Czynniki wpływające na obrazy mikroskopowe sił atomowych

Mikroskopia sił atomowych (AFM) jest jedną z najbardziej wszechstronnych i potężnych technik mikroskopowych stosowanych do badania materiałów w rozmiarach nanoskalowych.

Źródło zdjęcia: Elizaveta Galitckaia / Shutterstock.com

Dwie z głównych zalet AFM to możliwość zabezpieczania trójwymiarowych (3D) obrazów i mierzenia różnych rodzajów powierzchni. Generuje obrazy w rozdzielczości w skali atomowej przy minimalnym przygotowaniu próbki. W tym artykule omówiono różne aspekty AFM, w szczególności czynniki wpływające na rozdzielczość obrazów AFM.

AFM i nanotechnologia

AFM jest powszechnie używany do opisu nanocząstek, który zawiera cenne dane dotyczące ich właściwości jakościowych i ilościowych. Na przykład dostarcza informacji na temat właściwości fizycznych (np. morfologii, tekstury powierzchni, chropowatości itp.), a także rozmiaru, rozkładu wielkości i pola powierzchni nanomateriałów.

Naukowcy poinformowali, że podczas tego samego badania można rozróżnić kilka nanomateriałów o różnych rozmiarach, tj. od 1 nanometra do 8 mikrometrów. Co ważne, AFM może scharakteryzować nanomateriały w wielu mediach, takich jak kontrolowane środowisko, otaczające powietrze oraz dyspersja cieczy. Technikę tę stosuje się do badania nanokompozytów na podstawie ich rozmieszczenia przestrzennego z nieprzydatną topografią.

Oparte na oprogramowaniu przetwarzanie obrazów danych AFM dostarcza danych ilościowych na temat poszczególnych nanocząstek. Naukowcy podkreślili niektóre zalety stosowania AFM do charakteryzowania nanocząstek w porównaniu z innymi mikroskopami (np. skaningowy mikroskop elektronowy-SEM i transmisyjna mikroskopia elektronowa-TEM). Podają, że AFM zapewnia wyższą rozdzielczość z obrazami 3D, co pomaga zmierzyć wysokość nanocząstek.

Natomiast obrazy SEM/TEM dostarczają obrazy 2D, a zatem mają ograniczone możliwości kwantyfikacji. Ponadto, w porównaniu z procesami SEM/TEM, AFM jest łatwy w obsłudze, opłacalny i wymaga stosunkowo mniej miejsca w laboratorium do nanoobrazowania.

Czynniki wpływające na obrazowanie AFM

AFM jest zwykle wyposażony we wspornik składający się z ostrej sondy, która skanuje powierzchnię próbki. Wspornik wykonany jest z krzemu lub azotku krzemu, krzywiznę promienia końcówki mierzy się w nanoskali. Na jednym końcu wspornika belka jest połączona z piezoelektrycznym siłownikiem przemieszczania, sterowanym przez AFM. Drugi koniec zawiera końcówkę sondy, która oddziałuje z próbką.

Gdy sonda znajduje się blisko powierzchni, doświadcza siły przyciągania lub odpychania z powodu interakcji powierzchniowych. W wyniku siły wspornik ugina się, co jest mierzone wiązką lasera przez fotodiodę pozycyjną (PSPD).

AFM przedstawia topografię próbki, skanując wspornik nad próbką. Pętla sprzężenia zwrotnego służy do kontroli wysokości sondy nad powierzchnią próbki, dzięki czemu pozycja lasera jest stale utrzymywana, co pomaga w tworzeniu dokładnego obrazu AF. Krótko mówiąc, gdy końcówka sondy wchodzi w interakcję z próbką, próbka odkształca się aż do zwiększenia powierzchni kontaktu. Dokładna kwantyfikacja tego zniekształcenia określa dokładność i wiarygodność obrazów AFM.

AFM działa w różnych trybach w zależności od charakteru interakcji powierzchni sondy. Niektóre tryby obejmują tryb przerywany, tryb online i tryb offline. Jak sama nazwa wskazuje, w trybie kontaktowym końcówka sondy dosłownie dotyka powierzchni. W tym trybie interakcja między końcówką a powierzchnią jest obrzydliwa. Tryb offline jest skrajnym przeciwieństwem. Jednak w trybie kontaktu nieciągłego wspornik oscyluje pionowo w pobliżu powierzchni próbki.

Wybór trybu fotografowania jest głównym wyznacznikiem rozdzielczości obrazu. Naukowcy twierdzą, że użycie wodnych roztworów buforowych jest idealne do obrazowania próbek, ponieważ pomaga utrzymać próbki biologiczne w ich pierwotnym stanie.

Środowisko drgań aparatu AFM wpływa na dokładność obrazowania pionowego, ponieważ wspornik jest ustawiony pionowo względem próbki. Jednak na rozdzielczość obrazu AFM, związaną z poziomym położeniem wspornika próbki, ma wpływ średnica końcówki użytej do skanowania. Ogólnie instrument AFM ma rozdzielczość pionową mniejszą niż 0,1 nm i rozdzielczość XY około 1 nm.

Generuj dokładne obrazy AFM

Aby uzyskać dokładne obrazy AFM, przemieszczenie osiowe fazy piezoelektrycznej musi być odpowiednio skalibrowane przy użyciu różnych parametrów. Na przykład wysokość próbki można dokładnie zmierzyć za pomocą kalibracji AFM przy użyciu wzorców odniesienia wysokości stopnia. Referencyjne wzorce kalibracyjne zawierają trzy siatki kalibracyjne zatwierdzone przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST).

Tryb kontaktu nieciągłego nadaje się do charakteryzowania nanocząstek, które są przyczepione do podłoża za pomocą słabej siły fizycznej. Aby zapewnić dokładne obrazowanie, amplituda oscylacji powinna być większa niż 10 nm, najlepiej między 100 nm a 200 nm.

Kilka badań wykazało, że charakterystyka i wymiary wspornika i końcówki sondy odgrywają ważną rolę w uzyskiwaniu czułych i wysokiej rozdzielczości obrazów AFM. Dlatego przy wyborze wspornika AFM do obrazowania należy wziąć pod uwagę kilka cech. Niektóre z kluczowych cech obejmują promień końcówki i geometrię sondy, ponieważ wpływają one na ogólną reprezentację cech powierzchni. Do obrazowania nanocząsteczek naukowcy zazwyczaj używają końcówek o promieniu mniejszym niż 10 nanometrów.

Aby strzelać w trybie przerywanego kontaktu, ważne jest posiadanie stabilnego wspornika. Stabilność wspornika można utrzymać, zapewniając odpowiednią energię, która może pokonać siły adhezyjne między końcówką a próbką. Naukowcy poinformowali, że twardość wspornika wynosi około 40 Nm^-1 Może być stosowany do przezwyciężenia problemów sił adhezyjnych.

Przetwarzanie obrazu AFM

Po wygenerowaniu obrazu AFM w czasie rzeczywistym można go przeglądać, modyfikować i analizować za pomocą oprogramowania dostarczonego przez producenta AFM. Obrazy AFM są zwykle spłaszczane liniowo, aby usunąć szczątkowe efekty procesu wywoływania obrazu, takie jak dryft termiczny i skanowanie nieliniowe.

Większość pakietów oprogramowania AFM zapewnia zautomatyzowane funkcje analizy cząstek, które zawierają wyznaczanie linii przekrojowych, co pomaga mierzyć wysokość cząstek w oparciu o dane pikseli. W celu scharakteryzowania ważne jest, aby przeanalizować szereg cząstek, a także wyizolowaną cząsteczkę.

Czytaj dalej: Przewodnik po przygotowaniu modelu AFM.

Referencje i przyszłe lektury

Heath, G.R., i in. (2021) Lokalizacja mikroskopii sił atomowych. charakter temperamentuA 594s. 385-390. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03551-x

Zahl, P & Zhang, Y (2019) Dowody na analizę obrazu mikroskopii sił atomowych w celu rozróżnienia heteroatomów w cząsteczkach aromatycznych. Energia i paliwoA 33(6), s. 4775–4780. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00165

Martina Jimeneza, zm. i inni. (2019) Obrazowanie na poziomie wiązania trójwymiarowej konformacji zaadsorbowanych cząsteczek organicznych przy użyciu mikroskopii sił atomowych z jednoczesnymi reakcjami tunelowania. Listy z zakresu fizykiA 122. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.196101

Ekstensja, A (2018) Jak obrazowanie atomowe jest doprowadzane do granic możliwości. charakter temperamentu, 555, s. 545-547. dui: https://doi.org/10.1038/d41586-018-03305-2

Claptek, ur. i inni. (2011) Analiza mikroskopii sił atomowych nanocząstek w nieidealnych warunkach. Wiadomości w nanoskaliA 6(1), s. 514. https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-514.

Groblini, ok. i inni. (2011) Pomiar wielkości nanocząstek za pomocą mikroskopii sił atomowych. Metody w biologii molekularnej. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-60327-198-1_7.

Zastrzeżenie: Wyrażone tutaj opinie są opiniami autora wyrażonymi w jego osobistym charakterze i niekoniecznie reprezentują opinie AZOM.com Limited T/A AZONetwork jest właścicielem i operatorem tej witryny. Niniejsze wyłączenie odpowiedzialności stanowi część warunków korzystania z tej witryny.