El microscopio atómico (AFM) de la fuerza del o el microscopio de la fuerza de la exploración (SFM) es un tipo muy de alta resolución del microscopio de la punta de prueba de la exploración, con la resolución demostrada de fracciones de un nanómetro, más de 1000 veces mejor que el límite de difracción óptico . El precursor al AFM, el microscopio el hacer un túnel de la exploración, fue desarrollado por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en el principios de los 80, un desarrollo que les ganó el Premio Nobel Para la física en 1986. Binnig, el Quate y el Gerber inventaron el primer AFM en 1986. El AFM es una de las primeras herramientas para la proyección de imagen, midiendo y manipulando la materia en el nanoscale . El término “microscopio” en el nombre es realmente un nombre incorrecto porque implica la mirada, mientras que de hecho la información es recopilada por el " feeling" la superficie con una punta de prueba mecánica.

Principio de base

El AFM consiste en un voladizo de la microescala con una extremidad aguda (punta de prueba) en su extremo que se utilice para explorar la superficie del espécimen. El voladizo es típicamente el silicio o el nitruro de silicio con un radio de la extremidad de la curvatura en la orden de nanómetros. Cuando la extremidad se trae en proximidad de una superficie de la muestra, el fuerza entre la extremidad y la muestra llevar a una desviación del voladizo según la ley de Hooke. Dependiendo de la situación, las fuerzas que se miden en el AFM incluyen la fuerza mecánica del contacto, Van der Waals fuerzan las fuerzas del tubo capilar del, la vinculación química, las fuerzas electrostáticas, las fuerzas magnéticas (véase el microscopio de la fuerza magnética (MFM)), las fuerzas de Casimiro, las fuerzas etc. de la disolución así como fuerza, las cantidades adicionales se pueden medir simultáneamente con el uso de tipos especializados de punta de prueba (véase el microscopy#SThM de la punta de prueba de la exploración, el microspectroscopy fototérmico, el etc. Típicamente, la desviación se mide usar un punto del laser reflejado de la tapa del voladizo en un arsenal de los fotodiodos . Otros métodos se utilizan que incluyen interferometría óptica, la detección capacitiva o los voladizos piezorresistivos del AFM. Estos voladizos se fabrican con los elementos piezorresistivos que actúan como calibrador de tensión . Usar un puente de Wheatstone, la tensión en el voladizo del AFM debido a la desviación puede ser medida, pero este método no es tan sensible como la desviación o la interferometría del laser.

Si la extremidad fuera explorada en una altura constante, habría un riesgo que la extremidad chocaría con la superficie, estropeando. Por lo tanto, en la mayoría de los casos un mecanismo de la regeneración se emplea para ajustar la distancia de la inclinar-a-muestra para mantener una fuerza constante entre la extremidad y la muestra. Tradicionalmente, la muestra se monta en un tubo piezoeléctrico, ésa puede mover la muestra en la dirección del z para mantener una fuerza constante, y las direcciones del x y del y para explorar la muestra. Una configuración del “trípode” de tres cristales piezoeléctricos se puede emplear alternativo, con cada uno responsable de la explorar en las direcciones de x, de y y de z. Esto elimina algunos de los efectos de la distorsión vistos con un explorador del tubo. El mapa resultante del del área s = f (x, y) representa la topografía de la muestra.

El AFM se puede funcionar en un número de modos, dependiendo del uso. Los modos posibles de la proyección de imagen se dividen generalmente en (también llamado contacto) modos estáticos y una variedad de modos dinámicos.

Modos de la proyección de imagen

El modo de operación primario es modo estático (del contacto) y modo dinámico. En la operación estática del modo, la desviación estática de la extremidad se utiliza como señal de retorno. Porque la medida de una señal estática es ruido y deriva propensos, los voladizos bajos de la tiesura se utilizan para alzar la señal de la desviación. Sin embargo, cerca de la superficie de la muestra, las fuerzas atractivas pueden ser absolutamente fuertes, causando la extremidad “snap-in” a la superficie. Así el modo estático AFM se hace casi siempre en contacto donde está repulsiva la fuerza total. Por lo tanto, esta técnica típicamente se llama “modo de contacto”. Modo de contacto, la fuerza entre la extremidad y la superficie es mantenida constante durante la exploración manteniendo una desviación constante.

En el modo dinámico, el voladizo está externamente osciló en o cerca de su frecuencia de la resonancia . La amplitud de la oscilación, la fase y la frecuencia de la resonancia son modificadas por las fuerzas de la interacción de la inclinar-muestra; estos cambios en la oscilación con respecto a la oscilación de la referencia externa proporcionan la información sobre las características de la muestra. Los esquemas para la operación dinámica del modo incluyen la modulación de frecuencia y la modulación de amplitud más común . En la modulación de frecuencia, los cambios en la frecuencia de la oscilación proporcionan la información sobre interacciones de la inclinar-muestra. La frecuencia se puede medir con sensibilidad muy alta y el modo de la modulación de frecuencia permite así el uso de voladizos muy tiesos. Los voladizos tiesos proporcionan estabilidad muy cerca a la superficie y, consecuentemente, esta técnica era la primera técnica del AFM para proporcionar la resolución atómica verdadera en las condiciones del vacío ultraalto (Giessibl).

En la modulación de la amplitud, los cambios en la amplitud de la oscilación o la fase proporcionan la señal de retorno para la proyección de imagen. En la modulación de amplitud, los cambios en la fase de oscilación se pueden utilizar para discriminar entre diversos tipos de materiales en la superficie. La modulación de amplitud se puede funcionar en el régimen sin contacto o en intermitente del contacto. En condiciones ambiente, la mayoría de las muestras desarrollan una capa líquida del menisco. Debido a esto, guardando el cierre de la extremidad de la punta de prueba bastante a la muestra para que fuerzas de corto alcance lleguen a ser perceptible mientras que evitar que la extremidad se pegue a la superficie presenta un cañizo importante para el modo dinámico sin contacto en condiciones ambiente. El modo de contacto dinámico (también llamado contacto intermitente o modo que golpea ligeramente) fue desarrollado para puentear este problema (Zhong y otros). En modo de contacto dinámico, el voladizo se oscila tales que entra en contacto con la muestra con cada ciclo, y entonces bastante la fuerza de restauración se proporciona por el resorte voladizo para separar la extremidad de la muestra.

La modulación de la amplitud también ha sido utilizada en el régimen sin contacto a la imagen con la resolución atómica usando los voladizos muy tiesos y las pequeñas amplitudes en un ambiente del vacío ultraalto.

medidas de la Fuerza-distancia

Otro uso importante del AFM (además de proyección de imagen) es la medida de las curvas de la fuerza-distancia. Aquí, la extremidad del AFM se acerca hacia y contraído de la desviación superficial y estática del voladizo se supervisa en función de la dislocación piezoeléctrica. Estas medidas se han utilizado para medir contactos del nanoscale, la vinculación atómica, la furgoneta-der-Waals y las fuerzas de Casimiro, las fuerzas de la disolución de la hidración en líquidos y las solas fuerzas el estirar y de la ruptura de la molécula (Hinterdorfer y Dufrêne). Fuerzas de la orden de algunos Pico - el Newton se puede ahora medir rutinario con una resolución vertical de la distancia de mejor de 0.

Los problemas con la técnica no incluyen ninguna medida directa de la separación de la inclinar-muestra y la necesidad común de los voladizos bajos de la tiesura que tienden “a encajarse a presión” a la superficie. El snap-in puede ser reducida midiendo en líquidos o usando voladizos más tiesos, pero en el 3ultimo caso un sensor más sensible de la desviación es necesario. Aplicando un pequeño estremecimiento a la extremidad, la tiesura (gradiente de la fuerza) del enlace puede ser medida también (Hoffmann y otros).

Identificación de átomos superficiales individuales

El AFM puede ser utilizado a la imagen y manipular los átomos y las estructuras en una variedad de superficies. El átomo en el ápice del " de la extremidad; senses" átomos individuales en la superficie subyacente cuando forma vínculos químicos incipientes con cada átomo. Porque estas interacciones químicas alteran sutil la frecuencia de la vibración de la extremidad, pueden ser detectadas y ser trazadas.

El físico Óscar Custance (universidad de Osaka, escuela de la ingeniería, Osaka, Japón) y su equipo utilizaron este principio para distinguir entre los átomos del silicio, la lata y el plomo en una superficie de la aleación (naturaleza 2007, 446, 64 del ).

El truco está a primero mide estas fuerzas exacto para cada tipo de átomo esperado en la muestra. El equipo encontró que la extremidad reaccionó lo más fuerte posible con los átomos del silicio, y el 23% y el 41% obrados recíprocamente menos fuerte con los átomos de la lata y del plomo. Así, cada diverso tipo de átomo se puede identificar en la matriz mientras que la extremidad se mueve a través de la superficie.

Tal técnica ahora se ha utilizado en biología y se ha ampliado recientemente a la biología de célula. Las fuerzas que correspondían (i) a la desatadura del despliegue de los pares del ligand del receptor (ii) de la adherencia de célula de las proteínas (iii) en la escala unicelular se han recolectado.

Ventajas y desventajas

El AFM tiene varias ventajas sobre el microscopio electrónico de la exploración (SEM). Desemejante del microscopio electrónico que proporciona una proyección de dos dimensiones o una imagen de dos dimensiones de una muestra, el AFM proporciona un perfil superficial tridimensional verdadero. Además, las muestras vistas por el AFM no requieren ninguna tratos especiales (tales como capas del metal/del carbón) que irreversible cambiarían o dañarían la muestra. Mientras que un microscopio electrónico necesita un ambiente costoso del vacío para la operación apropiada, la mayoría de los modos del AFM pueden trabajar perfectamente bien en aire ambiente o aún un ambiente líquido. Esto permite estudiar las macromoléculas biológicas e incluso los organismos vivos. En principio, el AFM puede proporcionar una resolución más alta que los SEM. Se ha demostrado para dar la resolución atómica verdadera en vacío ultraalto (UHV). UHV AFM es comparable en la resolución a la microscopia el hacer un túnel de la exploración y a la microscopia electrónica de transmisión .

Una desventaja del AFM comparó con el microscopio electrónico de exploración (SEM) es el tamaño de la imagen. Los SEM pueden imagen al área en la orden de los milímetros por milímetros con una profundidad del campo en la orden de milímetros. El AFM puede solamente imagen una altura máxima en la pedido de micrómetros y un área máxima de la exploración de alrededor 150 por 150 micrómetros. Otra inconveniencia es ésa en la alta resolución, la calidad de una imagen es limitada por el radio de curvatura de la extremidad de la punta de prueba, y una opción incorrecta de la extremidad para la resolución required puede llevar a los artefactos de imagen. El AFM no podría explorar tradicionalmente imágenes tan rápidamente como los SEM, requiriendo varios minutos para una exploración típica, mientras que se evacuan los SEM son capaces de la exploración en el tiempo real cercano (aunque en la calidad relativamente baja) después del compartimiento. El índice relativamente lento de exploración durante proyección de imagen del AFM lleva a menudo a la deriva termal en la imagen (Lapshin, 2004, 2007), haciendo el microscopio del AFM adecuado menos para medir distancias exactas entre los artefactos en la imagen. Sin embargo, varios diseños de acci3on r3apida fueron sugeridos para aumentar la productividad de la exploración del microscopio (Lapshin y Obyedkov, 1993) incluyendo qué se está llamando videoAFM (imágenes razonables de la calidad se están obteniendo con el videoAFM a la tarifa video - más rápidamente que los SEM medios). Para eliminar las distorsiones de imagen inducidas por el thermodrift, varios métodos también fueron propuestos (Lapshin, 2004, 2007).

Las imágenes del AFM se pueden afectar por la histéresis del material piezoeléctrico (Lapshin, 1995) y de la interferencia entre (x, y, z) las hachas que pueden requerir el realce y la filtración de software. Tal filtración podría " flatten" características topográficas hacia fuera verdaderas. Sin embargo, software en tiempo real de la corrección de un más nuevo uso del AFM (por ejemplo, de exploración Característica-orientado, Lapshin, 2004, 2007) o exploradores a circuito cerrado que eliminan prácticamente estos problemas. Algún AFM también utiliza los exploradores ortogonales separados (en comparación con un solo tubo) que también sirven eliminar la interferencia problems.AEM

Ver también

que golpea ligeramente AFM
Microscopio de la fuerza de fricción
Microscopio el hacer un túnel de la exploración
Microscopia de la punta de prueba de la exploración
Microscopia del voltaje de la exploración
: Categoría: Nanotecnología
: Categoría: Microscopios ¡ ==Atomic del

de Manufacturers== del microscopio de la fuerza Instrumentos de Veeco del
Infinitesima limitado - VideAFM
Sistemas del parque del
Tecnología del RHK
Sistemas superficiales de la proyección de imagen del
Nanotecnología pacífica del -->

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