Microscop de forță atomică

Un microscop de forță atomică, cu echipamente conectate pentru controlul acestuia

Primul microscop cu forță atomică

Microscopul de forță atomică (adesea prescurtat în AFM , din microscopul de forță atomică engleză) este un microscop cu sondă de scanare (SPM) inventat de Gerd Binnig , Calvin Quate și Christoph Gerber în 1986 . ^[1]

Pe lângă faptul că este folosit ca mijloc de investigație, este și unul dintre principalele instrumente pentru manipularea materiei la scară nanomatică .

Principiul de funcționare

Principiul funcționării unui microscop de interacțiune atomică

Microscopul de forță atomică este format dintr-un consolă (consolă) la capătul căruia este montat un vârf ascuțit (vârf), compus de obicei din siliciu sau nitrură de siliciu , care are o rază de curbură de ordinul nanometrilor.

Sfatul investigatorului este plasat în imediata apropiere a suprafeței probei care urmează să fie scanată. Forța van der Waals care acționează între vârf și probă provoacă o deviere a microliftului (a cărei constantă elastică este cunoscută), în conformitate cu legea lui Hooke .

Deviația pârghiei este măsurată folosind un punct laser reflectat din partea superioară a pârghiei spre o matrice de fotodiodă . Cu toate acestea, un sistem de detectare cu laser poate fi scump și greoi; o metodă alternativă pentru a determina deformarea microliftului este utilizarea sondelor AFM piezorezistive . Aceste sonde sunt fabricate cu elemente piezorezistive care acționează ca etaloane de rezistență . Deformațiile sondei microscopului de forță atomică datorate deviației pot fi măsurate folosind o punte Wheatstone , dar această metodă nu este la fel de precisă ca metoda de deviere a laserului.

Dacă vârful ar fi explorat la o înălțime constantă, ar exista riscul ca acesta să se ciocnească cu suprafața, deteriorându-l. Ca rezultat, un mecanism de feedback este utilizat în majoritatea cazurilor pentru a regla distanța dintre vârf și specimen pentru a menține forța care acționează între ele constantă. În general, proba este plasată pe un tub piezoelectric , care o poate deplasa în direcția perpendiculară (direcția z ) pentru a menține o forță constantă și în plan (direcțiile x și y ) pentru a-i analiza suprafața. Harta rezultată s ( x , y ) reprezintă topografia suprafeței probei.

Moduri de funcționare

Microscopul de forță atomică are trei moduri principale de funcționare: măsurarea forței, imagistică și manipulare.

Măsurătorile forței permit evaluarea forțelor prezente între vârf și specimen în funcție de distanța lor. Această metodă de funcționare poate fi aplicată în timpul măsurătorilor de spectroscopie de forță pentru a măsura anumite proprietăți ale probei, cum ar fi modulul de elasticitate (modulul lui Young). În special, spectroscopia de forță măsoară forțele de interacțiune și legare între molecule individuale, utilizând întinderi mecanice sau forțe de torsiune.

Imagistica se bazează pe faptul că forța de interacțiune dintre vârf și eșantion poate fi utilizată pentru a forma o imagine tridimensională (topografie) a suprafeței eșantionului la rezoluție înaltă ^[2] ^[3] . Imaginea topografică este construită prin înregistrarea poziției probei în raport cu vârful și înregistrarea înălțimii sondei menținând în același timp interacțiunea dintre vârf și probă constantă. Topografia suprafeței este de obicei afișată utilizând o diagramă falsă de culori .

În metodele de manipulare, este posibil să se schimbe proprietățile probei într-un mod controlat prin exploatarea forțelor dintre vârf și probă. Manipularea poate avea loc la nivel atomic și este utilizată în aplicații precum litografia cu scanare prin sondă sau pentru stimularea celulelor.

Pe lângă achiziționarea topografiei probei, mai multe proprietăți locale pot fi măsurate simultan la rezoluție înaltă. Exemple interesante sunt atât proprietățile mecanice, cum ar fi rigiditatea eșantionului sau forțele de aderență, cât și proprietățile electrice, cum ar fi conductivitatea sau potențialul suprafeței.

Alte tehnologii

Principala diferență între AFM și alte tehnologii de microscopie, cum ar fi microscopii optice și electronice, este că AFM nu folosește nici lentile, nici iradiere cu fascicul. Prin urmare, rezoluția spațială nu este limitată de difracție sau aberație spațială și nu este necesar să lucrați în vid sau să colorați proba.

Tipurile de microscopie de scanare, pe lângă includerea microscopiei de sondă de scanare (care include AFM, microscopie de tunelare de scanare (STM) și microscop optic de scanare în câmp aproape (SNOM / NSOM), microscopie STED (STED), microscopie electronică de scanare și electrochimie) AFM , EC-AFM). Deși SNOM și STED utilizează lumină vizibilă , în infraroșu sau chiar terahertz pentru a ilumina proba, rezoluția acestor tehnici este limitată de limita de difracție.

Configurare

Fig. 3 prezintă o diagramă a funcționării AFM. ^[4] Numerele din paranteze corespund numerelor afișate în imagine. Sistemul de coordonate este prezentat în figura (0).

Fig. 3: configurația tipică a unui microscop AFM.
(1) : consolă, (2) : suport în consolă, (3) : element piezo (permite consolă să oscileze la frecvența sa proprie), (4) : vârf (fixat la capătul deschis al consolă, funcționează ca o sondă ), (5) : Detector de deviere și mișcare în consolă, (6) : eșantion de măsurat, (7) : mișcare xyz, (mișcă eșantionul (6) și suportul (8) în direcțiile x, y și z în raport cu vârful (4)) și (8) : suport.

Un suport mic (1), care poate fi modelat ca un arc, este situat pe suport (2). Un element piezoelectric (de obicei dintr-un material ceramic) (3) poate, în funcție de modul de achiziție ales, să determine oscilația consolului (1). Un vârf ascuțit (4) este poziționat la capătul părții libere a consolului (1). Detectorul (5) înregistrează devierea și mișcarea consolului (1). Proba (6) este montată pe un suport pentru probă (8). Mișcarea xyz (7) permite deplasarea atât a specimenului (6) cât și a suportului pentru probe (8) în direcțiile x, y și z în raport cu vârful vârfului (4). în apropierea vârfului sau comenzile independente pot fi atașate la ambele, deoarece în unele sisteme trebuie controlate atât deplasarea fină, cât și specimenul. Comenzile pentru controlul instrumentului și pentru realizarea imaginilor nu sunt prezentate în Fig. 3.

Conform configurației prezentate mai sus, interacțiunea dintre vârf și eșantion, care este un fenomen la scară atomică înregistrat de deplasările în consolă, este tradusă la scară macroscopică. Mulți parametri în consolă pot fi utilizați pentru a cuantifica interacțiunea dintre vârf și eșantion. Deflexia în consolă este cea mai utilizată, dar informațiile pot fi obținute și din amplitudinea oscilației impuse consolului sau din modificări ale frecvenței de rezonanță a consolului.

Detector

Detectorul AFM (5) măsoară deviația în consolă în raport cu poziția de echilibru și îl convertește într-un semnal electric. Intensitățile semnalului sunt proporționale cu deplasarea în consolă.

Pentru achiziționarea semnalului, se utilizează diverse metode, cum ar fi interferometria, metodele piezorezistive și piezoelectrice.

Formarea imaginii

Notă importantă: Pentru următorul paragraf, se ia în considerare „modul de contact” (pentru informații suplimentare vă recomandăm să citiți secțiunea privind modul de achiziție). Pentru celelalte metode de achiziție, procedura este similară, cu excepția faptului că termenul pentru „deviere” ar trebui înlocuit cu o variabilă de feedback adecvată.

Când microscopul AFM este utilizat pentru a dobândi morfologia unei probe, vârful este adus în contact cu proba. Eșantionul în sine este scanat de-a lungul unei rețele în direcțiile x și y (fig. 4). Un circuit electronic de feedback este de obicei folosit pentru a menține forța dintre vârf și eșantion constantă în timpul scanării. Variabila de intrare a acestui circuit este devierea în consolă, iar variabila de ieșire este controlul asupra distanței, de-a lungul axei Z, între vârf și suport (respectiv 2 și 8 în fig. 3). Atâta timp cât vârful rămâne în contact cu eșantionul și scanarea are loc de-a lungul planului x, y, modificările înălțimii eșantionului se traduc în mișcări în consolă. Feedback-ul, în acest moment, returnează înălțimea suportului vârfului la o valoare predeterminată de utilizator, numită setpoints. Prin urmare, circuitul de feedback are sarcina de a monitoriza distanța de separare între suport și probă în timpul scanării, astfel încât devierea să rămână aproximativ constantă. În această configurație, feedback-ul reprezintă topografia suprafeței, în cadrul unor mici erori.

Din punct de vedere istoric, a fost utilizată o altă metodă, în care distanța dintre vârf și suportul probei este menținută constantă și nu este controlată de o buclă de feedback ( servomecanism ). În această metodă, denumită de obicei „mod de înălțime constantă”, deviația în consolă este înregistrată în funcție de pozițiile x și y ale consolă. Atâta timp cât vârful rămâne în contact cu specimenul, devierea corespunde topografiei suprafeței. Principalul motiv pentru care această metodă nu mai este utilizată este că forțele dintre eșantion și vârf nu pot fi controlate și, dacă sunt prea intense, pot deteriora vârful sau eșantionul. În orice caz, este o practică obișnuită ca, chiar și în acest mod, să fie înregistrată devierea consolului. De fapt, acestea din urmă pot dezvălui mici erori în urmărirea feedback-ului sau pot dezvălui elemente pe care feedback-ul nu le poate detecta.

Semnalul AFM, indiferent dacă este semnalul de înălțime sau deviația în consolă, este înregistrat de un computer în timpul scanării. Imaginile sunt create în culori false, unde fiecare pixel reprezintă poziția în culorile x și y ale semnalului înregistrat.

Fig. 5: Imagine topografică formată de AFM.
(1) : vârful vârfului, (2) : suprafața eșantionului, (3) : traiectorie de-a lungul Z al vârfului vârfului, (4) : consolă.

Istorie

Microscopul de forță atomică a fost inventat de oamenii de știință IBM, inclusiv Binnig, în 1982. ^[5] Binnig, împreună cu Rohrer , inventaseră anterior microscopul tunel la începutul anilor 1980 în centrul de cercetare IBM Research - Zurich. Pentru astfel de invenții, Binnig și Rohrer au primit Premiul Nobel pentru fizică în 1986. În același an, prima versiune experimentală a microscopului AFM a fost realizată de Binnig, Quate și Gerber. ^[6]

Prima versiune comercială a fost lansată în 1989. Astăzi este unul dintre cele mai utilizate microscopuri pentru măsurarea, achiziționarea imaginilor și manipularea materiei la scară nanomatică .

Aplicații

AFM poate fi utilizat pentru o gamă largă de discipline aparținând ramurii științelor naturii. Sunt deosebit de relevante fizica în stare solidă , știința și tehnologia semiconductorilor, ingineria moleculară , chimia și fizica polimerilor, chimia suprafețelor , biologia celulară și medicina .

Printre aplicațiile din domeniul fizicii în stare solidă, identificarea atomilor pe diferite substraturi, evaluarea interacțiunilor dintre un atom specific și atomii vecini și studiul modificărilor proprietăților fizice care rezultă din manipularea atomilor sunt de o importanță considerabilă.

În biologia moleculară, AFM poate fi utilizat pentru a studia structura și proprietățile mecanice ale proteinelor complexe și ale seturilor de proteine: a fost de fapt folosit pentru imagini topografice și măsurători ale durității microtubulilor , proteinelor și bacteriorrodopsinei .

În biologia celulară, pe de altă parte, este utilizat pentru a distinge celulele canceroase de celulele sănătoase, pe baza diferenței în modulul lui Young . Este, de asemenea, utilizat pentru a evalua interacțiunea dintre o celulă specifică și celulele învecinate. Un alt mod de utilizare este indentarea celulară, pentru a studia modul în care se modifică duritatea și forma membranei celulare.

Unele tipuri particulare de consolă conductivă permit evaluarea potențialelor electrice . În special, unele sisteme permit înregistrarea modificărilor curentului care curge în vârf pentru a evalua conductivitatea electrică sau proprietățile de transport. ^[7]

Modalități de achiziție

De-a lungul anilor, au fost dezvoltate mai multe moduri de operare pentru microscopul de interacțiune atomică. Cele trei moduri principale de funcționare se disting în funcție de tipul de mișcare a vârfului, adică modul static sau modul de contact și două moduri dinamice, modul de atingere și modul fără contact. Modul de atingere este definit ca un contact intermitent (sau AC) sau o metodă de achiziție a modulației amplitudinii AFM de către mecanismul de achiziție. În mod similar, modul fără contact este denumit și modul de frecvență AFM, prin mecanismul de achiziție a imaginii.

Operațiune de contact static

În operația de contact static, forța care acționează între vârf și suprafața eșantionului este menținută constantă în timpul scanării, menținând o deviere constantă utilizând direct semnalul de feedback. Deoarece măsurarea unui semnal static este afectată de zgomot și de derivație, sunt recomandate consolele cu o constantă mică de oscilație a arcului, astfel încât rigiditatea lor să fie redusă. În acest fel, se poate obține un semnal de deviere destul de mare, menținând în același timp forțele de interacțiune scăzute. De fapt, aproape de eșantion, forțele de interacțiune pot fi suficient de mari pentru a provoca efectul „snap-in”, adică vârful se lipeste de suprafață. Prin urmare, operația de contact se face la o înălțime prin care forța rămâne respingătoare pe toată lungimea probei.

Operațiune dinamică de contact

Lanț cu un singur polimer (0,4 nm grosime) dobândit în modul de filetare într-un mediu apos, cu pH diferit. ^[8]

În condiții ambientale, se formează un menisc de apă între vârf și majoritatea probelor datorită umezelii. În aceste condiții, menținerea vârfului la o înălțime constantă față de substrat (modul de contact) poate fi complicată și poate duce la lipirea vârfului de suprafața studiată. Pentru a rezolva această problemă, au fost dezvoltate cele două metode de contact dinamic, modul fără contact și modul de atingere. ^[9] Până în prezent, cel mai utilizat sistem este metoda „tapping” atât pentru lucrul în medii lichide, cât și în aer, în special pentru a studia sisteme delicate, cum ar fi proteinele.

În modul de atingere, consola este oscilată în apropierea frecvenței sale rezonante. Oscilația se obține în mod obișnuit cu ajutorul unui piezoelectric situat în structura care susține consola. Oscilarea poate fi realizată și prin includerea câmpurilor magnetice de curent alternativ (pentru consolele magnetice), consolele piezoelectrice sau încălzirea periodică a vârfului cu un fascicul laser modulat. Amplitudinea oscilației poate varia de la câțiva nm la 200 nm. Frecvența și amplitudinea semnalului sunt menținute constante, ducând la o oscilație constantă în consolă până când nu există efecte de derivație sau de interacțiune a suprafeței. Mai multe forțe de interacțiune intră în joc pe măsură ce vârful se apropie de eșantion, inclusiv forțele Van der Waals , interacțiunile dipol-dipol , forțele electrostatice etc. Amplitudinea oscilației, în prezența acestor forțe, determină o schimbare a amplitudinii oscilației cantileverului pe măsură ce vârful se apropie de eșantion. Această amplitudine este utilizată ca unul dintre parametrii care controlează un servo electronic prin care este controlată înălțimea consolului în raport cu eșantionul, pentru a menține constantă amplitudinea oscilației consilierului în timpul scanării.

Deși forța aplicată eșantionului de vârf este mai intensă decât în timpul operației de contact, funcționarea în modul de atingere generează mai puține daune eșantionului. Acest fapt se explică în general prin scurta durată a contactului în timpul impulsului.

Faza oscilației poate fi, de asemenea, monitorizată și înregistrată. Acest semnal conține informații cu privire la energia disipată de consolă la fiecare ciclu de oscilație. Informațiile care pot fi obținute se referă atât la modificări privind duritatea eșantionului, cât și la diferite proprietăți de aderență, care nu sunt vizibile în imaginea topografică. Cu toate acestea, aceste informații sunt calitative: extragerea informațiilor cantitative este adesea imposibilă.

Mod fără contact

În acest mod, vârful nu intră niciodată în contact cu suprafața. Consola oscilează la propria frecvență rezonantă (modulație de frecvență) sau chiar deasupra (modulație de amplitudine). De obicei oscilația variază de la câțiva nanometri (<10 nm) la câțiva picometri. ^[10] Forțele Van der Waals , care se exercită la o distanță de 1 nm până la 10 nm de la suprafață, sau alte forțe cu rază lungă de acțiune determină amortizarea rezonanței în consolă. Amplitudinea oscilației și frecvența sunt menținute constante datorită atât schimbării frecvenței rezonante (care scade), cât și circuitului de feedback, care asigură că distanța dintre vârf și probă rămâne constantă. Măsurarea distanței dintre vârf și eșantion permite construirea imaginii suprafeței eșantionului.

Modulația de frecvență și modularea amplitudinii

Schemele pentru operațiile de contact fără contact și dinamice includ modulația de frecvență și modularea de amplitudine mai frecventă. În modulația de frecvență, variațiile frecvenței de oscilație oferă informații despre caracteristicile suprafeței probei. Deoarece frecvența poate fi măsurată cu mare precizie, sunt folosite consolele foarte rigide pentru o stabilitate mai mare a măsurării. Datorită acestei caracteristici, rezoluția atomică în condiții de vid ultra-ridicat a fost atinsă pentru prima dată prin această tehnică. ^[11]

În modulația amplitudinii , variațiile amplitudinii oscilației produc informații topografice ale suprafeței probei. În plus, variațiile de fază ale oscilațiilor în modul de modulare a amplitudinii pot fi utilizate pentru a discrimina diferitele tipuri de materiale de pe suprafață. Această metodă poate fi utilizată pentru ambele moduri dinamice. Din nou, rezoluția atomică a fost realizată folosind consolele foarte rigide și condițiile de vid ultra-ridicat .

AFM în lichid

Tehnica AFM poate fi utilizată într-un mediu lichid. În comparație cu achiziția în aer, modul de contact nu prezintă diferențe deosebite, în timp ce achiziția devine mai complexă în modurile fără contact și prin atingere. Alegerea dintre metodele de achiziție dinamice și non-dinamice depinde de proba care urmează să fie analizată: dacă proba este rigidă și ferm ancorată pe substrat, este preferat modul de contact, în cazul probelor biologice mai moi și mai fragile, sunt preferabile modurile de contact sau non-contact. ^[12] ^[13] ^[14]

Scanarea poate avea loc, în funcție de instrumentul utilizat, prin mutarea vârfului sau a probei. Pentru măsurători în lichid, este de preferat să deplasați vârful în timpul măsurării, pentru a evita deplasarea lichidului în timpul scanării. Cu toate acestea, mutarea vârfului are dezavantaje, începând cu rezoluția mai mică a imaginii, precum și o instabilitate termică mai mare.

Pentru unele aplicații este convenabil să se adopte metoda clasică de măsurare, adică să se deplaseze proba în raport cu vârful, care rămâne staționar în timpul scanării. Acest lucru minimizează instabilitatea termică în celulă, precum și îmbunătățirea calității imaginii. În unele cazuri, se încearcă minimizarea mișcării eșantionului în raport cu celula cu lichidul, pentru a preveni scurgerile și a reduce zgomotul, datorită mișcării lichidului în timpul scanării.

Un alt aspect care trebuie luat în considerare în ceea ce privește modurile de achiziție dinamică este diferența de vibrație în consolă în aer și în lichid. Diferențele sunt atât în amplitudinea vibrațiilor, cât și într-o reducere a frecvenței de rezonanță. Această reducere poate fi explicată atât prin mediul lichid, care este mai dens decât aerul și cu o vâscozitate mai mare, cât și prin creșterea masei pe consolă. ^[15]

Bacsis

Alegerea vârfului este un element fundamental pentru toate tipurile de scanări AFM, indiferent dacă este vorba de scanări în aer sau în lichid. Pe lângă geometria vârfului și tipul probei, trebuie acordată o atenție deosebită materialului din care este format vârful, precum și acoperirii, în special în prezența lichidului și într-un mediu acid. ^[12] Principalii parametri care influențează alegerea vârfului sunt: ^[16]

tipul tehnicii (contact static, contact dinamic, absența contactului dinamic)
tipul probei (dacă este fragilă sau puternică)
experimentul AFM (topografie, electric, magnetic etc.)
rezoluția și durata măsurării

Materialele utilizate de obicei pentru vârf sunt siliciu , nitrură de siliciu și sticlă borosilicată . Consola poate fi din același material ca vârful. Acoperirile sunt alese în funcție de diferitele aplicații: cele mai utilizate sunt aur ^[17] , platină iridiu (PtIr5), diamant ^[18] sau acoperiri magnetice.

În special, suma semnalului înregistrat de fotodiodă trebuie să rămână suficient de mare pentru a obține o imagine bună. Cu toate acestea, detaliile structurale și chimice ale vârfului nu sunt întotdeauna cunoscute. Într-adevăr, caracterizarea vârfului este dificilă și consumă mult timp, iar multe dintre metodele de caracterizare sunt distructive pentru vârful în sine.

Vârfurile pot avea diferite forme geometrice: în general cele mai frecvente sunt de formă piramidală și coloidală.

Sus în aer

Vârfurile din siliciu, de obicei de formă conică, sunt utilizate pe scară largă pentru scanări în aer. Înălțimea vârfului și dimensiunea părții terminale pot varia în funcție de rezoluția care trebuie obținută și de tipul de imagine care trebuie dobândită. Acestea au de obicei între 10-15 µm în înălțime și 10 m sau mai puțin pentru vârful vârfului. Cu toate acestea, vârfurile de siliciu nu pot fi utilizate în lichide, datorită rigidității consolului, care are o constantă elastică ridicată.

În lichid

Într-un mediu lichid, forțele de solvabilitate joacă un rol fundamental în achiziționarea imaginii. Principalii parametri care trebuie luați în considerare sunt compoziția chimică a vârfului, ^[19] geometria capătului vârfului ^[20] și sarcina de suprafață. ^[21]

Din acest motiv, vârfurile de nitrură de siliciu sunt utilizate pe scară largă. Aceste sfaturi au o constantă elastică în consolă mult mai mică decât vârfurile din siliciu, permițând atât scanarea în modul fără contact și modul de atingere, cât și scanarea în modul de contact. Aceste sfaturi au o durabilitate bună și suferă o uzură mai mică decât vârfurile din siliciu. Cu toate acestea, doi parametri geometrici ai acestor puncte, și anume înălțimea lor (∼2,5 µm) și unghiul lor redus, de obicei în jurul valorii de ∼20-60 nm, limitează rezoluția. ^[22]

Recent, au fost dezvoltate sfaturi hibride, pentru a combina avantajele ambelor tipuri. Aceste sfaturi prezintă consola în nitrură de siliciu, care este mai moale, și vârful de siliciu, astfel încât să fie mai clar, pentru a crește rezoluția imaginii. Acest tip de vârf reduce efectul forțelor de solvație dacă substratul analizat este suficient de plat. ^[23]

Akrami și colab., ^[24] într-un studiu recent, au demonstrat că, folosind sfaturi comerciale, este posibil să se obțină imagini de înaltă rezoluție prin crearea unor situri de hidratare locale în zona terminală a vârfului. Probele plate au fost utilizate în principal în acest studiu. Prin siturile de hidratare, se creează forțe de interacțiune stabile între vârf și specimen, crescând reproductibilitatea și rezoluția imaginii. Un alt avantaj al acestor site-uri vine din faptul că vârful este mai bine protejat de orice contaminare externă și încetinește îmbătrânirea. Siturile de hidratare pot fi create prin pulverizare cu siliciu sau argon . Un posibil dezavantaj al acestei tehnici este dat, în cazul tratamentelor externe pe vârf, de posibilele efecte ale convoluției și rotunjirii vârfului, care îi pot reduce performanța și, prin urmare, pot afecta rezoluția imaginii. ^[25]

Forța vs geometria vârfului

Forța dintre vârf și specimen depinde puternic de geometria vârfului. În trecut s-au făcut mai multe studii pentru a modela efectul vârfului asupra diferitelor forțe de interacțiune. ^[26]

Forța datorată meniscului apei la suprafață este cu siguranță una dintre cele mai interesante de studiat, dar nu este singura forță în joc pentru aceste sisteme. De fapt, trebuie luate în considerare forța Coulomb , forțele van der Waals , interacțiunile bistratului , forța de solvație , hidratare și hidrofobă.

Forța exercitată de meniscul apei

Forța exercitată de meniscul de apă este de mare interes pentru măsurătorile AFM în aer. De fapt, un strat subțire de apă între vârf și probă este întotdeauna prezent în astfel de sisteme, deoarece se datorează umidității prezente în atmosferă. ^[27] Acest fenomen este interesant și pentru măsurătorile în lichid în care, a fortiori, este prezent meniscul apei.

Stratul de apă nu influențează atât de mult forțele de atracție, în timp ce creează o forță de aderență între vârf și probă. Datorită energiei ridicate a suprafeței, este deosebit de dificil să se desprindă vârful de la suprafață. De exemplu, este dat calculul pentru un vârf conic și un sfert.

Pentru a cuantifica această forță, pornim de la ecuația lui Laplace pentru presiune:

$P=\gamma _{L}({\frac {1}{r}}_{1}+{\frac {1}{r}}_{0})\simeq {\frac {\gamma _{L}}{r_{eff}}}$ ${\ displaystyle P = \ gamma _ {L} ({\ frac {1} {r}} _ {1} + {\ frac {1} {r}} _ {0}) \ simeq {\ frac {\ gamma _ {L}} {r_ {eff}}}}$ ${\ displaystyle P = \ gamma _ {L} ({\ frac {1} {r}} _ {1} + {\ frac {1} {r}} _ {0}) \ simeq {\ frac {\ gamma _ {L}} {r_ {eff}}}}$

unde γ _L este energia de suprafață și r _{1 și} r ₀ sunt definite în figură.

Presiunea se aplică zonei A, definită ca:

Model pentru meniscul de apă care se formează între vârful AFM și specimen.

$A\simeq 2\pi R\simeq [r_{eff}(1+cos\theta )+h]$ ${\ displaystyle A \ simeq 2 \ pi R \ simeq [r_ {eff} (1 + cos \ theta) + h]}$ ${\ displaystyle A \ simeq 2 \ pi R \ simeq [r_ {eff} (1 + cos \ theta) + h]}$

unde d, θ, eh sunt definite în figură

Forța exercitată între cele două suprafețe este deci:

$F=2\pi R\gamma _{L}(1+cos\theta +{\frac {h}{r_{eff}}})$ ${\ displaystyle F = 2 \ pi R \ gamma _ {L} (1 + cos \ theta + {\ frac {h} {r_ {eff}}})}$ ${\ displaystyle F = 2 \ pi R \ gamma _ {L} (1 + cos \ theta + {\ frac {h} {r_ {eff}}})}$

Aceeași formulă poate fi calculată și luând în considerare umiditatea relativă.

Gao ^{[28] a} calculat această formulă pentru diferite geometrii eșantionului, arătând că forța scade cu 20% pentru un vârf conic comparativ cu un vârf sferic.

La calcularea forțelor, trebuie făcută o distincție între două situații: uscat pe umed și umed pe umed.

Pentru un sfat sferic, formula devine:

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}(cos\theta +cos\phi )(1-{\frac {dh}{dD}})$ ${\ displaystyle f_ {m} = - 2 \ pi R \ gamma _ {L} (cos \ theta + cos \ phi) (1 - {\ frac {dh} {dD}})}$ ${\ displaystyle f_ {m} = - 2 \ pi R \ gamma _ {L} (cos \ theta + cos \ phi) (1 - {\ frac {dh} {dD}})}$ pentru uscat pe umed

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}$ $f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}$ $f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}$ per bagnato su bagnato

dove θ è l'angolo di contatto della sfera asciutta e φ è l'angolo di immersione come mostrato in figura R,he D sono mostrate nella stessa immagine.

Per una punta conica, la formula diventa:

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {tan\delta }{cos\delta }}(cos\theta +sin\delta )(hD)(1-{\frac {dh}{dD}})$ $f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {tan\delta }{cos\delta }}(cos\theta +sin\delta )(hD)(1-{\frac {dh}{dD}})$ $f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {tan\delta }{cos\delta }}(cos\theta +sin\delta )(hD)(1-{\frac {dh}{dD}})$ per asciutto su bagnato

$f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}({\frac {1}{cos\delta }}+sin\delta )(r_{0})({\frac {dr_{0}}{dD}})$ $f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}({\frac {1}{cos\delta }}+sin\delta )(r_{0})({\frac {dr_{0}}{dD}})$ $f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}({\frac {1}{cos\delta }}+sin\delta )(r_{0})({\frac {dr_{0}}{dD}})$ per bagnato su bagnato

dove δ è l'angolo di metà cono er ₀ eh sono parametri del profilo del menisco.

Vantaggi

Scansione topografica della superficie di un vetro effettuata con un microscopio a forza atomica

Il microscopio a forza atomica presenta diversi vantaggi rispetto al microscopio elettronico : diversamente da quest'ultimo, che fornisce una proiezione bidimensionale o un'immagine bidimensionale di un campione, l'AFM produce un reale profilo tridimensionale della superficie; inoltre i campioni analizzati da un microscopio ad interazione atomica (AFM) non richiedono nessun trattamento speciale ( metallizzazione e grafitizzazione ) che potrebbe modificare o distruggere irrimediabilmente il campione.

Mentre un microscopio elettronico per un funzionamento corretto necessita di un costoso ambiente sottovuoto , la maggior parte delle modalità operative del microscopio ad interazione atomica (AFM) funzionano perfettamente nell'ambiente normale o perfino in un ambiente liquido . Ciò lo rende un ottimo strumento per lo studio di macromolecole biologiche e di organismi viventi .

Svantaggi

Il principale svantaggio del microscopio a forza atomica rispetto al microscopio elettronico a scansione (SEM) consiste nelle dimensioni dell'immagine: il microscopio elettronico a scansione (SEM) è in grado di mostrare un'area dell'ordine del millimetro per millimetro e una profondità di campo dell'ordine del millimetro; il microscopio a forza atomica può invece riprodurre solo una profondità dell'ordine del micrometro ed un'area massima di circa 100 per 100 micrometri .

Un altro inconveniente di tale strumento è che l'elevata risoluzione e la qualità delle immagini sono limitate dal raggio di curvatura della sonda e una scelta errata della sonda può portare anche alla formazione di artefatti.

Inoltre tale microscopio non è in grado di analizzare le immagini velocemente come il microscopio elettronico a scansione: per effettuare la scansione di un'area ci vogliono tipicamente diversi minuti con un microscopio a forza atomica, mentre un microscopio elettronico a scansione (una volta effettuato il vuoto nella colonna) è in grado di esplorarla quasi in tempo reale (anche se con una qualità relativamente bassa). I lunghi tempi impiegati per formare l'immagine possono anche portare molto spesso al drift termico dell'immagine. Per questo motivo il microscopio a forza atomica può non rivelarsi adatto per misurare in modo accurato le distanze tra gli artefatti di tali immagini.

Infine molte immagini AFM sono caratterizzate dall' isteresi dei materiali piezoelettrici e dai disturbi nella trasmissione prodotta da alterazione o disordine nei segnali fra i diversi canali degli assi (x,y,z). L'immagine deve essere perciò post-processata e filtrata con un opportuno software.

Importanti passi in avanti sono stati effettuati con la progettazione del video-AFM, con il quale si possono ottenere delle immagini di buona qualità e in tempi inferiori a quelli del SEM.

Note

^ G. Binnig, Atomic Force Microscope , in Physical Review Letters , vol. 56, n. 9, 1º gennaio 1986, pp. 930-933, DOI : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . URL consultato il 14 febbraio 2017 .
^ ( EN ) Daniel J. Müller e Yves F. Dufrêne, Atomic force microscopy as a multifunctional molecular toolbox in nanobiotechnology , in Nature Nanotechnology , vol. 3, n. 5, 2008, pp. 261-269, Bibcode : 2008NatNa...3..261M , DOI : 10.1038/nnano.2008.100 , ISSN 1748-3387 ( WC · ACNP ) .
^ ( EN ) Nagaraju Chada, Krishna P. Sigdel, Raghavendar Reddy Sanganna Gari, Tina Rezaie Matin, Linda L. Randall e Gavin M. King, Glass is a Viable Substrate for Precision Force Microscopy of Membrane Proteins , in Scientific Reports , vol. 5, n. 1, 31 luglio 2015, Bibcode : 2015NatSR...512550C , DOI : 10.1038/srep12550 , ISSN 2045-2322 ( WC · ACNP ) .
^ Patent US4724318 - Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution
^ IBM's 35 atoms and the rise of nanotech .
^ Atomic Force Microscope , vol. 56, Bibcode : 1986PhRvL..56..930B , DOI : 10.1103/physrevlett.56.930 , PMID 10033323 .
^ KM Lang, DA Hite, RW Simmonds, R. McDermott, DP Pappas e John M. Martinis, Conducting atomic force microscopy for nanoscale tunnel barrier characterization , in Review of Scientific Instruments , vol. 75, n. 8, 2004, pp. 2726-2731, Bibcode : 2004RScI...75.2726L , DOI : 10.1063/1.1777388 (archiviato dall' url originale il 23 febbraio 2013) .
^ AFM Single Molecule Experiments at the Solid−Liquid Interface: In Situ Conformation of Adsorbed Flexible Polyelectrolyte Chains , vol. 127, DOI : 10.1021/ja0558239 , PMID 16277495 .
^ Fractured polymer/silica fiber surface studied by tapping mode atomic force microscopy , vol. 290, Bibcode : 1993SurSL.290L.688Z , DOI : 10.1016/0167-2584(93)90906-Y .
^ 10.1126/science.1176210 , vol. 325, Bibcode : 2009Sci...325.1110G , DOI : 10.1126/science.1176210 , PMID 19713523 .
^ Advances in atomic force microscopy , vol. 75, Bibcode : 2003RvMP...75..949G , DOI : 10.1103/RevModPhys.75.949 .
^ ^a ^b Kislon Voïtchovsky,High-resolution AFM in liquid: what about the tip? , in Nanotechnology , vol. 26, n. 10, 13 marzo 2015, p. 100501, DOI : doi:10.1088/0957-4484/26/10/100501 .
^ Imaging of biological samples in liquid environment , su ntmdt-si.com .
^ Constant AJ Putman, Kees O. Van der Werf, Bart G. De Grooth, Niek F. Van Hulst, and Jan Greve, Tapping mode atomic force microscopy in liquid , in Appl. Phys. Lett , vol. 64, n. 2454.
^ M. Habibnejad Korayem, H. Jiryaei Sharahi e A. Habibnejad Korayem, Comparison of frequency response of atomic force microscopy cantilevers under tip-sample interaction in air and liquids , in Scientia Iranica , vol. 19, n. 1, 2012-02, pp. 106-112, DOI : 10.1016/j.scient.2011.12.009 . URL consultato il 15 giugno 2018 .
^ Tip comparison , su spmtips.com .
^ Oscar H. Willemsen, Margot ME Snel, Alessandra Cambi, Jan Greve, Bart G. De Grooth and Carl G. Figdor "Biomolecular Interactions Measured by Atomic Force Microscopy" Biophysical Journal , Volume 79, Issue 6, December 2000, Pages 3267-3281.
^ Koo-Hyun Chung and Dae-Eun Kim, "Wear characteristics of diamond-coated atomic force microscope probe". Ultramicroscopy , Volume 108, Issue 1, December 2007, Pages 1-10
^ Paul D. Ashby, Liwei Chen e Charles M. Lieber, Probing Intermolecular Forces and Potentials with Magnetic Feedback Chemical Force Microscopy , in Journal of the American Chemical Society , vol. 122, n. 39, October 2000, pp. 9467-9472, DOI : 10.1021/ja0020613 .
^ Shah H. Khan e Peter M. Hoffmann, Diverging Effects of NaCl and CsCl on the Mechanical Properties of Nanoconfined Water , in Journal of The Electrochemical Society , vol. 165, n. 3, 21 febbraio 2018, pp. H114–H120, DOI : 10.1149/2.0391803jes .
^ Maria Ricci, Peter Spijker e Kislon Voïtchovsky,Water-induced correlation between single ions imaged at the solid–liquid interface , in Nature Communications , vol. 5, n. 1, 16 luglio 2014, DOI : https://doi.org/10.1038/ncomms5400 .
^ Voïtchovsky K1., High-resolution AFM in liquid: what about the tip? , in Nanotechnology , vol. 10, n. 26.
^ Gillian B. Kaggwa, Prathima C. Nalam, Jason I. Kilpatrick, Nicholas D. Spencer e Suzanne P. Jarvis, Impact of Hydrophilic/Hydrophobic Surface Chemistry on Hydration Forces in the Absence of Confinement , in Langmuir , vol. 28, n. 16, 10 aprile 2012, pp. 6589-6594, DOI : 10.1021/la300155c .
^ SMR Akrami, H Nakayachi, T Watanabe-Nakayama, H Asakawa e T Fukuma, Significant improvements in stability and reproducibility of atomic-scale atomic force microscopy in liquid , in Nanotechnology , vol. 25, n. 45, 14 novembre 2014, p. 455701, DOI : 10.1088/0957-4484/25/45/455701 .
^ Carl Leung, Aizhan Bestembayeva, Richard Thorogate, Jake Stinson, Alice Pyne, Christian Marcovich, Jinling Yang, Ute Drechsler, Michel Despont, Tilo Jankowski, Martin Tschöpe e Bart W. Hoogenboom, Atomic Force Microscopy with Nanoscale Cantilevers Resolves Different Structural Conformations of the DNA Double Helix , in Nano Letters , vol. 12, n. 7, 29 giugno 2012, pp. 3846-3850, DOI : 10.1021/nl301857p .
^ Editorial Board , in Surface Science Reports , vol. 33, n. 1-2, 1999, pp. iii, DOI : 10.1016/s0167-5729(99)90010-9 .
^ T. Thundat, X.-Y. Zheng e GY Chen, Role of relative humidity in atomic force microscopy imaging , in Surface Science Letters , vol. 294, n. 1-2, 1993-09, pp. L939–L943, DOI : 10.1016/0167-2584(93)91119-9 . URL consultato il 15 giugno 2018 .
^ Chao Gao, Theory of menisci and its applications , in Appl. Phys. Lett , vol. 71, n. 1801.

Bibliografia

Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, VB Elings, Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).
Nan Yao, Zhong Lin Wang, Handbook of microscopy for nanotechnology , Springer Science & Business, 2005. ISBN 1-4020-8003-4

Voci correlate

Altri progetti

Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su microscopio a forza atomica

Collegamenti esterni

( EN ) Atomic Force Microscopy , su doitpoms.ac.uk .

Controllo di autorità	GND ( DE ) 4333578-0

Portale Chimica

Portale Fisica

[1] G. Binnig, Atomic Force Microscope , in Physical Review Letters , vol. 56, n. 9, 1º gennaio 1986, pp. 930-933, DOI : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . URL consultato il 14 febbraio 2017 .

[muller-2] ( EN ) Daniel J. Müller e Yves F. Dufrêne, Atomic force microscopy as a multifunctional molecular toolbox in nanobiotechnology , in Nature Nanotechnology , vol. 3, n. 5, 2008, pp. 261-269, Bibcode : 2008NatNa...3..261M , DOI : 10.1038/nnano.2008.100 , ISSN 1748-3387 ( WC · ACNP ) .

[:1-3] ( EN ) Nagaraju Chada, Krishna P. Sigdel, Raghavendar Reddy Sanganna Gari, Tina Rezaie Matin, Linda L. Randall e Gavin M. King, Glass is a Viable Substrate for Precision Force Microscopy of Membrane Proteins , in Scientific Reports , vol. 5, n. 1, 31 luglio 2015, Bibcode : 2015NatSR...512550C , DOI : 10.1038/srep12550 , ISSN 2045-2322 ( WC · ACNP ) .

[Biningpat-4] Patent US4724318 - Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution

[5] IBM's 35 atoms and the rise of nanotech .

[6] Atomic Force Microscope , vol. 56, Bibcode : 1986PhRvL..56..930B , DOI : 10.1103/physrevlett.56.930 , PMID 10033323 .

[Lang_et._al.-7] KM Lang, DA Hite, RW Simmonds, R. McDermott, DP Pappas e John M. Martinis, Conducting atomic force microscopy for nanoscale tunnel barrier characterization , in Review of Scientific Instruments , vol. 75, n. 8, 2004, pp. 2726-2731, Bibcode : 2004RScI...75.2726L , DOI : 10.1063/1.1777388 (archiviato dall' url originale il 23 febbraio 2013) .

[roiter-8] AFM Single Molecule Experiments at the Solid−Liquid Interface: In Situ Conformation of Adsorbed Flexible Polyelectrolyte Chains , vol. 127, DOI : 10.1021/ja0558239 , PMID 16277495 .

[9] Fractured polymer/silica fiber surface studied by tapping mode atomic force microscopy , vol. 290, Bibcode : 1993SurSL.290L.688Z , DOI : 10.1016/0167-2584(93)90906-Y .

[10] 10.1126/science.1176210 , vol. 325, Bibcode : 2009Sci...325.1110G , DOI : 10.1126/science.1176210 , PMID 19713523 .

[11] Advances in atomic force microscopy , vol. 75, Bibcode : 2003RvMP...75..949G , DOI : 10.1103/RevModPhys.75.949 .

[tip-12] Kislon Voïtchovsky,High-resolution AFM in liquid: what about the tip? , in Nanotechnology , vol. 26, n. 10, 13 marzo 2015, p. 100501, DOI : doi:10.1088/0957-4484/26/10/100501 .

[ntmdt-13] Imaging of biological samples in liquid environment , su ntmdt-si.com .

[14] Constant AJ Putman, Kees O. Van der Werf, Bart G. De Grooth, Niek F. Van Hulst, and Jan Greve, Tapping mode atomic force microscopy in liquid , in Appl. Phys. Lett , vol. 64, n. 2454.

[15] M. Habibnejad Korayem, H. Jiryaei Sharahi e A. Habibnejad Korayem, Comparison of frequency response of atomic force microscopy cantilevers under tip-sample interaction in air and liquids , in Scientia Iranica , vol. 19, n. 1, 2012-02, pp. 106-112, DOI : 10.1016/j.scient.2011.12.009 . URL consultato il 15 giugno 2018 .

[16] Tip comparison , su spmtips.com .

[17] Oscar H. Willemsen, Margot ME Snel, Alessandra Cambi, Jan Greve, Bart G. De Grooth and Carl G. Figdor "Biomolecular Interactions Measured by Atomic Force Microscopy" Biophysical Journal , Volume 79, Issue 6, December 2000, Pages 3267-3281.

[18] Koo-Hyun Chung and Dae-Eun Kim, "Wear characteristics of diamond-coated atomic force microscope probe". Ultramicroscopy , Volume 108, Issue 1, December 2007, Pages 1-10

[19] Paul D. Ashby, Liwei Chen e Charles M. Lieber, Probing Intermolecular Forces and Potentials with Magnetic Feedback Chemical Force Microscopy , in Journal of the American Chemical Society , vol. 122, n. 39, October 2000, pp. 9467-9472, DOI : 10.1021/ja0020613 .

[20] Shah H. Khan e Peter M. Hoffmann, Diverging Effects of NaCl and CsCl on the Mechanical Properties of Nanoconfined Water , in Journal of The Electrochemical Society , vol. 165, n. 3, 21 febbraio 2018, pp. H114–H120, DOI : 10.1149/2.0391803jes .

[21] Maria Ricci, Peter Spijker e Kislon Voïtchovsky,Water-induced correlation between single ions imaged at the solid–liquid interface , in Nature Communications , vol. 5, n. 1, 16 luglio 2014, DOI : https://doi.org/10.1038/ncomms5400 .

[22] Voïtchovsky K1., High-resolution AFM in liquid: what about the tip? , in Nanotechnology , vol. 10, n. 26.

[23] Gillian B. Kaggwa, Prathima C. Nalam, Jason I. Kilpatrick, Nicholas D. Spencer e Suzanne P. Jarvis, Impact of Hydrophilic/Hydrophobic Surface Chemistry on Hydration Forces in the Absence of Confinement , in Langmuir , vol. 28, n. 16, 10 aprile 2012, pp. 6589-6594, DOI : 10.1021/la300155c .

[24] SMR Akrami, H Nakayachi, T Watanabe-Nakayama, H Asakawa e T Fukuma, Significant improvements in stability and reproducibility of atomic-scale atomic force microscopy in liquid , in Nanotechnology , vol. 25, n. 45, 14 novembre 2014, p. 455701, DOI : 10.1088/0957-4484/25/45/455701 .

[25] Carl Leung, Aizhan Bestembayeva, Richard Thorogate, Jake Stinson, Alice Pyne, Christian Marcovich, Jinling Yang, Ute Drechsler, Michel Despont, Tilo Jankowski, Martin Tschöpe e Bart W. Hoogenboom, Atomic Force Microscopy with Nanoscale Cantilevers Resolves Different Structural Conformations of the DNA Double Helix , in Nano Letters , vol. 12, n. 7, 29 giugno 2012, pp. 3846-3850, DOI : 10.1021/nl301857p .

[26] Editorial Board , in Surface Science Reports , vol. 33, n. 1-2, 1999, pp. iii, DOI : 10.1016/s0167-5729(99)90010-9 .

[27] T. Thundat, X.-Y. Zheng e GY Chen, Role of relative humidity in atomic force microscopy imaging , in Surface Science Letters , vol. 294, n. 1-2, 1993-09, pp. L939–L943, DOI : 10.1016/0167-2584(93)91119-9 . URL consultato il 15 giugno 2018 .

[28] Chao Gao, Theory of menisci and its applications , in Appl. Phys. Lett , vol. 71, n. 1801.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28] a

V · D · M Microscopia a scansione di sonda
Comune	Microscopio a forza atomica · Microscopio a effetto tunnel
Altre	Microscopio a forza elettrostatica · Microscopio a effetto tunnel elettrochimico · Microscopio a forza di sonda Kelvin · Microscopio a forza magnetica · Microscopio a forza di risonanza magnetica · Microscopio ottico a scansione di campo vicino · Microspettroscopia fototermica · Microscopia a scansione di capacità · Microscopia a scansione di porta · Microscopio a scansione di sonda di Hall · Microscopia a scansione di conduttanza ionica · Microscopia a effetto tunnel con rotazione polarizzata · Microscopia a scansione di tensione
Applicazioni	Litografia a scansione di sonda · Nanolitografia dip-pen · Scansione a caratteristica orientata · IBM Millipede
Vedi anche	Nanotecnologia · Microscopio · Microscopia