Атомно-силовая микроскопия

Реферат

Атомно-силовая микроскопия

Немного истории Невиданный прогресс фундаментальной науки во второй половине XX века обусловлен совершенствованием методик и экспериментального оборудования, вызванным бурным развитием технологий в послевоенные годы. Микроскопия является неотъемлемой частью научных исследований в области биологии, физики и материаловедения, — ведь недаром говорят, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Однако возможности методов оптической микроскопии не безграничны, и в какой-то момент все уперлось в физические ограничения — разрешающая способность не может превзойти 0,2 мкм, что связано с так называемым дифракционным пределом.

Естественным выходом из ситуации было бы уменьшить длину волны, однако более коротковолновое излучение (например, рентгеновские лучи) губительно для биологических объектов. Впрочем, если не ставить целью наблюдение исключительно за живым объектом, то оказывается, что изучение «фиксированного» препарата способно дать чрезвычайно подробную информацию о внутреннем устройстве вещества.

Дифракционный предел оптической микроскопии — это невозможность различить два объекта, разделённые расстоянием меньшим, чем половина длины волны света.

где d — латеральное разрешение, л — длина волны, NA — числовая апертура объектива. Подставив в эту формулу длины волн видимого света (500−800 нм) и наибольшее значение NA на воздухе (0,95), получим максимально достижимое латеральное разрешение — 200 нм. Это и есть дифракционный предел.

Проблема увеличения разрешающей способности микроскопов без разрушения или изменения исследуемого образца была разрешена посредством визуализации физико-химических свойств поверхности, — например, способности отражать или поглощать электроны. Разработка таких методов как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) позволила преодолеть физические ограничения оптической микроскопии и перейти к изучению объектов на молекулярном уровне.

В в 80-х годах были заложены основы популярной в настоящее время дисциплины — нанотехнологий [1], для которой возможность изучать свойства и взаимодействия отдельных молекул или атомов — не прихоть, а самая насущная потребность. Мало того, ученые хотели не только «почувствовать» молекулы или атомы, получив спектры или измерив характеристики частиц, но и в прямом смысле слова увидеть их. Сама идея нанотехнологий — конструирование наноразмерных структур — позволяет придать уже известным веществам новые свойства или усилить их действие. Перед инженерами и учеными встала задача разработать новый метод визуализации c нанометровой и даже субнанометровой разрешающей способностью.

В 1986 году Рорер разработал первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) (рисунок 1) — продолжатель рода сканирующих зондовых 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.

Рисунок 1 — Атомно-силовой микроскоп Дальнейшее развитие атомно-силовой микроскопии привело к возникновению таких методов, как магнитно-силовая микроскопия, силовая микроскопия пьезоотклика, электро-силовой микроскопии.

Появление зондовой микроскопии позволило осуществить многовековую мечту человечества — увидеть атомы — мельчайшие частицы, составляющие любое вещество. Атомно-силовая микроскопия, зондовая микроскопия в целом является относительно новым методом исследования в различных областях науки, нашедшим широкое применение в наше время и, безусловно, имеющим хорошие перспективы в будущем. С помощью атомно-силового микроскопа, представляющего собой сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения появилась возможность определять рельеф поверхности с разрешением от нескольких десятков ангстрем вплоть до разрешения, соответствующему размерам отдельных атомов. В отличие от туннельного сканирующего микроскопа, исследующего только проводящие поверхности, АСМ позволяет исследовать и непроводящие поверхности.

Атомно-силовая микроскопия Атомно-силовая микроскопия — один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-ваальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие.

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 перемещения 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).

Обычно в приборе в качестве зонда используется игла (рисунок 2) с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам — пьезодатчиком (рисунок 3, 4). Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1−1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

Рисунок 2 — СЭМ-фотография кантилевера, использующегося для контакта с образцом в атомно-силовой микроскопии Рисунок 3 — Принцип регистрации сигнала в методе атомно-силовой микроскопии Кантилевер (от англ. cantilever — консоль, балка) — одна из основных составных частей сканирующего зондового микроскопа представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,5Ч3,5Ч0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. На нижнем конце кантилевера располагается игла, взаимодействующая с образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5—90 нм, лабораторных — от 1 нм.

Верхняя сторона кантилевера над иглой является зеркальной для отражения лазерного луча. В некоторых случаях для улучшения отражающей способности кантилевера на него напыляют тонкий слой алюминия. По своей структуре кантилевер чаще всего представляет собой монокристалл кремния или нитрида кремния. Игла также может быть из кремния, нитрида кремния или алмаза.

Рисунок 4 — Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) Система обратной связи Управляющий блок с электроникой.

На рисунке 5 изображена схема атомного силового микроскопа. О — острие (игла), П — пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz — пьезоэлектрические преобразователи. При этом Px и Py служат для сканирования образца под иглой, аPz управляет расстоянием от острия до поверхности, D — туннельный датчик, который регистрирует отклонения пружинки с острием.

В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы атомно-силового микроскопа (рисунок 6):

контактный режим (contact mode);

бесконтактный режим (non-contact mode);

полуконтактный режим (tapping 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.

Рисунок 5 — Схема сканирующего атомного силового микроскопа Рисунок 6 — График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца

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 ДZ, 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

· 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 к 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 [3,4,5,6].

Основные технические сложности при создании микроскопа Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

В сравнении с растровым электронным микроскопом атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Атомно-силовая микроскопия позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, изучаемая поверхность не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы растрового электронного микроскопа требуется вакуум, в то время как большинство режимов атомно-силовой микроскопии могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток.

К недостаткам атомно-силовоймикроскопии следует отнести небольшой размер поля сканирования. Максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае составляет порядка 150Ч150 микрон. 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 атомно-силовой микроскоп не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает растровый электронный микроскоп. Для получения изображения, требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как растровый электронный микроскоп после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки атомно-силового микроскопа получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Кроме термодрейфа получаемые изображения могут также быть искажены из-за таких свойств пьезокерамики, как нелинейность, крип и гистерезис и перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z-элементами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные атомно-силовые микроскопы используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые микроскопы вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей [7,8].

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 со сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), что не всегда удобно из-за того, что в таком случае программное обеспечение оказывается установленным только на компьютере, который управляет микроскопом.

Не только микроскоп На сегодняшний день методы атомно-силовой микроскопии нашли широкое применение в физике, электронике и метериаловедении. Возможность исследования размеров, структуры, магнитных и электрических свойств объектов сделала данные методы важной частью современной микрои наноэлектроники. Например, использование такого метода позволяет контролировать или модифицировать расположение элементов на миниатюрных чипах.

Одно из основных направлений развития современной электроники — миниатюризация. Уменьшение размеров микросхем и проводящих элементов напрямую связано со снижением энергозатрат и увеличением производительности современной техники. Уже в ближайшем будущем в отдельных наноразмерных контактах и проводящих элементах для переноса зарядов будут использоваться не более десятка электронов (в современных микросхемах эта цифра на несколько порядков выше). Именно для работы со столь малыми структурами идеально подходят методы сканирующей зондовой микроскопии [9,10].

Сканирующая микроскопия применяется и в фундаментальных исследованиях: ученые смогли «пощупать» структуру отдельных молекул, получая изображения, на которых видно расположение отдельных атомов. Если провести параллель с историей, то можно сказать, что СЗМ открыла ученым, до этого пользовавшимся «рисунками» молекул, мир фотографии на атомарном уровне, как это случилось в начале XIX века в макромире.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например, дислокации или заряженные дефекты, а также всяческие примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов. В последнее время с помощью атомного силового микроскопа физики стали интенсивно изучать биологические объекты, например молекулы ДНК и другие макромолекулы, главным образом для целей нарождающегося и, судя по всему, чрезвычайно перспективного направления — биомолекулярной технологии.

Интересно, что АСМ позволяет решать не только прикладные задачи, но и глобальные проблемы фундаментальной физики. В частности, определив с его помощью поведение межатомных сил и константы взаимодействий между атомами поверхности и острия, можно сделать довольно точные заключения о существовании или отсутствии новых фундаментальных взаимодействий и даже о структуре физического вакуума.

микроскоп атомный зондовый

1. M. Ouyang, J.L. Huang, C.L. Cheung, C.M. Lieber. Atomically resolved single-walled carbon nanotube intramolecular junctions. Science 291, 97−100, 2001

2. L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth, Meyer G. The chemical structure of a molecule resolved by atomic force microscopy. Science 325, 1110−1114, 2009

3. Eaton P., J.C. Fernandes, E. Pereira, M.E. Pintado, F. Xavier Malcata. Atomic force microscopy study of the antibacterial effects of chitosans on Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Ultramicroscopy 108, 1128−1134, 2008.

4. M. Mustata, K. Ritchie, H.A. McNally. Neuronal elasticity as measured by atomic force microscopy. J. Neurosci. Methods 186, 35−41, 2010

5. В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии. Российская академия наук, Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г. — 110 с.

6. R. Dagani, Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March 2007, page 13. Published by American Chemical Society

7. F. Giessibl, Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 (3), 949—983, 2003

8. R. H. Eibl, V.T. Moy, Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439−50, 2005

9. P. M. Hoffmann, A. Oral, R. A. Grimble, H. Ц. Цzer, S. Jeffery, J. B. Pethica, Proc. Royal Soc. A 457, 1161 (2001)

10. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78−89

11. Атомный силовой микроскоп // Наука и жизнь. 1989. № 9, с. 52