używanie powszechnych oznaczeń fluorescencyjnych takich jak Texas Red, Alexa Fluors, czy niektóre Rhodamine barwników bez potrzeby ingerencji AFM Użycie lasera zmniejsza szum w obrazach i wykresach sił.
Rozciąganie cząsteczek Titin IG27
Mikro oporność Sheet resistance: R s = V/I c Infinite sheet limit: R s = V/I π/ln(2) Semi-infinite bulk limit: ρ = V/I 2πs
Litografia AFM Vector nanolithography. The height of deposited oxide is about 2-4 nm. PSIA Inc. 0.06 M o-ma, 0.5 M H 2 SO 4 K. Bieńkowski, M. Szklarczyk. Bitmap image pattern on PZT film, 30 x 30 µm. PSIA Inc. Pies na krzemie
Książki XXI wieku
Konwencjonalna mikroskopia optyczna (Far-field Microscopy) Wykorzystanie zjawisk związanych z płaskimi falami świetlnymi rozchodzącymi się podłużnie. Rozwartość układu optycznego Powiększenie (X) u 1 Y u 1 u 1 1 u Y 2 2 2 A = n sin A - szczelina numeryczna (apertura) n współczynnik załamania Warunek Abbe go X = Y 2 /Y 1 = n sinu 1 /n sinu 2 u 1 + u 2
Ograniczenia Konwencjonalnej Mikroskopii Optycznej (1) O S O E Z? d Duże d Kształt szczeliny Małe d Warunek dyfrakcyjny Abbe go.
Ograniczenia Konwencjonalnej Mikroskopii Optycznej (2) Zjawisko dyfrakcji Fraunhofera. 1. Światło jest rozchodzącą się falą podlegającą ugięciu na szczelinie. 2. Obraz obiektu punktowego może być opisany funkcją rozproszenia Airy ego I d sin = k /2d k- numer prążka 84% en. sin 3. Kryterium Rayleigh a. Najmniejsza rozróżnialna odległość, l min, określona jest przez odległość dwóch różnych obiektów punktowych, które mogą być widziane jeśli maksimum funkcji Airy ego jednego obiektu pokrywa się z minimum funkcji Airy ego drugiego obiektu. l min = 0.61 /n sin /2 l min 0.4 min 4000 Å, czyli l min. 1600 Å, więc powiększenie X maks. 7000 jeśli obraz ma mieć około 1mm. -3 3
Mikroskopia Optyczna SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) I Obszar dalekiego pola Pierwsza informacja o możliwych większych powiększeniach: Synge, Phil. Mag 6, 356, 1928. Pierwsze obrazy: IBM, Pohl, et al., Apl 44(7), 651, 1984. -3 sin 3 Obszary bliskiego pola
Najmniejszy widzialny obiekt SNOM Natężenie promieniowania rozproszonego w/g Rayleigh a I = f(polaryzowalność, p ind, amplituda i częstość drgań dipola ind. wymuszona przez falę świetlną,) I = 8p 2 3 c/3 0 4 gdzie: 0 stała dielektryczna, c prędkość światła, p indukowany moment dipolowy, p = E 0 e 2 t gdzie: 1 polaryzowalność materiału szczeliny, 2 polorazowalność materiału próbki Teoretycznie można wykazać, że dla 1 << 2, oraz ReA >> Im A otrzymamy l min 100 Å czyli l min = 0.03 W obecnej praktyce można osiągnąć rozdzielczość rzędu 500 Å, l min = 0.15 )
Schemat aparatu SNOM Ostrze z dziurką Światłowody Próbka Szczeliny > 20 Å
Na podst.: B. Pettinger et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 096101-1.
Tip Enhanced Raman Spectroscopy (1) Spektrometr Ramana C-AFM tip Mikroskop STM/AFM I - 3 3 Enhancement of the Raman signal by a coated AFM tip for a Si wafer Schemat zestawu do pomiarów TERS: a) Próbka przezroczysta b) i c) Próbki nieprzezroczyste He-Ne laser 632.8 nm, moc na próbce ~0.3 mw. The Raman signal Na podst.: B. Pettinger et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 096101-1.
Tip Enhanced Raman Spectroscopy (2) Brilliant Cresyl Blue (BCB) a) STM image of five BCB molecules at Au(111). b) Line profile across a BCB molecule; c) TERS (red) and RRS (blue; no signal) at Au(111). TERS results / Raman Spectra One monolayer of the dye is adsorbed on a thin gold film. When the metal tip, in this case a silver tip, is brought into tunneling contact, an enhancement of the Raman intensity is observed. Na podst. Steidtner et al., Rev. Sci. Instr. 78, 103104 (2007)
Aminokwasy Tip Enhanced Raman Spectroscopy (3) One monolayer of a DNA base (adenine, thymine, guanine or cytosine) is adsorbed on a Au(111) subtrate. When the gold tip is brought into tunneling contact, a strong enhancement of the Raman intensity is observed; if the tip is retracted, no Raman signal is detectable. The STM image on the right shows the typical row structure of thethymine monolayer. TERS results on DNA bases: K. F. Domke et al., J. Am. Chem. Soc. 128, 6708 (2007).
Podsumowanie Optical SEM SPM microscope XVII century 1940 s 1980 s Sample operating ambient ambient environment liquid liquid vacuum vacuum vacuum Depth of field small large medium Depth of focus medium small small Resolution X, Y 1.0 mm 5 nm 0.1 1.0 nm Z N/A N/A 0.01 nm Magnification range 1 2 10 3 10 2 10 6 5 10 2 10 8 Sample preparation little freeze drying, none coating Characteristics Sample must not Surface must not Any sample required of sample be completely build up charge transparent to light and sample must be wavelength used. vacuum compatible. After Y.E. Strausser and M.G. Heaton, American Laboratory, May 1994.
Porównanie technik Technika XPS AES SAM LEED RBS NRA ISS SIMS Stat. Dyn. UPS FTIR EM STM/ STS AFM i pochodne Charakterystyka wiązki padającej Informacje chemiczne Charakterystyka doświadczalna Cząstki Energia Rozdz. Powłoki Mała lub Możliwość Szybkość Brak Prąd lub Średnica zerowa Łatwość Łatwość Technika pomiarów i czułość zniszczeń przepływ wiązki Wewn. Walenc. czułość na interpret. użycia ilościowych analizy powierzchni pierwiastki fotony 1-15 0,5-2 10 12-10 13 0,2-6 kev ev s -1 mm ++++ ++ H, He +++ +++ ++ +++ ++ XPS elektrony 0,5-10 0,1-500 0,1-1 NA kev ma mm ++ ++ H, He ++ +++ ++ ++++ ++ AES elektrony elektrony 1 H, 4 He 1 H, 4 He, 19 F jony jony fotony fotony elektrony Oddziaływania 3-30 kev 15-500 ev 1-3 MeV 0,3-6,4 MeV 1-3 kev 0,5-30 kev 10-50 ev 0,05-0,5 ev 10-50 kev NA 0,5-1 ev 0,5 na-2 ma 0,1-5 ma 30-500 nm 0,2-1 mm ++ H, He ++ +++ ++ ++ ++ SAM Struktury + ++ LEED kev - - Małe Z ++++ +++ ++ +++ RBS kev - - Duże Z + +++ + +++ NRA 5-10 ev NA 3-20 mev 0,012-0,5 mev ev elektrony 0,1 ev NA 10pA-1 0,2-2 ma mm Pierwiastki + H, He +++ +++ +++ ++++ ++ ISS 1pA-100 ma SIMS 50 nm-2 Cząsteczki ++ ++ ++++ + 1pA-10 mm Pierwiastki ++ Statyczny +++ +++ ++ +++++ na Dynamiczny >1 ma 10 11-10 12-1 s 1-3 mm NA +++ +++ ++ ++ +++ +++++ UPS 10 pa- 0,1 ma 0,05-10 na mm 2 nm- 1mm 0,15 nm Poziomy wibracyjne +++ Struktury/ Cząsteczki ++ Związki nieorganiczne ++++ ++++ ++ +++ ++++ FTIR Pierwiastki + Małe Z +++ ++ ++ ++ EM Struktury/ cząsteczki ++? ++ +++ ++ +++++ STM/STS + ++ ++ +++ AFM i pochodne TERS El i fot. 0-3 ev molek STM STM/RAM Str/wiąz./top/kryst ++ + ++ ++ +++ +++++ TERS 21 +++++++ Suma + 19 17 13 3 12 8 16 11 15 18 19 10 15 10