Aatomjõumikroskoopia (AFM) — definitsioon, tööpõhimõte ja rakendused

Aatomijõumikroskoobid (AFM) on üks mikroskoopi tüüp. AFM-id annavad pilte aatomitest pindadel või pindades. Nagu skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM), on ka AFMi eesmärk vaadelda objekte aatomi tasandil. Tegelikult võib AFM-i kasutada üksikute aatomite vaatlemiseks. Seda kasutatakse tavaliselt nanotehnoloogias.

Mis on AFM ja milleks see mõeldud on?

Aatomjõumikroskoopia (AFM) on meetod, mille abil mõõdetakse proovi pinna topograafiat ja pinnaga seotud jõudusid väga väikeste mõõtmete — nanomeetrite ja alla selle — skaalal. AFM võimaldab:

• luua kõrge eraldusvõimega pinna kaarte (topograafia);
• uurida mehaanilisi, elektrilisi ja magnetilisi omadusi paikaliselt;
• tegutseda erinevates keskkondades: vaakumis, õhus või vedelikes (nt bioloogiliste proovide puhul).

Tööpõhimõte — kuidas AFM toimib?

AFM-i põhikomponendid on:

• kantiiver (cantilever) — õhuke tala, mille ühe otsa külge on kinnitatud väga terav tipp (tip);
• tipp (tip) või nõel — sõidab proovi pinna kohal ja "tunneb" harju ja orgusid;
• laser ja fotodetektor — laserkiir langeb kantiiverile ja peegeldub fotodetektorile (tavaliselt kvartaarfotodiood), mis mõõdab kantiiveri paindumist ja pöörlemist;
• tagasisideahel (feedback loop) — hoiab kas konstantset jõudu, amplituudi või kõrgust, juhtides z-telje liikumist, et kujutis tekiks.

Kui tipp liigub pinna kohal üles ja alla, muutub laserilt peegelduv valguspunkti asukoht detektoril; sellest saadud signaalist arvutatakse pinna kõikumised ja luuakse topograafiline pilt. Lisaks topograafiale saab mõõta jõudude sõltuvust kaugusest (force–distance kõverad), mis annavad infot adhesiooni, jäikuse ja muude omaduste kohta.

Töörežiimid

Peamised AFM-i režiimid on:

• Kontaktrežiim — tipp on pidevalt kontaktis pinnaga; mõõdetakse kantiiveri paindumist. Hea kõrgresolutsioon, kuid võib kahjustada õrnu proove ja kiiresti kulutada tippi.
• Koputamis- ehk vahelduvkontaktrežiim (tapping mode) — kantiiver vibreerib ja tipp puudutab pinda iga vibratsiooni tsükli jooksul lühidalt; vähendab horisontaalseid nihkeid ja kahjustusi, sobib bioloogiliste ja pehmete polümeerproovide jaoks.
• Mittekontaktrežiim — tipp ei puuduta pinda, vaid tunneb nõrku van der Waalsi ja muid jõude; kasulik vältimaks mehaanilist kokkupuudet, kuid mõnikord väiksema signaali tõttu keerulisem kasutada õhus.
• Dünaamilised meetodid (amplituudi- või sagedusmodulatsioon) — analüüsitakse kantiiveri vibreerimisomaduste muutusi, mis annavad lisateavet pinnast (nt jäikus, dissipatsioon).

Variandid ja lisameetodid

AFM tehnoloogiat on arendatud mitmete spetsialiseeritud meetoditeni, näiteks:

• Force spectroscopy — jõu‑kõvera mõõtmine tippu viies ja ära toomisel, et määrata adhesiooni ja elastse vastuse parameetreid;
• Conductive AFM (C-AFM) — mõõdetakse lokaalset elektrijuhtivust;
• Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) — mõõdab pindmist elektrilist potentsiaali;
• Electrostatic Force Microscopy (EFM) ja Magnetic Force Microscopy (MFM) — kaardistavad vastavalt elektri- ja magnetvälju;
• mõõtmised vedelikukeskkonnas — olulised elusrakkude ja biomolekulide uurimisel.

Lahutusvõime, mõõtmisparameetrid ja piirangud

AFM pakub suurepärast vertikaalset (Z-telg) lahutust — sageli alla nanomeetri (tillukesed fraagid kuni pikomeetri skaala teoreetiliselt). Lateraalne lahutus sõltub tippu raadiusest ja võib ulatuda mõnest nanomeetrist kuni kümneteni nanomeetriteni. Mõned piirangud ja praktilised aspektid:

• tippu raadius ja kulumine mõjutavad reaalset resolutsiooni ja kujutise täpsust;
• kujutisel võivad esineda artefaktid (nt topograafia moonutused, ridade joonistamine, hüperdetailide puudumine) — need võivad olla põhjustatud vale kalibreerimise, halbade tagasisideparameetrite või vibratsiooni tõttu;
• õrnad ja pehmed proovid võivad deformeeruda, seetõttu eelistatakse koputamisrežiimi või väiksema jõu tingimusi;
• AFM on suhteliselt aeglane võrreldes mõnede teiste mikroskoopiatehnikatega suurte pindade kiireks skaneerimiseks.

Rakendused

AFM-i kasutatakse laialdaselt teaduses ja tööstuses. Näited:

• nanotehnoloogia: pindade iseloomustamine ja nanostruktuuride kujundamine;
• materjaliteadus: pindade kareduse, kulumise ja triboloogiliste omaduste uurimine;
• pooljuhttehnika: kihtide ja struktuuride topograafia ning elektriliste omaduste paikne mõõtmine;
• polümeerid ja õhukihid: morfoloogia ja paksuse määramine;
• bioloogia: rakkude, valkude, DNA ja teiste biomolekulide pinna uuring vedelikes või õhus;
• magnetilised ja elektrilised mõõtmised (MFM, EFM, KPFM) — andmete lokaalne kaardistamine;
• nanoindentatsioon ja mehaanilised mõõtmised väikeste jõududega.

Kasutuspraktika ja näpunäited

• valige tippu sobiv raadius ja materjal vastavalt vajadusele (nt kõrge resolutsiooni jaoks teravaima tipuga, elektriliste mõõtmiste jaoks juhtiv tipp);
• väldi vibratsioone ja kondensaatorit — AFM-tabelid on sageli vibratsiooniisolatsiooniga;
• hoolitse proovi puhtuse ja korraliku paigutuse eest; külgnev tolm või niiskus võivad signaali mõjutada;
• õige tagasiside häälestus (gain’id, setpoint) vähendab artefakte ja takistab tipupuudutust proovi kahjustamisest;
• kontrolli tippi regulaarselt — kulunud või määrdunud tipp annab ebatäpset infot;
• testi erinevate skannimissuuruste ja kiiruste kombinatsioone, sest liiga kiire skaneerimine vähendab kvaliteeti.

Lühiajalugu

Aatomjõumikroskoobi ideed viidi praktikas ellu 1986. aastal, kui Gerd Binnig, Calvin Quate ja Christopher Gerber demonstreerisid AFM-i prototüüpi. Selle leiutuse järel on meetod kiiresti arenenud ja mitmekesistunud.

Kokkuvõte

AFM on võimas ja paindlik mikroskoopia tehnika, mis võimaldab kaardistada pindade topograafiat ning uurida lokaalseid mehaanilisi, elektrilisi ja magnetilisi omadusi nanomeetrilisel skaalaul. Sobiv režiim ja korrektsed parameetrid võimaldavad saavutada kõrge lahutusvõime ning töö vedelikes teeb AFM-i eriti väärtuslikuks bioloogias ja materjaliteaduses. Samas tuleb arvestada tippu kulumise, skaneerimisaja ja potentsiaalsete artefaktidega.

Küsimused ja vastused

K: Mis on aatomijõu-mikroskoop (AFM)?

K: Kuidas AFM töötab?

K: Millised on AFM-i eelised skaneerivate elektronmikroskoopide (SEM) ees?

K: Millised on AFM-i töörežiimid?

K: Kuidas erineb koputamisrežiim kontaktrežiimist?

Otsing