Mikroskop sił atomowych (AFM Mikroskop sił atomowych ) jest typu skaningowej mikroskopii sondy wizualizację topografii powierzchni próbki. Ten typ mikroskopii, wynaleziony w 1985 roku przez Gerda Binniga, Calvina Quate'a i Christopha Gerbera, zasadniczo opiera się na analizie obiektu punkt po punkcie za pomocą skanowania za pomocą lokalnej sondy, podobnej do ostrej końcówki. Ten tryb obserwacji umożliwia następnie lokalne odwzorowanie wielkości fizycznych charakterystycznych dla badanego obiektu ( siła , pojemność , natężenie promieniowania , prąd itp.), Ale także pracę w określonych środowiskach, takich jak środowiska pod próżnią. , ciecz lub otoczenie.
Technika AFM wykorzystuje interakcję (przyciąganie / odpychanie) między atomami nanometrycznego wierzchołka punktu a atomami powierzchni próbki. Umożliwia analizę obszarów od kilku nanometrów do kilku mikronów po bokach oraz pomiar sił rzędu nanontonów .
Atomowy mikroskopu sił umożliwia zatem do skanowania powierzchni próbki, dzięki bardzo małej końcówce, umieszczony na wolnym końcu elastycznej mikro dźwignię , która może poruszać się we wszystkich kierunkach w przestrzeni, dzięki piezoelektrycznego rury .
Analiza ugięć mikrodźwigni pozwala określić dokładny przebieg końcówki, a także pomiar sił oddziaływania występujących między nią a próbką. Zdolny do określenia topografii powierzchni, AFM jest w tym przypadku porównywalny z profilometrem .
Mikroskopia sił atomowych jest dostępna w trzech głównych trybach:
Różne rodzaje mierzonych sił zależą od zmienności odległości między końcówką a analizowaną powierzchnią. To jest powód, dla którego w zależności od tych trzech trybów pojawiają się różne typy pomiarów, a tym samym różne zastosowania.
Istnieje kilka sposobów pomiaru odchylenia dźwigni. Najczęstszym, jak dotąd, jest miarą poprzez odbicie z laserem .
Końcówka jest następnie montowana na odblaskowej dźwigni. W dźwigni odbija się promień lasera. Odchylenie wiązki lasera jest spowodowane wygięciem dźwigni (w jednym lub drugim kierunku), a zatem wskazuje na oddziaływanie sił między końcówką a powierzchnią. Pomiar odchylenia końcówki obejmuje zatem pomiar położenia odbitej wiązki laserowej, który jest wykonywany za pomocą ćwiartki fotodiod - to znaczy kołowej fotodiody podzielonej na cztery równe części o dwóch średnicach.
Gdy wiązka nie jest odchylona, uderza w środek kwadrantu, a zatem również oświetla 4 fotodiody . Jeśli wiązka lasera zostanie odchylona do góry, dwie górne fotodiody otrzymają więcej światła niż dolne, przez co pojawi się różnica napięcia . To ta różnica napięcia służy do sprzężenia zwrotnego.
Inne sposoby pomiaru odchylenia dźwigni obejmują pomiar pojemności, STM, który wykrywa położenie dźwigni itp.
Zaletą pomiaru laserowego jest przede wszystkim łatwość wykonania, ale umożliwia on również dostęp do pomiaru wtórnego, którym jest tarcie . Rzeczywiście, punkt omiata powierzchnię z określoną prędkością; od momentu zetknięcia powoduje to tarcie, a zatem wygina dźwignię wokół własnej osi . To odchylenie implikuje różnicę w napięciu już nie między górną a dolną częścią ćwiartki, ale między prawą a lewą stroną. W ten sposób możliwy jest dostęp do sił tarcia występujących między ostrzem a powierzchnią, a zatem jakościowo do chemicznej natury powierzchni.
Zdolność rozdzielcza urządzenia zasadniczo odpowiada wymiarowi wierzchołka końcówki ( promieniu krzywizny ). Oprócz trybu bezkontaktowego, którego trudność wprowadzenia w praktyce została już podkreślona, AFM wykorzystuje siły odpychania, czyli kontakt. W rezultacie zbyt cienkie końcówki szybko się zużywają - nie wspominając o zniszczeniu powierzchni. To jest sedno trybu gwintowania : ponieważ kontakt jest przerywany, końcówki zużywają się wolniej i dlatego możemy używać bardzo cienkich końcówek (rzędu dziesięciu nm).
Mikroskop elektronowy widok z końcówki mikroskopu AFM, powiększone 1000x.
Mikroskop elektronowy widok z końcówki mikroskopu AFM, powiększony 3000X.
Mikroskop elektronowy widok z końcówki mikroskopu AFM, powiększony 50000x.
Rozdzielczość poprzeczna jest rzędu dziesięciu nanometrów, ale z drugiej strony rozdzielczość pionowa jest rzędu ångströma : można łatwo wizualizować kroki atomowe na czystej powierzchni.
Wreszcie widoczna powierzchnia zależy od zastosowanej ceramiki piezoelektrycznej i może wynosić od 100 nanometrów kwadratowych do około 150 mikrometrów kwadratowych.
Mikroskop sił atomowych staje się jednym z podstawowych urządzeń do badań trybologicznych ; zobacz na ten temat wikibook poświęcony trybologii, a dokładniej rozdział poświęcony genezie tarcia .
Mikroskop sił atomowych jest również używany w biologii . Jednym z najbardziej fascynujących zastosowań w tej dziedzinie jest badanie interakcji DNA i DNA- białko in vitro . AFM umożliwia obserwację w otaczającym powietrzu lub nawet w ciekłym ośrodku poszczególnych cząsteczek zaadsorbowanych na powierzchni z rozdzielczością nanometryczną. Tryb kontaktu przerywanego jest zarówno wystarczająco delikatny dla powierzchni próbki, jak i wystarczająco czuły, aby można było obserwować DNA i białka bez uszkodzenia końcówki AFM podczas skanowania. Powierzchnia, na której osadzają się cząsteczki, to na ogół mika , ponieważ z tego materiału łatwo jest uzyskać płaską i czystą powierzchnię w skali atomowej. Siła wchłaniania DNA i białek na mice zależy przede wszystkim od ładunku powierzchniowego i stężenia jonów w roztworze do osadzania. Do obserwacji w otaczającym powietrzu cząsteczki muszą być całkowicie unieruchomione na powierzchni. Możliwe jest zmapowanie pozycji białek wzdłuż cząsteczek DNA, ale także scharakteryzowanie zmian konformacyjnych DNA, nieodłącznych od jego sekwencji lub indukowanych przez wiązanie z białkami. W przypadku obserwacji w ciekłym ośrodku konieczny jest kompromis: cząsteczki muszą zarówno być dostatecznie adsorbowane na powierzchni, aby nie zostały przeniesione przez czubek AFM podczas skanowania, i pozostawać wystarczająco mobilne, aby było to możliwe do śledzenia interakcji w czasie. Czasowa rozdzielczość w tych eksperymentach jest rzędu kilku sekund przy obecnych AFM.
Dokonano też innego ciekawego zastosowania, polegającego na pomiarze sił oddziaływania między z jednej strony materiałem przyklejonym do punktu AFM, az drugiej powierzchnią cząstki częściowo pokrytej tym samym materiałem, do wykonać mapę umożliwiającą wizualizację proporcji powierzchni cząstek pokrytych materiałem, co jest bardzo trudne do oceny za pomocą bardziej konwencjonalnych metod charakteryzacji.