Сканирующий атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.
В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

История изобретения

Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США, как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа.

Для определения рельефа поверхностей непроводящих тел использовалась упругая консоль (кантилевер), отклонение которой, в свою очередь, определялось по изменению величины туннельного тока, как в сканирующем туннельном микроскопе^[1]. Однако такой метод регистрации изменения положения кантилевера оказался не самым удачным, и двумя годами позже была предложена оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор^[2]. Такой метод регистрации отклонения кантилевера реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов.

Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем. Стремление улучшить латеральное разрешение привело к развитию динамических методов. Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой и фазой. При приближении к поверхности на кантилевер начинают действовать силы, изменяющие его частотные свойства. Таким образом, отслеживая частоту и фазу колебаний кантилевера, можно сделать вывод об изменении силы, действующей со стороны поверхности и, следственно, о рельефе^[3].

Дальнейшее развитие атомно-силовой микроскопии привело к возникновению таких методов, как магнитно-силовая микроскопия, силовая микроскопия пьезоотклика, электро-силовой микроскопии.

Принцип работы

Схема работы атомно-силового микроскопа

График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.
В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа:

1. Контактный (англ. contact mode)
2. «Полуконтактный» (англ. semi-contact mode или tapping mode)
3. Бесконтактный (англ. non-contact mode)

Здесь необходимо пояснить, что именно берётся за ноль расстояния во избежание путаницы. На приведённом рисунке ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами атома на поверхности и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому ноль силы находится на конечном расстоянии, соответствующем границе электронных оболочек этих атомов (при перекрытии оболочек возникает отталкивание). Если взять за ноль границы атомов, то сила обратится в ноль в нуле расстояния.

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью.
Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли ΔZ,пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Достоинства метода:

• Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость
• Наибольшая достижимая скорость сканирования
• Является единственным методом АСМ, позволяющим достичь атомарного разрешения
• Обеспечивает наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа

Недостатки метода:

• Наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности
• При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности
• Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения.
Система обратной связи, как правило, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.
Достоинства метода:

• Отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность

Недостатки метода:

• Крайне чувствителен ко всем внешним шумам
• Наименьшее латеральное разрешение
• Наименьшая скорость сканирования
• Функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды
• Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"

В связи с множеством сложностей и недостатков метода, его приложения в АСМ крайне ограничены.

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.
Достоинства метода:

• Наиболее универсальный из методов АСМ, позволяющий на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1-5 нм
• Латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности, устранены - упрощает интерпретацию получаемых изображений

Недостатки метода:

• Максимальная скорость сканирования меньше, чем в контактном режиме

Прочие силы

Несмотря на то, что при описании работы атомно-силового микроскопа, очень часто упоминаются лишь силы Ван-дер-Ваальса, в реальности со стороны поверхности также действуют упругие силы и силы адгезии. Их вклад особенно очевиден при работе в полуконтактном режиме, когда вследствие "прилипания" кантилевера к поверхности возникает гистерезис которые могут существенно усложнять процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Кроме того со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды можно узнать их распределение по поверхности.

Конструкция атомно-силового микроскопа

Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:

• Жёсткий корпус, удерживающий систему
• Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется
• Устройства манипуляции

В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.
Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для "грубого" регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая - для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон).
В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещания на расстояния порядка ангстрем, однако им присущи такие недостатки, как термодрейф, нелинейность, гистерезис, ползучесть (крип).

• Зонд
• Система регистрации отклонения зонда

Существует несколько возможных систем:

-Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)

- Пьезоэлектрическая (использует прямой и обратный пьезоэффект)

-Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)

-Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)

-Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)

• Система обратной связи
• Управляющий блок с электроникой

Особенности работы

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрон². Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-изображения требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки АСМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом,^[4][5][6] что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия АСМ было предложено несколько конструкций,^[7][8] среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Однако, применение ВидеоАСМ ограничено, так как он работает только в контактном режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом высот. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько способов.^[4][5][6]

Нелинейность, гистерезис^[9] и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения АСМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные АСМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование^[4][10]) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые АСМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.

АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке.^[11]

Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений

Как правило, снятое на сканирующем зондовом микроскопе изображение трудно поддается расшифровке из-за присущих данному методу искажений. Практически всегда результаты первоначального сканирования подвергаются математической обработке. Обычно, для этого используется программное обеспечение непосредственно поставляемое с СЗМ, что не всегда удобно из-за того, что в таком случае программное обеспечение оказывается установленным только на компьютере, который управляет микроскопом. Существует несколько наиболее удачных отдельно поставляемых программ для обработки данных зондовой микроскопии, а именно: WSxM (бесплатное), SPIP (30 дней пробная версия), ФемтоСкан Онлайн (30 дней пробная версия). Также существует программное обеспечение распространяемое по GNU лицензии Gwyddion^[12]

Современное состояние и развитие сканирующей зондовой микроскопии

В настоящее время сканирующий зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования АСМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как биофизика, материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, МЭМС), фотохимия и многие другие. Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследованиями, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами)^[13][14][15], электронными микроскопами^[16], спектрометрами (например, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресцентными)^[17][18][19], ультрамикротомами^[20].

Интересные следствия

Манипулятор АСМ и СТМ позволяет при габаритах в несколько сантиметров передвигать иглу с разрешением лучше 0,1 Å. Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров.

Температурный коэффициент линейного расширения большинства материалов около 10⁻⁶. При размерах манипулятора в несколько сантиметров изменение температуры на 0,01° приводит к перемещению иглы вследствие теплового дрейфа на 1 Å.

Производители АСМ в России и СНГ в алфавитном порядке

ООО «АИСТ-НТ»

ООО «АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году группой разработчиков, вышедших из ЗАО «Нанотехнология МДТ». Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов.^[21] В настоящее время компания производит 2 уникальных^{[источник не указан 1013 дней]} прибора, а также аксессуары и расходные материалы для СЗМ.

ООО «Нано Скан Технология»

ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования.^[22] В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирующих зондовых микроскопов исследовательского класса и 3 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ.

«Микротестмашины», Беларусь

Компания, производящая оборудование для научных исследований, в том числе одну модель сканирующего зондового микроскопа. ^[23]

ЗАО «Нанотехнология МДТ»

ЗАО «Нанотехнология МДТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.^[24] В настоящее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тестовые образцы.

ЗАО «Центр перспективных технологий»

ЗАО «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения.^[25] Является первой компанией, предложившей комплекс программного обеспечения "ФемтоСкан Онлайн" для управления сканирующим зондовым микроскопом через Интернет.

Литература

• В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии.Российская академия наук,Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г. - 110 с.[pdf]
• R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge Universtiy Press, Cambridge (1994)
• D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences, Oxford University Press, New York (1991)
• R. Dagani, Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March 2007, page 13. Published by American Chemical Society
• Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V. B. Elings, Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).
• V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning, Atomic Force Microscopy for Biologists. (Book) (December 1999) Imperial College Press.
• J. W. Cross SPM — Scanning Probe Microscopy Website
• P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne, Nature Methods, 3, 5 (2006)
• F. Giessibl, Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 (3), 949—983 (2003).
• R. H. Eibl, V.T. Moy, Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439-50 (2005)
• P. M. Hoffmann, A. Oral, R. A. Grimble, H. Ö. Özer, S. Jeffery, J. B. Pethica, Proc. Royal Soc. A 457, 1161 (2001).
• Eibl RH, First measurement of physiologic VLA-4 activation by SDF-1 at the single-molecule level on a living cell. In: Advances in Single Molecule Research for Biology and Nanoscience. Hinterdorfer P, Schuetz G, Pohl P (Editors),Trauner, ISBN (2007).
• West P, Introduction to Atomic Force Microscopy: Theory, Practice and Applications — www.AFMUniversity.org
• Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89

Ссылки

	Сканирующий атомно-силовой микроскоп на Викискладе?

• АСМ для генетических исследований
• Архив статей по зондовой микроскопии
• Описание методик АСМ на сайте компании NT-MDT
• СЗМ галерея: сканы поверхности, коллажи, иллюстрации, обои
• Галерея СЗМ изображений
• СЗМ в работе, режим быстрого сканирования

См. также

• 1986 год в науке

Примечания

1. ↑ G. Binnig, C. F. Quate, Ch Gerber. Atomic Force Microscope, PRL 56, 9 (1986)
2. ↑ G. Meyer, N.M. Amer. Novel optical approach to atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 53, 1045 (1988)
3. ↑ Y. Martin, C. C. Williams, and H. K. Wickramasinghe, Atomic force microscope-force mapping and profmng on a sub 100 А scale. Appl. Phys., Vol. 61, No. 10, 15 (1987)
4. ↑ ^{1 2 3} R. V. Lapshin (2004). «Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology» (PDF). Nanotechnology (IOP) 15 (9): 1135-1151. DOI:10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN 0957-4484.
5. ↑ ^{1 2} R. V. Lapshin (2007). «Automatic drift elimination in probe microscope images based on techniques of counter-scanning and topography feature recognition» (PDF). Measurement Science and Technology (IOP) 18 (3): 907-927. DOI:10.1088/0957-0233/18/3/046. ISSN 0957-0233.
6. ↑ ^{1 2} V. Y. Yurov, A. N. Klimov (1994). «Scanning tunneling microscope calibration and reconstruction of real image: Drift and slope elimination» (PDF). Review of Scientific Instruments (AIP) 65 (5): 1551-1557. DOI:10.1063/1.1144890. ISSN 0034-6748.
7. ↑ G. Schitter, M. J. Rost (2008). «Scanning probe microscopy at video-rate» (PDF). Materials Today (Elsevier) (special issue): 40-48. DOI:10.1016/S1369-7021(09)70006-9. ISSN 1369-7021.
8. ↑ R. V. Lapshin, O. V. Obyedkov (1993). «Fast-acting piezoactuator and digital feedback loop for scanning tunneling microscopes» (PDF). Review of Scientific Instruments (AIP) 64 (10): 2883-2887. DOI:10.1063/1.1144377. ISSN 0034-6748.
9. ↑ R. V. Lapshin (1995). «Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to the scanning tunneling microscope» (PDF). Review of Scientific Instruments (AIP) 66 (9): 4718-4730. DOI:10.1063/1.1145314. ISSN 0034-6748. (имеется перевод на русский).
10. ↑ R. V. Lapshin Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology / H. S. Nalwa. — USA: American Scientific Publishers, 2011. — Vol. 14. — P. 105-115. — ISBN 1-58883-163-9
11. ↑ Sugimoto Y. et al., Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy, Nature 446, 66 (2007) DOI:10.1038/nature05530.
12. ↑ Свободное программное обеспечение для обработки СЗМ изображений
13. ↑ Комплекс для исследований в области биологии и материаловедения, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп
14. ↑ Комплекс для исследований на основе прямого или инвертированного микроскопа, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп
15. ↑ Комплекс для исследований в области биологии, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп
16. ↑ Комплекс для исследований совмещающий электронный и сканирующий зондовый микроскопы
17. ↑ Комплекс на основе СЗМ, оптического микроскопа и спектрометра
18. ↑ Комплекс СЗМ с конфокальным рамановским и флюоресцентным спектрометром
19. ↑ Исследовательский комплекс совмещающий СЗМ, конфокальный лазерный микроскоп, рамановский и флюоресцентный спектрометры, оптический микроскоп
20. ↑ АСМ установленный в криоультрамикротом
21. ↑ Официальный сайт ООО «АИСТ-НТ».
22. ↑ Официальный сайт ООО «Нано Скан Технология».
23. ↑ Microtestmachines Co. ::: SPM NT-206
24. ↑ Официальный сайт ЗАО «Нанотехнология МДТ».
25. ↑ Официальный сайт ООО НПП «Центр перспективных технологий».