Diseño, Componentes y Operación de un Microscopio Atómico de la Fuerza

Temas Revestidos

Antecedentes
Dimensiones y Magnificación
Transductor De Cerámica Piezoeléctrico
Sensores de la Fuerza
Mando de Feedback
Microscopio Atómico de la Fuerza
     Teoría del AFM
     Instrumentación del AFM
Imágenes de Medición Con un Microscopio Atómico de la Fuerza
Resolución En un Microscopio Atómico de la Fuerza
      En la Resolución Plano
      Resolución Vertical
Acciones Recíprocas Superficiales de la Antena
Contaminación Superficial
Fuerzas Electroestáticas
Propiedades Materiales Superficiales
Modos de la Topografía
     Modo de la Desviación
     Modo Vibrante
Material Que Detecta Modos
     Material Vibrante Que Detecta Modo
      Modos de la Torsión

Antecedentes

Este artículo sirve como una introducción básica al diseño y operación de un microscopio atómico de la fuerza.

Las secciones siguientes revisten los conceptos básicos y las tecnologías que ayudan a entender la construcción y la operación de un microscopio atómico de la fuerza. Es esencial entender el contenido de estas secciones para una comprensión completa de cómo un microscopio atómico de la fuerza funciona.

Dimensiones y Magnificación

Un microscopio atómico de la fuerza se optimiza para las características superficiales de medición que son extremadamente pequeñas, así es importante ser familiar con las dimensiones de las características que son medidas. Un microscopio atómico de la fuerza es capaz de las características de la proyección de imagen tan pequeñas como un átomo de carbón y tan grandes como el corte transversal de un cabello humano. Un átomo de carbón es aproximadamente .25 nanómetro (nm) de diámetro y el diámetro de un cabello humano es aproximadamente 80 micrones (µm) de diámetro.

La unidad común de la dimensión usada para hacer mediciones en un microscopio atómico de la fuerza es el nanómetro. Un nanómetro es un milmillonésima de un contador:

1 contador = 1.000.000.000 nanómetros

1 micrón = 1.000 nanómetros

Otra unidad de la dimensión común es el Angstrom. Hay diez angstromes (?) en un nanómetro:

1 nanómetro = 10 Angstromes

La Magnificación en un microscopio atómico de la fuerza es la relación de transformación de la talla real de una característica a la talla de la característica cuando está vista en una pantalla de ordenador. Así cuando un corte transversal entero de un cabello humano se ve en un monitor de computadora de 500 MILÍMETROS (monitor de 20 pulgadas) la magnificación es:

Magnificación = 500 mm/.08 milímetro = 6.250 X

En el caso de proyección de imagen extremadamente de alta resolución, el campo visual entero de la imagen puede ser 100 nanómetros. En este caso la magnificación en una pantalla de ordenador de 500 milímetros está:

Magnificación = 500 milímetros (100 nm*1 mm/1,000,000 nanómetro) =5,000,000 X

Transductor De Cerámica Piezoeléctrico

El movimiento Mecánico se crea de energía eléctrica con un transductor electromecánico. Los motores Eléctricos por ejemplo se utilizan en lavadoras son el tipo más común de transductor electromecánico. El transductor electromecánico más de uso general de un microscopio atómico de la fuerza es el de cerámica piezoeléctrico.

Un material piezoeléctrico experimenta un cambio en geometría cuando se pone en un campo eléctrico. La cantidad de movimiento y de dirección del movimiento depende del tipo de material piezoeléctrico, de la dimensión de una variable del material, y de la fuerza de campo. El Cuadro 1 muestra el movimiento de un disco piezoeléctrico cuando está expuesto a un potencial eléctrico:

Cuadro 1. Cuando un voltaje se aplica al fondo superior y del disco piezoeléctrico, el disco se desplegará.

Un material piezoeléctrico típico se desplegará por cerca de 1 nanómetro por voltio aplicado. Así, conseguirlo a movimientos más grandes es común hacer los transductores piezoeléctricos con centenares de capas de materiales piezoeléctricos, ilustradas en el Cuadro 2.

El Cuadro 2. Que Aplica un voltaje al fondo superior y de esta pila de discos piezoeléctricos hace la pila entera desplegarse. La cantidad de extensión depende del voltaje, del piezoeléctrico-material, y del número aplicados de discos

Usando mil capas de material piezoeléctrico es posible conseguir los movimientos tan grande como 1000 el nanómetro por voltio. Así con 100 voltios es posible conseguir 0,1 milímetros de movimiento con un transductor piezoeléctrico de la capa múltiple.

Sensores de la Fuerza

La construcción de un microscopio atómico de la fuerza requiere un sensor de la fuerza medir las fuerzas entre una pequeña antena y la superficie que son reflejadas. Un tipo común de sensor de la fuerza utiliza el lazo entre el movimiento de un voladizo y la fuerza aplicada. El lazo, dado por la ley del Gancho De Leva es:

F = - K * d

K es un constante y depende del material y de las dimensiones del voladizo. D es el movimiento del voladizo. Para un voladizo hecho del silicio del cual tiene dimensiones:

L = 100 micrones

W = 20 micrones

T = 1 micrón

El constante de fuerza, K, es aproximadamente 1 neutonio/contador. Así si el voladizo es movido por 1 nanómetro, una fuerza de 1 nanonewton se requiere.

La Medición del movimiento del voladizo es posible con el método de la “palanca pálida”. En el método pálido de la palanca, la luz se refleja de la cara trasera del voladizo en un fotodetector. Véase el cuadro 3.

Cuadro 3. El sensor pálido de la palanca utiliza un de rayo láser para vigilar la desviación del voladizo. Cuando el voladizo se mueve hacia arriba y hacia abajo, el haz luminoso se mueve a través de la superficie del fotodetector.

El movimiento del voladizo es entonces directamente proporcional al rendimiento del fotodetector. Los Movimientos tan pequeños como 1 nanómetro se miden rutinario con el método de la “palanca pálida” en microscopios atómicos de la fuerza.

Mando de Feedback

El mando de Feedback se utiliza común para mantener el movimiento de un objeto un lazo fijo a otro objeto. Un ejemplo simple del mando de feedback ocurre cuando usted recorre abajo de una acera. Mientras Que usted recorre abajo de una acera usted controla constante su movimiento viendo el borde de la acera. Si usted comienza a recorrer de la acera usted corrige su movimiento de modo que usted tirante en la acera. El mando de Feedback se utiliza rutinario para muchas aplicaciones comunes tales como los aeroplanos y controlar del control automático la temperatura en edificios. En el AFM, el mando de feedback se utiliza para mantener la antena un lazo “fijo” con la superficie mientras que se mide una exploración.

Microscopio Atómico de la Fuerza

La teoría y la operación de un microscopio atómico de la fuerza es similares a un profiler de la aguja. La diferencia primaria está ésa en el microscopio atómico de la fuerza, las fuerzas de la antena en la superficie es mucho más pequeña que ésas en un profiler de la aguja. Porque las fuerzas en un AFM son mucho más pequeñas, antenas más pequeñas pueden ser utilizadas, y la resolución es mucho más alta que puede ser logrado con un profiler de la aguja.

Teoría del AFM

En un AFM una fuerza constante se mantiene entre la antena y la muestra mientras que la antena es retículo explorado a través de la superficie. Vigilando el movimiento de la antena como se explora a través de la superficie, una imagen tridimensional de la superficie se construye.

La fuerza constante es mantenida midiendo la fuerza con el sensor de la “palanca pálida” y usando un circuito electrónico del mando de feedback para controlar la posición de cerámica piezoeléctrico de Z. Véase el Cuadro 4.

Cuadro 4. Esta figura ilustra los componentes primarios del microscopio atómico de la fuerza de la palanca pálida. El piezoceramics de X y de Y se utiliza para explorar la antena sobre la superficie.

El movimiento de la antena sobre la superficie es generado por la cerámica piezoeléctrica que mueve el sensor de la antena y de la fuerza a través de la superficie en las direcciones de X y de Y.

Instrumentación del AFM

El Cuadro 5 muestra todos los componentes y subsistemas de un sistema atómico del microscopio de la fuerza.

Cuadro 5. Componentes y subsistemas de un sistema atómico del microscopio de la fuerza.

(z) El traductor Tosco del movimiento de Z Este traductor mueve la carga del AFM hacia la superficie de modo que el sensor de la fuerza pueda medir la fuerza entre la antena y la muestra. El movimiento del traductor es generalmente cerca de 10 milímetros.

(t) Escenario X-Y Tosco de la traslación - El escenario XY de la traslación se utiliza para poner la sección de la muestra que está siendo reflejada por el AFM directamente bajo antena.

(X-P) Transductor piezoeléctrico de X y de Y - Con el transductor piezoeléctrico de X y de Y la antena (YP) se mueve sobre la superficie en un movimiento del retículo cuando se mide una imagen del AFM.

(FS) Sensor de la Fuerza - El sensor de la fuerza mide la fuerza entre la antena y la muestra vigilando la desviación de un voladizo.

(ZP) De Cerámica piezoeléctrico de Z - los Movimientos el sensor de la fuerza en la dirección vertical a la superficie como la antena se exploran con los transductores piezoeléctricos de X y de Y.

(FCU) Unidad de mando del Feedback - La unidad de mando del feedback admite la señal del sensor pálido de la fuerza de la palanca y hace salir el voltaje que impulsa el de cerámica piezoeléctrico de Z. Este voltaje refiere al voltaje que se requiere mantener una desviación constante del voladizo mientras que explora.

(SG) Generador de señal X-Y - El movimiento de la antena en el avión X-Y es controlado por el generador de señal X-Y. Se utiliza un movimiento del retículo cuando se mide una imagen.

(CPU) Ordenador - El ordenador se utiliza para fijar los parámetros de la exploración tales como talla de la exploración, velocidad de la exploración, reacción de mando del feedback y visualizar las imágenes capturadas con el microscopio.

(f) Bastidor - Un bastidor sólido utiliza el microscopio entero del AFM. El bastidor debe ser muy rígido de modo que no permita vibraciones entre la punta y la superficie.

Nota - No mostrada, es un microscopio óptico que es esencial para localizar características en la superficie de la muestra y para vigilar el proceso de la aproximación de la antena.

Imágenes de Medición Con un Microscopio Atómico de la Fuerza

  • Ponga una antena en el microscopio y alinee la palanca pálida que detecta el sistema.
  • Con la muestra X-Y y el microscopio óptico ponga la región de la muestra que será reflejada directamente bajo antena del AFM.
  • Dedique el escenario de la traslación de Z para traer la antena a la superficie.
  • Comience la exploración de la antena sobre la superficie y vea la imagen de la superficie en la pantalla de ordenador.
  • Salve la imagen en un disco del ordenador.

Resolución En un Microscopio Atómico de la Fuerza

Los microscopios Tradicionales tienen solamente una dimensión de resolución; la resolución en el avión de una imagen. Un microscopio atómico de la fuerza tiene dos dimensiones de resolución; el avión de la medición y en la perpendicular de la dirección a la superficie.

En la Resolución Plano

La resolución del en-avión depende de la geometría de la antena que se utiliza para explorar. Más sostenida la antena es Generalmente más alta es la resolución de la imagen del AFM. En la figura abajo es la línea teórica exploración de dos esferas que se midan con una antena sostenida y una antena embotada.

Cuadro 6. La imagen a la derecha tendrá un más de alta resolución porque la antena usada para la medición es mucho más sostenida.

Resolución Vertical

La resolución vertical en un AFM es establecida por las vibraciones relativas de la antena encima de la superficie. Las Fuentes para las vibraciones son ruido acústico, vibraciones del suelo, y vibraciones térmicas. Conseguir la resolución vertical máxima requiere disminuir las vibraciones del instrumento.

Acciones Recíprocas Superficiales de la Antena

Las fuerzas más fuertes entre la antena y la superficie son mecánicas, que son las fuerzas que ocurren cuando los átomos en la antena obran recíprocamente físicamente con los átomos en una superficie. Sin Embargo, otras fuerzas entre la antena y la superficie pueden tener un impacto en una imagen del AFM. Estas otras fuerzas incluyen la contaminación superficial, fuerzas electroestáticas, y las propiedades materiales superficiales.

Contaminación Superficial

En aire ambiente todas las superficies se revisten con un muy de capa delgada, < 50 nanómetro, de contaminación. Esta contaminación se puede comprender del agua y de los hidrocarburos y depende del ambiente que el microscopio se localiza hacia adentro. Cuando la antena del AFM entra en el contacto con la contaminación superficial, las fuerzas capilares pueden tirar de la antena hacia la superficie.

Fuerzas Electroestáticas

Las superficies Que Aíslan pueden salvar cargas en su superficie. Estas cargas pueden obrar recíprocamente con las cargas en la antena o el voladizo del AFM. Tales fuerzas pueden ser tan fuertes que “doblan” el voladizo al explorar una superficie.

Propiedades Materiales Superficiales

Las superficies Heterogéneas pueden tener regiones de diversos endurecimiento y fricción. Mientras Que la antena se explora a través de una superficie, la acción recíproca de la antena con la superficie puede cambiar al moverse a partir de una región a otra. Tales cambios en vigor pueden dar un “contraste” que sea útil para distinguir entre los materiales en una superficie heterogénea.

Modos de la Topografía

Al explorar una muestra con un AFM una fuerza constante es aplicada a la superficie por la antena en el extremo de un voladizo. La Medición de la fuerza con el voladizo en el AFM es lograda por dos métodos. En el primer método la desviación del voladizo se mide directamente. En el segundo método, se vibra el voladizo y los cambios en las propiedades de la vibración se miden.

Modo de la Desviación

Usando el mando de feedback en el AFM, es posible explorar una muestra con una desviación voladiza fija. Porque la desviación del voladizo es directamente proporcional a la fuerza en la superficie, una fuerza constante se aplica a la superficie durante una exploración. Este modo de exploración a menudo se llama modo del “contacto”. Sin Embargo, porque las fuerzas de la antena en la superficie son a menudo menos que un nano-neutonio, la antena está tocando como mínimo la superficie.

Cuadro 7. En el modo de contacto AFM la antena sigue directamente la topografía de la superficie mientras que se explora. La fuerza de la antena se mantiene constante mientras que se mide una imagen.

Modo Vibrante

El voladizo en un AFM se puede vibrar usando un de cerámica piezoeléctrico. Cuando el voladizo vibrante viene cerca de una superficie, la amplitud y la fase del voladizo vibrante pueden cambiar. Los Cambios en la amplitud o la fase de la vibración se miden fácilmente y los cambios se pueden relacionar con la fuerza en la superficie. Esta técnica tiene muchos nombres incluyendo modo sin contacto, y modo de contacto intermitente. Es importante que la punta no “golpecito” la superficie porque la antena puede estar fragmentada o la muestra puede ser dañada.

Cuadro 8. En métodos vibrantes, los cambios en vibraciones de las antenas se vigilan para establecer la fuerza de la antena sobre la superficie. La unidad del feedback se utiliza para guardar el constante vibrante de la amplitud o de fase.

Material Que Detecta Modos

La acción recíproca de la antena con la superficie depende de las propiedades químicas y físicas de la superficie. Es posible medir las acciones recíprocas y “detecte así” los materiales en la superficie de una muestra.

Material Vibrante Que Detecta Modo

Según Lo descrito en la Sección 3,2, el voladizo del AFM se puede vibrar para medir la fuerza entre una antena y una superficie durante una exploración del AFM. La magnitud de amortiguar de la amplitud y de la cantidad de cambio de fase del voladizo depende de la composición química superficial y de las propiedades físicas de la superficie. Así, en una muestra no homogénea, el contraste se puede observar entre las regiones de composición mecánica o química diversa. Típicamente, en el material vibrante detectar modo, si la amplitud es reparada por la unidad del feedback, después el contraste del material es observada midiendo cambios de fase. Esta técnica tiene muchos nombres incluyendo modo de la fase, la detección de la fase y la microscopia modulada fuerza.

Modos de la Torsión

En el modo de contacto AFM es posible vigilar los movimientos de la torsión del voladizo pues se explora a través de una superficie.

El Cuadro 9. Torsiones del voladizo se mide en el AFM. Los Cambios en la torsión del voladizo son una indicación de cambios en la composición química superficial.

La cantidad de torsión del voladizo es controlada por los cambios en topografía así como cambia en las propiedades químicas superficiales. Si una superficie es perfectamente plana pero tiene un interfaz entre dos diversos materiales, es a menudo posible a la imagen el cambio en propiedades materiales en una superficie. Esta técnica es similar a la microscopia de la fuerza lateral (LFM).

La información siguiente fue suministrada por Nanotecnología Pacífica

Date Added: Feb 17, 2006 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 07:17