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Projecto, Componentes e Funcionamento de um Microscópio Atômico da Força

Assuntos Cobertos

Fundo
Dimensões e Ampliação
Transdutor Cerâmico Piezoeléctrico
Sensores da Força
Controle de Feedback
Microscópio Atômico da Força
     Teoria do AFM
     Instrumentação do AFM
Imagens de Medição Com um Microscópio Atômico da Força
Definição em um Microscópio Atômico da Força
      Na Definição Plana
      Definição Vertical
Interacções De Superfície da Ponta De Prova
Contaminação De Superfície
Forças Electrostáticas
Propriedades Materiais De Superfície
Modos da Topografia
     Modo da Deflexão
     Modo de Vibração
Material que Detecta Modos
     Material de Vibração que Detecta o Modo
      Modos da Torsão

Fundo

Este artigo serve como uma introdução básica ao projecto e o funcionamento de um microscópio atômico da força.

As seguintes secções cobrem os conceitos básicos e as tecnologias que ajudam a compreender a construção e o funcionamento de um microscópio atômico da força. É essencial compreender os índices destas secções para uma compreensão completa de como um microscópio atômico da força funciona.

Dimensões e Ampliação

Um microscópio atômico da força é aperfeiçoado para as características de superfície de medição que são extremamente pequenas, assim é importante ser familiar com as dimensões das características que estão sendo medidas. Um microscópio atômico da força é capaz das características da imagem lactente tão pequenas quanto um átomo de carbono e tão grandes quanto o secção transversal de um cabelo humano. Um átomo de carbono é aproximadamente .25 nanômetro (nm) no diâmetro e o diâmetro de um cabelo humano é aproximadamente 80 mícrons (µm) no diâmetro.

A unidade comum de dimensão usada fazendo medidas em um microscópio atômico da força é o nanômetro. Um nanômetro é um bilionésimo de um medidor:

1 medidor = 1.000.000.000 nanômetros

1 mícron = 1.000 nanômetros

Uma Outra unidade de medida comum é o Ångström. Há dez ångströms (?) em um nanômetro:

1 nanômetro = 10 Ångströms

A Ampliação em um microscópio atômico da força é a relação do tamanho real de uma característica ao tamanho da característica quando vista em um ecrã de computador. Assim quando um secção transversal inteiro de um cabelo humano é visto em um monitor do computador de 500 MILÍMETROS (monitor de 20 polegadas) a ampliação é:

Ampliação = 500 mm/.08 milímetro = 6.250 X

No caso da imagem lactente extremamente de alta resolução, o campo de visão inteiro da imagem pode ser 100 nanômetros. Neste caso a ampliação em um ecrã de computador de 500 milímetros é:

Ampliação = 500 milímetros (100 nm*1 mm/1,000,000 nanômetro) =5,000,000 X

Transdutor Cerâmico Piezoeléctrico

O movimento Mecânico é criado da energia elétrica com um transdutor electromecânico. Os motores Elétricos como são usados nas máquinas de lavar são o tipo o mais comum de transdutor electromecânico. O transdutor electromecânico o mais de uso geral em um microscópio atômico da força é o cerâmico piezoeléctrico.

Um material piezoeléctrico submete-se a uma mudança na geometria quando é colocado em um campo elétrico. A quantidade de movimento e de sentido do movimento depende do tipo de material piezoeléctrico, da forma do material, e da força de campo. Figura 1 mostra o movimento de um disco piezoeléctrico quando expor a um potencial elétrico:

Figura 1. Quando uma tensão é aplicada à superfície superior e inferior do disco piezoeléctrico, o disco expandirá.

Um material piezoeléctrico típico expandirá por aproximadamente 1 nanômetro por volt aplicado. Assim, obtê-lo a movimentos maiores é comum fazer transdutores piezoeléctricos com centenas de camadas de materiais piezoeléctricos, ilustradas em Figura 2.

Figura 2. que Aplica uma tensão à superfície superior e inferior desta pilha de discos piezoeléctricos faz com que a pilha inteira expanda. A quantidade de expansão depende da tensão, do piezo-material, e do número aplicados de discos

Usando mil camadas de material piezoeléctrico é possível obter movimentos tão grande quanto 1000 o nanômetro pelo volt. Assim com 100 volts é possível obter 0,1 milímetros do movimento com um transdutor piezoeléctrico da camada múltipla.

Sensores da Força

A construção de um microscópio atômico da força exige um sensor da força medir as forças entre uma ponta de prova pequena e a superfície que são imaged. Um tipo comum de sensor da força utiliza o relacionamento entre o movimento de um modilhão e a força aplicada. O relacionamento, dado pela lei do Gancho é:

F = - K * d

K é uma constante e depende do material e das dimensões do modilhão. D é o movimento do modilhão. Para um modilhão feito do silicone de que tem dimensões:

L = 100 mícrons

W = 20 mícrons

T = 1 mícron

A constante de força, K, é aproximadamente 1 newton/medidor. Assim se o modilhão é movido por 1 nanômetro, uma força de 1 nanonewton é exigida.

Medir o movimento do modilhão é possível com “o método da alavanca clara”. No método claro da alavanca, a luz é reflectida do verso do modilhão em um fotodetector. Veja figura 3.

Figura 3. O sensor leve da alavanca usa um raio laser para monitorar a deflexão do modilhão. Quando o modilhão se move para cima e para baixo, o feixe luminoso move-se através da superfície do fotodetector.

O movimento do modilhão é então directamente proporcional à saída do fotodetector. Os Movimentos tão pequenos quanto 1 nanômetro são medidos rotineiramente com “o método da alavanca clara” em microscópios atômicos da força.

Controle de Feedback

O controle de Feedback é usado geralmente mantendo o movimento de um objeto em um relacionamento fixo a um outro objeto. Um exemplo simples do controle de feedback ocorre quando você anda abaixo de um passeio. Enquanto você anda abaixo de um passeio você controla constantemente seu movimento vendo a borda do passeio. Se você começa a andar fora do passeio você corrige seu movimento de modo que você fique no passeio. O controle de Feedback é usado rotineiramente para muitas aplicações comuns tais como os aviões e o controlo do controlo automático da temperatura nas construções. No AFM, o controle de feedback está usado para manter a ponta de prova em um relacionamento “fixo” com a superfície quando uma varredura for medida.

Microscópio Atômico da Força

A teoria e o funcionamento de um microscópio atômico da força são similares a um perfilador do estilete. A diferença preliminar está aquela no microscópio atômico da força, as forças da ponta de prova na superfície é muito menor do que aquelas em um perfilador do estilete. Porque as forças em um AFM são muito menores, as pontas de prova menores podem ser usadas, e a definição é muito mais alta do que pode ser conseguido com um perfilador do estilete.

Teoria do AFM

Em um AFM uma força constante está mantida entre a ponta de prova e a amostra quando a ponta de prova for quadriculação feita a varredura através da superfície. Monitorando o movimento da ponta de prova como é feita a varredura através da superfície, uma imagem tridimensional da superfície é construída.

A força constante é mantida medindo a força com “o sensor da alavanca clara” e usando um circuito eletrônico de controle de feedback para controlar a posição do cerâmico piezoeléctrico de Z. Veja Figura 4.

Figura 4. Esta figura ilustra os componentes preliminares do microscópio atômico da força da alavanca clara. O piezoceramics de X e de Y é usado para fazer a varredura da ponta de prova sobre a superfície.

O movimento da ponta de prova sobre a superfície é gerado pela cerâmica piezoeléctrica que move o sensor da ponta de prova e da força através da superfície nos sentidos de X e de Y.

Instrumentação do AFM

Figura 5 mostra todos os componentes e subsistemas de um sistema atômico do microscópio da força.

Figura 5. Componentes e subsistemas de um sistema atômico do microscópio da força.

(Z) o tradutor Grosseiro do movimento de Z Este tradutor move a cabeça do AFM para a superfície de modo que o sensor da força possa medir a força entre a ponta de prova e a amostra. O movimento do tradutor é geralmente aproximadamente 10 milímetros.

(T) fase X-Y Grosseira da tradução - A fase XY da tradução é usada para colocar a secção da amostra que está sendo imaged pelo AFM directamente sob a ponta de prova.

(X-P) Transdutor piezoeléctrico de X e de Y - Com o transdutor piezoeléctrico de X e de Y a ponta de prova (YP) está movida sobre a superfície em um movimento da quadriculação quando uma imagem do AFM é medida.

(FS) Sensor da Força - O sensor da força mede a força entre a ponta de prova e a amostra monitorando a deflexão de um modilhão.

(ZP) Cerâmico piezoeléctrico de Z - os Movimentos o sensor da força no sentido vertical à superfície como a ponta de prova são feitos a varredura com os transdutores piezoeléctricos de X e de Y.

(FCU) Unidade de controle do Feedback - A unidade de controle do feedback recolhe o sinal do sensor leve da força da alavanca e outputs a tensão que conduz o cerâmico piezoeléctrico de Z. Esta tensão refere a tensão que é exigida manter uma deflexão constante do modilhão ao fazer a varredura.

(SG) Gerador de sinal X-Y - O movimento da ponta de prova no plano X-Y é controlado pelo gerador de sinal X-Y. Um movimento da quadriculação é usado quando uma imagem é medida.

(PROCESSADOR CENTRAL) Computador - O computador é usado ajustando os parâmetros da exploração tais como o tamanho da varredura, velocidade da varredura, resposta de controle do feedback e visualizando as imagens capturadas com o microscópio.

(f) Quadro - Um quadro contínuo apoia o microscópio inteiro do AFM. O quadro deve ser muito rígido de modo que não permita vibrações entre a ponta e a superfície.

Nota - Não mostrada, é um microscópio óptico que seja essencial para encontrar características na superfície da amostra e para monitorar o processo da aproximação da ponta de prova.

Imagens de Medição Com um Microscópio Atômico da Força

  • Coloque uma ponta de prova no microscópio e alinhe a alavanca clara que detecta o sistema.
  • Com a amostra X-Y e o microscópio óptico coloque a região da amostra que será imaged directamente sob a ponta de prova do AFM.
  • Contrate a fase da tradução de Z para trazer a ponta de prova à superfície.
  • Comece a exploração da ponta de prova sobre a superfície e veja a imagem da superfície no ecrã de computador.
  • Salvar a imagem em um disco do computador.

Definição em um Microscópio Atômico da Força

Os microscópios Tradicionais têm somente uma medida da definição; a definição no plano de uma imagem. Um microscópio atômico da força tem duas medidas da definição; o plano da medida e na perpendicular do sentido à superfície.

Na Definição Plana

A definição do em-plano depende da geometria da ponta de prova que é usada fazendo a varredura. Geralmente, mais afiada a ponta de prova é mais alta a definição da imagem do AFM. Na figura abaixo é a linha teórica varredura de duas esferas que são medidas com uma ponta de prova afiada e uma ponta de prova maçante.

Figura 6. A imagem à direita terá um mais de alta resolução porque a ponta de prova usada para a medida é muito mais afiada.

Definição Vertical

A definição vertical em um AFM é estabelecida por vibrações relativas da ponta de prova acima da superfície. As Fontes para vibrações são ruído acústico, vibrações do assoalho, e vibrações térmicas. Obter a definição vertical máxima exige a minimização das vibrações do instrumento.

Interacções De Superfície da Ponta De Prova

As forças as mais fortes entre a ponta de prova e a superfície são mecânicas, que são as forças que ocorrem quando os átomos na ponta de prova interagem fisicamente com os átomos em uma superfície. Contudo, outras forças entre a ponta de prova e a superfície podem ter um impacto em uma imagem do AFM. Estas outras forças incluem a contaminação de superfície, forças electrostáticas, e as propriedades materiais de superfície.

Contaminação De Superfície

No ar ambiental todas as superfícies são cobertas com uma camada muito fina, < 50 nanômetro, da contaminação. Esta contaminação pode ser compreendida da água e dos hidrocarbonetos e depende do ambiente que o microscópio é encontrado dentro. Quando a ponta de prova do AFM entra o contacto com a contaminação de superfície, as forças capilares podem puxar a ponta de prova para a superfície.

Forças Electrostáticas

As superfícies de Isolamento podem armazenar cargas em sua superfície. Estas cargas podem interagir com as cargas na ponta de prova ou no modilhão do AFM. Tais forças podem ser tão fortes que “dobram” o modilhão ao fazer a varredura de uma superfície.

Propriedades Materiais De Superfície

As superfícies Heterogêneas podem ter regiões de dureza e de fricção diferentes. Enquanto a ponta de prova é feita a varredura através de uma superfície, a interacção da ponta de prova com a superfície pode mudar ao mover-se de uma região a outra. Tais mudanças nas forças podem dar um “contraste” que seja útil para se diferenciar entre materiais em uma superfície heterogênea.

Modos da Topografia

Ao fazer a varredura de uma amostra com um AFM uma força constante é aplicada à superfície pela ponta de prova na extremidade de um modilhão. Medir a força com o modilhão no AFM é conseguida por dois métodos. No primeiro método a deflexão do modilhão é medida directamente. No segundo método, o modilhão é vibrado e as mudanças nas propriedades da vibração são medidas.

Modo da Deflexão

Usando o controle de feedback no AFM, é possível fazer a varredura de uma amostra com uma deflexão fixa do modilhão. Porque a deflexão do modilhão é directamente proporcional à força na superfície, uma força constante é aplicada à superfície durante uma varredura. Este modo de exploração é chamado frequentemente modo do “contacto”. Contudo, porque as forças da ponta de prova na superfície são frequentemente menos do que um nano-newton, a ponta de prova está tocando mìnima na superfície.

Figura 7. No modo de contacto AFM a ponta de prova segue directamente a topografia da superfície enquanto é feita a varredura. A força da ponta de prova está mantida constante quando uma imagem for medida.

Modo de Vibração

O modilhão em um AFM pode ser vibrado usando um cerâmico piezoeléctrico. Quando o modilhão de vibração vem perto de uma superfície, a amplitude e a fase do modilhão de vibração podem mudar. As Mudanças na amplitude ou na fase da vibração são medidas facilmente e as mudanças podem ser relacionadas à força na superfície. Esta técnica tem muitos nomes incluir o modo do não-contacto, e o modo de contacto intermitente. É importante que a ponta não “torneira” a superfície porque a ponta de prova pode ser quebrada ou a amostra pode ser danificada.

Figura 8. Em métodos de vibração, as mudanças em vibrações das pontas de prova são monitoradas para estabelecer a força da ponta de prova na superfície. A unidade do feedback é usada para manter a constante de vibração da amplitude ou de fase.

Material que Detecta Modos

A interacção da ponta de prova com a superfície depende das propriedades químicas e físicas da superfície. É possível medir as interacções e assim “detecte” os materiais na superfície de uma amostra.

Material de Vibração que Detecta o Modo

Como descrito na Secção 3,2, o modilhão do AFM pode ser vibrado para medir a força entre uma ponta de prova e para surgir durante uma varredura do AFM. O valor do umedecimento da amplitude e da quantidade de mudança de fase do modilhão depende da composição quimica de superfície e das propriedades físicas da superfície. Assim, em uma amostra inhomogeneous, o contraste pode ser observado entre regiões de composição mecânica ou quimica de variação. Tipicamente, no material de vibração detectar o modo, se a amplitude é fixada pela unidade do feedback, a seguir no contraste do material é observada medindo mudanças de fase. Esta técnica tem muitos nomes incluir o modo da fase, a detecção da fase e a microscopia modulada força.

Modos da Torsão

No modo de contacto AFM é possível monitorar os movimentos da torsão do modilhão porque é feita a varredura através de uma superfície.

A Figura 9. Torsões do modilhão é medida no AFM. As Mudanças na torsão do modilhão são uma indicação das mudanças na composição quimica de superfície.

A quantidade de torsão do modilhão é controlada por mudanças na topografia assim como muda nas propriedades químicas de superfície. Se uma superfície é perfeitamente plana mas tem uma relação entre dois materiais diferentes, é frequentemente possível à imagem a mudança em propriedades materiais em uma superfície. Esta técnica é similar à microscopia da força lateral (LFM).

A seguinte informação foi fornecida pela Nanotecnologia Pacífica

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

Last Update: 13. June 2013 07:08