| TappingMode-Darstellung ist ein Schlüsselfortschritt in der Atomkraftmikroskopie (AFM) von weichen, klebenden oder zerbrechlichen Proben. Diese patentierte Technik erlaubt hoher Auflösung topographische Darstellung von Beispieloberflächen, die leicht geschädigt werden, lose angehalten zu ihrer Substratfläche, oder andernfalls schwierig zum Bild durch andere FLUGHANDBUCH-Techniken. Speziell überwindt TappingMode die Probleme, die mit Reibung, Beitritt, elektrostatischen Kräften und anderen Schwierigkeiten, die, verbunden sind herkömmliche FLUGHANDBUCH-Scannenmethoden quälen können. Die Technik hat extrem erfolgreiches für Darstellung der hohen Auflösung einer großen Vielfalt der Proben einschließlich geprüft: - Siliziumscheibeoberflächen
- Dünnfilme
- Metalle und Isolatoren
- Fotoresist
- Polymere
- biologische Proben
- und zahlreiche andere.
Abbildung 1. TappingMode-Bild von gereinigten Kollagenmonomere- und -oligomermolekülen ohne telopeptides. TappingMode macht Darstellung diese Oberflächen routinemäßig in der Luft oder in den Flüssigkeiten und stellt einen beträchtlichen Fortschritt in FLUGHANDBUCH-Technologie dar. Zwei herkömmliche Scannenmodi - Kontaktmodus und berührungsfreier Modus - sind eine Zeitlang mit unterschiedlichem Erfolg für eine Reichweite der Materialien verwendet worden. Jedes hat Beschränkungen, die unten behandelt werden und zu TappingMode-Scannen kontrastiert. Herkömmliche Methoden In herkömmlichem Kontaktmodus FLUGHANDBUCH (Abbildung 2), die Fühlerspitze wird einfach über der Oberfläche geschleppt und das resultierende Bild ist eine topographische Karte der Oberfläche der Probe. Während diese Technik für viele Proben sehr erfolgreich gewesen ist, hat sie einige ernste Nachteile. Der schleppende Antrag der Fühlerspitze, kombiniert mit Klebkraft zwischen der Spitze und der Oberfläche, kann erheblichen Schaden der Probe verursachen und Artefakte in den Bilddaten prüfen und erstellen. 
Abbildung 2. Vergleich des Kontaktmodus, des berührungsfreien Modus und TappingMode-Abtastverfahren. Die Kontaktmodusdarstellung (gelassen) wird schwer durch die Reibungs- und Klebkraft beeinflußt, die Proben beschädigen und Bilddaten verzerren können. Berührungsfreie Darstellung (Mitte) im Allgemeinen liefert niedrige Auflösung und kann durch die Verschmutzerschicht auch gehemmt werden, die Oszillation behindern kann. TappingMode-Darstellung (recht) beseitigt Reibungskräfte, indem sie stoßweise die Oberfläche in Kontakt bringt und mit genügender Amplitude oszilliert, um die Spitze an durch klebende Meniskuskräfte eingeschlossen werden an der Verschmutzerschicht zu verhindern. Die Diagramme unter den Bildern stellen wahrscheinliche Bilddaten dar, resultierend aus den drei Techniken. Unter Luftzuständen werden die meisten Oberflächen durch eine Schicht adsorbierte Gase abgedeckt (Kondenswasserdampf und andere Verschmutzer) die gewöhnlich einige nm dick ist. Wenn die Scannenspitze diese Schicht berührt, veranlaßt haarartiger Vorgang einen Meniskus sich zu bilden und Oberflächenspannung zieht den Kragbalken unten in die Schicht (Abbildung 3). Aufgefangene elektrostatische Aufladung auf der Spitze und der Probe kann zusätzliche Klebkraft beitragen. Diese abwärts Kräfte erhöhen die Gesamtkraft auf der Probe und, wenn sie mit den seitlichen Scherkräften kombiniert werden, die durch den Scannenantrag verursacht werden, können Maßdaten verzerren und schweren Schaden der Probe, einschließlich Bewegung oder das Zerreißen von Oberflächenmerkmalen verursachen. 
Abbildung 3. In Kontakt FLUGHANDBUCH ziehen Kräfte der elektrostatischen und/oder Oberflächenspannung von der adsorbierten Gasschicht die Scannenspitze in Richtung zur Oberfläche. Einige Forscher haben die Probleme überwunden, die mit den Klebkraft durch funktionierendes AFMs mit der Probe verbunden sind, die in der Flüssigkeit untergetaucht wird. Beim Scannen in den Flüssigkeiten, sind die Gesamtkräfte im Kontaktmodus niedriger als in der Luft, weil die flüssige Schicht/Meniskus nicht anwesend ist und elektrostatische Kräfte zerstreut werden oder mit filter versehen werden können. Jedoch weil hydratisierte Proben häufig im Wesentlichen weicher als getrocknete Proben sind, kann der Gleichlauf von Kräften verringerte Bildqualität und den Beispielschaden wegen der Deformation und/oder der Bewegung der Probe durch den Scannenfühler noch verursachen. Darüber hinaus können viele Proben, wie Halbleiterwafer, nicht in der Flüssigkeit praktisch untergetaucht werden. Ein Versuch, dieses Problem zu vermeiden ist der berührungsfreie Modus, in dem der Fühler ein kleiner Abstand über der Probe angehalten wird (Abbildung 2). Attraktive Kräfte Vans Der Waals, die zwischen der Spitze und der Probe wirken, werden entdeckt, und topographische Bilder werden konstruiert, indem man die Spitze über der Oberfläche scannt. Leider sind die attraktiven Kräfte Vans Der Waals von der Probe im Wesentlichen schwächer als die Kräfte, die tatsächlich durch den Kontaktmodus - so schwach aufgewendet werden, dass die Spitze eine kleine Oszillation gegeben werden muss, damit WS-Nachweismethoden angewendet werden können, um die kleinen Kräfte zwischen Spitze und Probe zu entdecken. Die Anziehungskräfte dehnen auch nur einen kleinen Abstand von der Oberfläche aus, in der die adsorbierte Gasschicht möglicherweise einen großen Bruch ihrer nützlichen Reichweite besetzt. Folglich selbst wenn die Pipettenspitzentrennung erfolgreich aufrechterhalten wird, liefert berührungsfreier Modus im Wesentlichen niedrigere Auflösung als entweder Kontakt oder TappingMode. In der Praxis wird der Fühler häufig zur Beispieloberfläche durch die adsorbierten Gase' Oberflächenspannung, mit dem Ergebnis des unbrauchbaren Daten- und Beispielschadens gezeichnet, der dem ähnlich ist, der durch die Kontakttechnik verursacht wird. Darüber hinaus ist der berührungsfreie Modus im Allgemeinen für routinemäßiges Scannen in den Flüssigkeiten, weil die Kräfte Vans Der Waals jetzt sogar kleiner sind, eine erhebliche Beschränkung für biologische Proben insbesondere nicht durchführbar. TappingMode-Darstellung in einer Luft TappingMode-Darstellung gleicht die Beschränkungen der herkömmlichen Scannenmodi aus, indem sie abwechselnd die Spitze in Verbindung mit der Oberfläche legt, um hohe Auflösung zur Verfügung zu stellen und dann die Spitze weg von der Oberfläche anhebt, um die, Spitze über der Oberfläche zu schleppen zu vermeiden. TappingMode-Darstellung wird in der Luft eingeführt, indem man die freitragende Einheit nahe an der Eigenfrequenz des Kragbalkens unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalles oszilliert. Der piezo Antrag veranlaßt den Kragbalken, mit einer großen Amplitude (die „Freifeld“ Amplitude, das gewöhnlich größer als 20nm) zu oszillieren wenn die Spitze nicht in Verbindung mit der Oberfläche ist. Die oszillierende Spitze wird dann in Richtung zur Oberfläche verschoben, bis sie anfängt, leicht sich zu berühren, oder „klopfen Sie“ die Oberfläche. Während des Scannens bringt die vertikal oszillierende Spitze abwechselnd die Oberfläche in Kontakt und hebt, im Allgemeinen bei einer Frequenz von 50.000 bis 500.000 Schleifen pro Sekunde ab. Während der oszillierende Kragbalken anfängt, die Oberfläche stoßweise in Kontakt zu bringen, wird die freitragende Oszillation notwendigerweise verringert (die Abbildung 4) wegen des Energieverlustes verursacht durch die Spitze, welche die Oberfläche in Kontakt bringt. Die Reduzierung in der Schwankungsamplitude wird verwendet, um Oberflächenmerkmale zu kennzeichnen und zu messen. 
Abbildung 4. freitragende Oszillationsamplitude TappingMode im Freifeld und während des Scannens. Während TappingMode-Operation ist die freitragende Oszillationsamplitude aufrechterhaltene Konstante durch eine Rückkopplungsschleife (Abbildung 5). 
Abbildung 5. Santendiagramm für TappingMode-Operation. Auswahl der optimalen Schwingungszahl ist die unterstützte Software und die Kraft auf der Probe wird automatisch auf dem niedrigsten möglichen Niveau eingestellt und aufrechterhalten (Tabelle 1 und Abbildung 6). Tabelle 1. TappingMode-Bedingungen. | | | | Treiben Sie Frequenzbereich | 10KHz zu 1MHz | | Treiben Sie Spannungsbereich | 0-20Vppmit Geräuschpegel EFFEKTIVWERT-1mV | | Treiben Sie Amplituden-und Frequenz-Einstellung | Digital ausgewählt. Software-Regelung und Bildschirmanzeige von TappingMode-Parametern gewährt schnell, halbautomatisierte Bildschirmoptimierung. | | Detektor | Detektor der Amplitude Effektivwert-zu-GLEICHSTROM liefert Phase-imdependent Amplitudensignal; Geräuschpegel > EFFEKTIVWERT 0.5Å | | Kragbalken | Geätzte Silikonkragbalken; Eigenfrequenzen 60-400KHz | | Spitze-Probe Anflug | Motorisierter Beispielanflug wendet automatisch Kragbalken TappingModean der niedrigsten möglichen Gleichlaufkraft an | 
Abbildung 6. Der freitragende Melodiebildschirm unterstützt den Operator, wenn er die optimale TappingMode-Schwingungszahl auswählt. Wenn die Spitze über einen Stoß in der Oberfläche passiert, hat der Kragbalken weniger Raum zu oszillieren und die Amplitude von Oszillation verringert sich. Andererseits wenn die Spitze über eine Krise passiert, hat der Kragbalken mehr Raum zu oszillieren und die Amplitudenzunahmen (der maximalen Freifeldamplitude nähernd). Die Oszillationsamplitude der Spitze wird durch den Detektor und den Input zur Controller-Elektronik NanoScope III gemessen. Die digitale Rückkopplungsschleife stellt dann die Spitzeprobe Trennung ein, um eine konstante Amplitude und eine Kraft auf der Probe beizubehalten. TappingMode verhindert in sich selbst die Spitze am Festhalten an der Oberfläche und am Verursachen des Schadens während des Scannens. Anders Als Kontakt und berührungsfreie Modi wenn die Spitze die Oberfläche in Kontakt bringt, hat es die genügende Oszillationsamplitude, zum der Spitzeprobe Beitrittskräfte auszugleichen. Auch das Oberflächenmaterial wird seitlich nicht durch Scherkräfte gezogen, da die angewandte Kraft immer vertikal ist. Ein Anderer Vorteil des TappingModetechnique ist sein großer, linearer Arbeitsbereich (Abbildung 7). Dieses macht die vertikale Feed-backanlage in hohem Grade stabil und erlaubt routinemäßige reproduzierbare Beispielmaße. Einige Bezüge, die TappingMode-Darstellung behandeln, sind am Ende dieser Anwendungsanmerkung aufgeführt. 
Abbildung 7. Vergleich des großen linearen Arbeitsbereichs für TappingMode gegen kleinen Arbeitsbereich für berührungsfreien Modus. TappingMode-Darstellung in den Flüssigkeiten Ähnliche Vorteile werden mit TappingMode-Operation in den Flüssigkeiten verwirklicht. In diesem Fall jedoch neigt der flüssige Medium, die normale Eigenfrequenz des Kragbalkens Dämpfung. Stattdessen kann die gesamte flüssige Zelle oszilliert werden, um den Kragbalken in Oszillation zu treiben. Wenn eine passende Frequenz (normalerweise im Bereich von 5.000 bis 40.000 Schleifen pro Sekunde) ausgewählt wird, verringert sich die Amplitude des Kragbalkens, wenn die Spitze anfängt, die Probe zu klopfen, ähnlich TappingMode-Operation in einer Luft. Einmal wird der Kragbalken in Oszillation, das NanoScope III eingestellt, das digitale Feed-backanlage die Stellung der Spitze einstellt, um eine konstante Oszillationsamplitude beizubehalten. Wieder wie in einer Luft, beseitigt der oszillierende Kragbalken die Reibungs- und Scherkräfte auf der Probe. Darüber hinaus lässt der Prozess die Oberfläche wiederholt von in Kontakt bringen und die Spitze von ziehen weg mit einer hohen Kinetik die Gleichlaufkraft aufrechterhaltene Konstante an einem Mindestwert sein. TappingMode vermeidet die Kraftinstabilitäten, die durch thermischen Antrieb im Kontaktmodus, mit dem Ergebnis der Zeiteinsparungen und der verbesserten Bild- und Maßqualität verursacht werden. Stabile Darstellungskräfte von kleiner als 200pN sind während TappingMode-Operation gemessen worden. Beispiele Abbildungen 8 bis 14 stellen die Fähigkeiten von TappingMode für Darstellung eine Vielzahl von weichen Oberflächen dar. Abbildungen 8 bis 10 zeigen die biologischen Proben, die in der Flüssigkeit und in einer Luft abgebildet sind und stellen die drastische Verbesserung in der Bildqualität für TappingMode im Verhältnis zu herkömmlichem Kontaktmodus in beiden Umgebungen dar. 
Abbildung 8. TappingMode-Bild scannte in einer Luft von Kinetoplast DNS vom trypanozome eines Malariaparasiten. 
Abbildung 9. Vergleich des Kontaktmodus (gelassen) und (der rechten) Bilder TappingMode der RNS-Polymerase gescannt in der Flüssigkeit (Buffer). Beachten Sie, dass die Streifen und die Dunstigkeit, die für sogar flüssigen Kontaktmodus der niedrigen Kraft geläufig ist, nicht im flüssigen TappingMode-Bild anwesend sind. 
Abbildung 10. Lambda Hinter-III DNS abgebildet auf Glimmer mit TappingMode im Wasser. Die Probe wurde kontinuierlich über eine Stunde lang ohne Schaden gescannt. Kontaktmodusscannen des gleichen Materials Schaden in weniger als einer Minute verursacht - bevor der Scan beendet werden könnte. Abbildung 11 stellt die Fähigkeiten von TappingMode im Verhältnis zu Kontaktmodus für Halbleitermaterialien unter Verwendung nebeneinander der Vergleiche dar. 
(a) 
(b) Abbildung 11. (a) Kontakt und (b) TappingMode-Bilder für den gleichen (100) Epitaxial- Wafer. In beiden Fällen wurde das linke Bild zuerst genommen und die Scan-Größe wurde sofort verdoppelt und wieder.abgelichtet, um den Bereich zu umfassen, der im ersten Scan abgebildet ist. Die TappingMode-Bilder zeigen keine Oberflächenänderung und bessere Auflösung. Andererseits kann das Notstandsgebiet des ersten Scans auf dem Recht in der Abbildung 11a leicht gesehen werden. Kontaktmodusdarstellung ist für Silikonoberflächen extrem inkonsequent; in diesem Fall ist Material durch die Scannenspitze, während in anderen Fällen, zusätzliches Oxidwachstum gelöscht worden, oder subtilere Änderungen möglicherweise treten ein. Dieses Baumuster der Oberflächenänderung geht häufig unentdeckt, da die meisten Forscher nicht auf Schaden überprüfen, indem sie das betroffene Gebiet an der niedrigeren Vergrößerung wieder ablichten. Abbildungen 12 bis 14 sind TappingMode-Bilder für ein Polymer und zwei Dünnfilme. 
Abbildung 12. TappingMode-Bild Polyäthylens des mit hoher Schreibdichte von einer Einkaufstasche. Die Zellen im Bild sind die Polymerlamellen, die ungefähr 30nm dick und alle, die in der gleichen Richtung orientiert werden, um die Dehnfestigkeit zu erhöhen sind. Diese Zelle könnte nicht mit Kontaktmodus gesehen werden, da die Merkmale durch die Spitze geändert wurden, die über der Oberfläche schleppt. Scan 675nm. 
Abbildung 13. Chemischer Dampf abgegebener (CVD) Diamantfilm. Während der Filmentstehung werden Impfkristalle des Diamanten auf eine Siliziumscheibe gelegt, die dann in die CVD-Absetzungskammer gelegt wird, in der Wachstum initialisiert wird, um den Dünnfilm zu produzieren. Dieses Bild zeigt den Film an der frühen Inbetriebnahme des Wachstums. Die TappingMode-Technik war an genauer Profil die Kristalle und die, Impfkristalle auf der Oberfläche zu verschieben zu vermeiden gewöhnt. 
Abbildung 14. Thermisch verdunsteter Goldfilm, 60Å dick, abgegeben auf eine oxidierte Siliziumscheibe. Die Filme wurden verwendet, um Spannungsfühler mit höherer Spannungsempfindlichkeit als kontinuierliche Filme aufzubauen. Zusammenfassung Um Qualitätsbilder zu erhalten, ist es dass der Schaden der Mikroskopspitze nicht die Oberfläche kritisch, die aber gescannt wird dass es Kontakt die Oberfläche um Maße der hohen Auflösung zu erhalten. Dieses ist, wo TappingMode-Darstellung übertrifft. Für viele Materialien liefert diese Technik die höchste Auflösung, die ohne Beispielschaden möglich ist. TappingMode-Darstellung hat eine große Vielfalt von Anwendungen geöffnet und fortfährt, die Anwendbarkeit von SPM zu den neuen Materialien und zu den Oberflächen zu erweitern. Mehr auf Spitze-Probe Kräften in TappingMode Einer der Schlüsselvorteile von TappingMode-Darstellung über herkömmlichem Kontakt FLUGHANDBUCH ist die niedrigen Kräfte, die während des Scannens erzeugt werden. Weil die Spitze nur die Oberfläche kurz während jeder Oszillation in Kontakt bringt, gibt es die nicht seitlichen Reibungskräfte, die an der Probe durch die Spitze aufgewendet werden, die die Probe zerreißen kann, Daten verzerrt oder die Spitze trübt. Die kurze Kontaktkraft ist kleiner, als man möglicherweise erwartete. In TappingMode wird der Kragbalken nahe an seiner Eigenfrequenz oszilliert. Sobald die freitragende Amplitude am gewünschten Sollwert stabilisiert wird, muss die Probe nur die kleine Kraft wegen der erhöhten Amplitude während einer einzelnen Oszillationsschleife absorbieren; d.h. die Zeit zwischen zwei nachfolgenden „Hähnen.“ Weil die Kragbalken, die in TappingMode verwendet werden, einen Faktor der hohen Qualität („Q ") haben, ist die Amplitude, die in einer Schleife gewonnen wird, nur über 0.01nm unter typischen Darstellungsbedingungen. Die Kraft wegen dieser kleinen Amplitudenzunahme kann von der überwiegenden Mehrheit von Proben ohne Schaden absorbiert werden, um sich zu neigen oder zu prüfen. Wegen dieser leichten Scannenkräfte ist TappingMode erfolgreich an reproduzierbar Bild solche Proben wie Polymere, ungebackenes Fotoresist und DNS gewöhnt gewesen, sowie zahlreich andere zerbrechliche Proben. Auch wir haben wiederholt abgebildet das Ångström-stufige microroughness der gleichen 1mm Region einer Siliziumscheibe kontinuierlich über einen 24-stündigen Zeitraum ohne Abbau des Bildes oder beschädigen zur Probe. Schließlich wird der Kragbalken bei Frequenzen von 50KHz zu 500KHz oszilliert. Bei diesen Frequenzen stehen viele Oberflächen dem Stiff (viskoelastisch) und können Kräften von der Fühlerspitze leicht widerstehen. Dieses Eigentum, das weiter ist, verringert die Möglichkeit des Beispielschadens für extrem weiche Proben wie Polymere, biologische Probenmaterialien, und andere und verursacht weniger Verzerrung der Probe wegen der Spitzenkräfte. |