Mikroskopia sił atomowych - korek.uci.agh.edu.plkorek.uci.agh.edu.pl/dydaktyka/fizykapowierzchni/7...
-
Upload
truongminh -
Category
Documents
-
view
219 -
download
0
Transcript of Mikroskopia sił atomowych - korek.uci.agh.edu.plkorek.uci.agh.edu.pl/dydaktyka/fizykapowierzchni/7...
Siły van der Waalsa
Mod kontaktowy
Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka – ostrze od odległości ostrza od próbki:
• tryb kontaktowy (contact mode)
• tryb bezkontaktowy (non-contact mode)
• tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode)
Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM
Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości 100-200µm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.
Detekcja AFM / L(lateral)FMPomiar skręcenia dźwigni – czteropozycyjny PSPD (fotodetektor pozycyjny)
Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM
AFM / LFM
Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).
Obrazy LFM
Obrazy topografii i sił lateralnych uzyskane równocześnie dla tego samego obszaru próbki (2.45 x 2.45 µ). Próbka jest monowarstwą Langmuir’a – Blodgett (LB) osadzoną na powierzchni krzemu. Warstwa zawiera „wyspy” dwóch składników. Różnica w wysokości między dwoma składnikami wynosi ok. 1nm. Obszary odpowiadające różnym fazom mają różne tarcie, co jest widoczne na obrazie LFM.
Tryb kontaktowy:
•Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar odpychających sił van der Waalsa).
•Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia) swobodnego końca dźwigni z ostrzem podczas skanowania próbki.
[N] zcF ∆−=c – stała sprężystości dźwigni∆z – wychylenie dźwigni
Tryb kontaktowy (siły)• całkowita siła, jaką ostrze działa na próbkę:
VDWadhc FFFF −+=
Fc – siła wywierana na próbkę przez dźwignięFadh – siła adhezji (kapilarna, elektrostatyczna)FVDW – siła van der Waalsa
Tryb kontaktowy (ostrza)• ostrze o małej stałej sprężystości (c<1N/m) pozwala zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si3N4)•długość dźwigni ~100-200µm;
• proces prefabrykacji ostrza
Tryb bezkontaktowy• odległość ostrza od próbki ~10 – 100 nm(obszar przyciągających sił van der Waalsa); słabsze siły => detekcja AC• dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej); możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością rezonansową f
[Hz] 21
mc
f eff
π=
m – efektywna masa dźwigni i ostrzaceff – efektywna stała sprężystości
[N/m] zFcceff ∂∂
−=
Tryb bezkontaktowy (detekcja)• zmiana stałej sprężystości dźwigni w obecności gradientu siły powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej dźwigni
[Hz] /10 czFff ∂∂
−=
Metody detekcji zmiany częstotliwości rezonansowejDetekcja amplitudy
• dźwignia oscyluje z ustaloną częstotliwością fex > f0• gdy dF/dz = 0 amplituda oscylacji jest trochę niższa od amplitudy dla f0• zmiana częstotliwości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy drgań dźwigni
Detekcja częstotliwości• dźwignia oscyluje z rezonansową częstotliwością f;• zmiana częstotliwości jest mierzona bezpośrednio;
Tryb z przerywanym kontaktem(Tapping Mode)
• oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej(f ~ 50 – 500 kHz)
• duża amplituda oscylacji (>20 nm) kiedy ostrze nie jest w kontakcie z próbką• oscylujące ostrze jest zbliżane do próbki i zaczyna uderzać w próbkę (tapping)
Tapping Mode (ostrza)Cechy dźwigni i ostrza pracującego w trybie Tapping Mode:• krótka, sztywna dźwignia z krzemu ze zintegrowanym ostrzem• duża stała sprężystości dźwigni (c = 20 – 80 N/m.)• wysoka częstotliwość rezonansowa (f = 200 – 400 kHz)
Tryby pracy AFM (porównanie)
Tryb kontaktowy:• duża rozdzielczość obrazów• duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni• możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza
Tryb bezkontaktowy: • mniejsza rozdzielczość obrazów
Tryb z przerywanym kontaktem:•możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni)• dobra zdolność rozdzielcza
Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.
Zasada MFM
( ) 0 tippróbkatip dVHMF ∫ ⋅∇=rrr
µ
Tip pokryty warstwą magnetyczną
Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych wywołanych niejednorodnościami namagnesowania
Separacja topografii i obrazu MFM
Zwiększenie odległości
Topografia (w kontakcie)
Magnetyzm
Źródło rozproszonego pola magnetycznego
topografia
magnetyzm
topografia Struktura magnetyczna