Mikroskopia Sił Atomowych


AFM

Wprowadzenie do Mikroskopii Sił Atomowych

Mikroskopy sił atomowych (AFM) należą do rodziny mikroskopów ze skanującą sondą i są szeroko wykorzystywane w zastosowaniach zarówno materiałowych jak i biologicznych. AFM wykorzystuje elastyczną dźwignię do pomiarów siły pomiędzy ostrzem a próbką. Podstawową zasadą działania AFM jest zamiana lokalnych sił odpychających i przyciągających na ugięcie lub odchylenie dźwigni, która może być przymocowana do skanera lub do sztywnego układu mocowania. W zależności od tego czy oddziaływanie na ostrze jest przyciągające czy też odpychające, dźwignia wychyli się w stronę powierzchni bądź w przeciwnym kierunku.

Aby otrzymać obraz powierzchni, wygięcie dźwigni musi zostać wykryte i przekształcone na sygnał elektryczny. Standardowy system detekcji wygięcia stosowany w AFM wykorzystuje wiązkę lasera, która odbija się od dźwigni i trafia do detektora. Nawet małe ugięcie dźwigni jest przekształcane na mierzalny sygnał elektryczny. Położenie plamki lasera mierzone jest poprzez porównanie sygnałów z różnych części detektora. Większość mikroskopów sił atomowych używa fotodiody zbudowanej z czterech części, tak więc porównanie sygnałów pozycji plamki lasera może być obliczone w dwóch kierunkach. Ugięcie pionowe (pomiar siły oddziaływania) może zostać oszacowane za pomocą porównania sygnałów górnej” i „dolnej” połówki detektora. Skręcenie dźwigni jest natomiast obliczane za pomocą „lewej” i „prawej” strony detektora.

Mikroskopia Sił Atomowych w szczególny sposób znajduje zastosowanie w badaniach biologicznych, ponieważ próbki mogą być obrazowane w warunkach fizjologicznych. Nie ma potrzeby zabarwiania próbki, jak i również nie jest wymagane, aby przewodziła ona prąd elektryczny. Umożliwia obrazowanie w wysokiej rozdzielczości w buforze fizjologicznym lub medium i w określonym zakresie temperatur. Możliwe jest również obrazowanie pojedynczych molekuł, komórek, białek, lub DNA.

Kontrast wynikający ze zmiany sił pozwala otrzymać trójwymiarową topografię jak również inne informacje takie jak właściwości mechaniczne, czy adhezja.

Wprowadzenie do trybów obrazowania

System detekcji mierzy wychylenie dźwigni w momencie w którym ostrze jest przesuwane po powierzchni przez skaner. Większość systemów AFM posiada pętle sprzężenia zwrotnego umożliwiającą  utrzymanie stałej siły oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania pozwalając tym samym określić zmiany w wysokości powierzchni. Początkowa wartość ugięcia dźwigni jest ustalana a system sprzężenia zwrotnego dostosowuje jej wysokość w taki sposób aby zachować stałe ugięcie w trakcie przesuwania ostrza po danej powierzchni. Taki tryb obrazowania nazywamy trybem kontaktowym.

Istnieją również inne sposoby pomiarowe AFM. W trybach dynamicznych w których dźwignia wibruje, jej oscylacje mogą być mierzone zamiast statycznego ugięcia ostrza. Istnieją różne sposoby wzbudzenia tych oscylacji – drgania dźwigni mogą być wzbudzane za pomocą rezonatora, bądź też można wykorzystać pole magnetyczne do wzbudzenia drgań w dźwigni pokrytej powłoką ferromagnetyczną itd. W środowisku wodnym, najbardziej powszechną techniką jest wzbudzanie akustyczne drgań dźwigni w cieczy. We wszystkich powyższych przypadkach zarówno pomiar oscylacji dźwigni i systemy kontrolne mogą być takie same.

W tych trybach dynamicznych można np. utrzymywać stałą amplitudę, a średnia wysokość dźwigni nad powierzchnią jest dostosowywana poprzez system sprzężenia zwrotnego. Można również mierzyć fazę pomiędzy sygnałem wymuszającym a drganiami dźwigni. Istnieje kilka trybów dynamicznych, zależnych od oddziaływania ostrza z powierzchnią.

Tryb semikontaktowy jest szeroko stosowany dzięki temu, że łączy zalety innych trybów. Dźwignia oscyluje, a ostrze kontaktuje się z powierzchnią próbki w najniższym punkcie oscylacji (siły odpychające).

Siły boczne mogą być o wiele mniejsze niż w przypadku trybu kontaktowego ponieważ proporcja czasu, w którym końcówka i próbka są w kontakcie jest relatywnie mała. Trzeba jednak zaznaczyć, że siła normalna pomiędzy ostrzem i próbką może być wyższa w momencie kontaktu.

W trybie bezkontaktowym dźwignia oscyluje w pobliżu powierzchni, bez jej dotykania. Tryb ten nie jest zbyt szeroko stosowany przez wzgląd na możliwość wejścia ostrza w kontakt z powierzchnią. Siły kapilarne sprawiają, że  ten tryb jest szczególnie trudno kontrolowany w warunkach atmosferycznych. Trzeba stosować bardzo sztywne dźwignie, tak aby siły przyciągania nie przewyższały siły sprężystości. Trzeba jednak pamiętać, że brak oddziaływań odpychających pomiędzy ostrzem a próbką daje najmniejsze zaburzenia próbki.

Istnieje również inny tryb w którym ostrze w ogóle nie opuszcza powierzchni próbki podczas cyklu oscylacji. Tryb ten jest zwykle nazywany trybem modulacji siły.

 

Tryby obrazowania w praktyce.

W trybie kontaktowym ostrze nigdy nie opuszcza powierzchni, więc tryb ten może być użyty do obrazowania w dużej rozdzielczości, takiej jak semi atomowa rozdzielczość kryształków nieorganicznych. Maksymalna siła pionowa jest kontrolowana, więc można ograniczyć nacisk na próbkę. Siła lateralna może powodować problemy podczas gdy ostrze porusza się po powierzchni, ale jest często wykorzystywana do celów badawczych. Ugięcie lateralne może dostarczyć cennych informacji na temat sił tarcia pomiędzy powierzchniami ostrza i próbki. Dzięki pomiarowi siły lateralnej można określić miejsca o takiej samej wysokości, ale różnych właściwościach chemicznych. W trybie kontaktowym wartością zadaną jest ugięcie dźwigni, a więc niższa wartość zadana daje mniejszą siłę obrazowania.

W trybie semikontaktowym, ostrze przez większość czasu cyklu oscylacyjnego nie ma kontaktu z powierzchnią. Siły lateralne mogą być zatem o wiele mniejsze, a tryb ten może zostać użyty do obrazowania próbek, których molekuły nie są mocno przywiązane do powierzchni, bez ich przesuwania. Rezonans dźwigni osiąga zazwyczaj poziom bliski rezonansowi systemu. Pomaga to otrzymać rozsądną amplitudę drgań oscylacji i może również dostarczać informacji o fazie.

Faza oscylacji dźwigni dostarcza z kolei informacje o właściwościach próbki, takich jak sztywność, informacje mechaniczne, czy adhezja. Częstotliwość rezonansowa dźwigni zależy od jej masy i stałej sprężystości; sztywniejsze dźwignie mają wyższe częstotliwości rezonansowe.

W trybie semikontaktowym, wartością zadaną jest amplituda drgań, więc wyższa wartość zadana oznacza mniejsze tłumienie przez próbkę, co skutkuje zmniejszeniem siły obrazującej.

Dźwignia i stała sprężystości

Różne tryby obrazowania mają tendencję do używania dźwigni o różnych właściwościach. W trybie kontaktowym, odchylenie dźwigni jest kontrolowane podczas gdy ostrze skanuje powierzchnię próbki. Bardziej elastyczna dźwignia oznacza, że mniejsza siła daje takie same ugięcie. Często mniejsze siły dają lepsze obrazowanie, tak więc najbardziej elastyczne dźwignie są powszechnie stosowane do obrazowania trybie kontaktowym.

Wiele dostępnych dźwigni posiada stałą sprężystości (k) poniżej 0,5N/m. Sztywniejsze dźwignie są zazwyczaj stosowane w trybach semikontaktowych (szczególnie w powietrzu). Mają one zazwyczaj częstotliwość rezonansową na poziomie 200 – 400 kHz, i stałą sprężystości większą niż 10N/m. Dzięki wyższej sztywności osiągamy bardziej stabilne obrazowanie w powietrzu, ponieważ dźwignia jest w stanie uwolnić się od sił kapilarnych gdy dotyka próbki. Warto również zaznaczyć, że ze względu na bardzo małe wartości odkształcenia podczas dokładnego obrazowania, bardziej sztywne dźwignie nie uszkadzają powierzchni.

W przypadku trybu obrazowania semikontaktowego w cieczach, siły kapilarne nie stanowią żadnego problemu, więc częściej stosowane są bardziej elastyczne dźwignie.

Dźwignie „trybu kontaktowego” są częściej używane do trybu semikontaktowego w cieczach. Częstotliwości rezonansowe są znacznie niższe, a tłumienie cieczy wokół dźwigni ma silny wpływ na częstotliwość rezonansową.

Stała sprężystości dźwigni może być określona z jej geometrii oraz właściwości materiału z którego jest wykonana. Stała sprężystości zależy w znacznym stopniu od grubości dźwigni, którą niestety ciężko jest dokładnie zmierzyć. Jeśli mamy dostępną dodatkową i skalibrowaną dźwignię, to możemy przycisnąć jedną dźwignię do drugiej i porównać odkształcenia i dzięki temu określić nieznaną siłę sprężystości.

W przypadku gdy mamy do czynienia z elastyczną dźwignią, aby obliczyć jej siłę sprężystości należy dokonać pomiaru szumu termicznego. Metoda ta nie wymaga dodatkowych urządzeń i co najważniejsze: podczas pomiaru nie uszkadzamy dźwigni.