| La proyección de imagen de TappingMode es un avance dominante en la microscopia atómica de la fuerza (AFM) de muestras suaves, adhesivas o frágiles. Esta técnica patentada permite la proyección de imagen topográfica de alta resolución de las superficies de la muestra que son dañadas fácilmente, sujetado suelto a su substrato, o de otra manera difícil a la imagen por otras técnicas del AFM. Específicamente, TappingMode supera los problemas asociados a la fricción, a la adherencia, a fuerzas electroestáticas, y a otras dificultades que puedan plagar métodos de exploración convencionales del AFM. La técnica ha probado extremadamente acertado para la proyección de imagen de alta resolución de una amplia variedad de muestras incluyendo: - superficies de la oblea de silicio
- películas finas
- metales y aisladores
- fotoprotección
- polímeros
- muestras biológicas
- y otros numerosos.
Cuadro 1. imagen de TappingMode de las moléculas purificadas del monómero y del oligómero del colágeno sin telopeptides. TappingMode hace proyección de imagen estas superficies rutinarias en aire ambiente o líquidos y representa un avance importante en tecnología del AFM. Dos modos de exploración convencionales - modo de contacto y modo sin contacto - se han utilizado por algún tiempo con el éxito diverso para un rango de materiales. Cada Uno tiene limitaciones que se discutan abajo y se pongan en contraste con la exploración de TappingMode. Métodos Convencionales En el modo de contacto convencional AFM (el Cuadro 2), la punta de la antena se arrastra simple a través de la superficie y la imagen resultante es una correspondencia topográfica de la superficie de la muestra. Mientras Que esta técnica ha sido muy acertada para muchas muestras, tiene algunas desventajas serias. El movimiento de fricción de la punta de la antena, combinado con las fuerzas adhesivas entre la punta y la superficie, puede causar daño sustancial a la muestra y sondar y crear los artefactos en datos de imagen. 
Cuadro 2. Comparación del modo de contacto, del modo sin contacto y técnicas de exploración de TappingMode. La proyección de imagen del modo de Contacto (dejada) es influenciada pesado por las fuerzas friccionales y adhesivas que pueden dañar muestras y torcer datos de imagen. La proyección de imagen Sin Contacto (centro) proporciona a la resolución inferior y se puede generalmente también obstaculizar por la capa del contaminante que puede interferir con la oscilación. La proyección de imagen de TappingMode (correcta) elimina fuerzas friccionales intermitente haciendo contacto con la superficie y oscilando con suficiente amplitud para evitar que la punta sea atrapada por las fuerzas adhesivas del menisco de la capa del contaminante. Los gráficos bajo imágenes representan datos de imagen probables resultando de las tres técnicas. Bajo condiciones del aire ambiente, la mayoría de las superficies son revestidas por una capa de los gases adsorbidos (vapor de agua condensado y otros contaminantes) que sea típicamente varios nanómetros densamente. Cuando la punta de la exploración toca esta capa, la acción capilar hace un menisco formar y la tensión de superficie tira del voladizo hacia abajo en la capa (Cuadro 3). La carga electroestática Atrapada en la punta y la muestra puede contribuir fuerzas adhesivas adicionales. Éstos las fuerzas hacia abajo aumentan la fuerza total en la muestra y, cuando están combinada con las fuerzas de resistencia laterales causadas en el movimiento de la exploración, pueden torcer datos de la medición y causar daño severo a la muestra, incluyendo el movimiento o rasgar de las características superficiales. 
Cuadro 3. En el contacto AFM, las fuerzas de la tensión de superficie electroestática y/o de la capa adsorbida del gas tiran de la punta de la exploración hacia la superficie. Algunos investigadores han superado los problemas asociados a las fuerzas adhesivas por AFMs operatorio con la muestra sumergida en líquido. Al explorar en líquidos, las fuerzas totales en modo de contacto son más inferiores que en aire ambiente porque la capa flúida/menisco no está presente y las fuerzas electroestáticas pueden ser disipadas o ser revisadas. Sin Embargo, porque las muestras hidratadas son a menudo substancialmente más suaves que muestras secadas, seguir su trayectoria fuerzas puede todavía estropear calidad reducida de la imagen y la muestra debido a la deformación y/o al movimiento de la muestra por la antena de la exploración. Además, muchas muestras, tales como fulminantes de semiconductor, no se pueden sumergir prácticamente en líquido. Una tentativa de evitar este problema es el modo sin contacto en el cual la antena se lleva a cabo una pequeña distancia encima de la muestra (Cuadro 2). Las fuerzas Atractivas de Van der Waals que actúan entre la punta y la muestra se detectan, y las imágenes topográficas son construidas explorando la punta encima de la superficie. Lamentablemente, las fuerzas atractivas de Van der Waals de la muestra son substancialmente más débiles que las fuerzas usadas por el modo de contacto - tan débil de hecho que la punta se debe dar una pequeña oscilación para poder utilizar métodos de detección de la CA para detectar las pequeñas fuerzas entre la punta y la muestra. Las fuerzas atractivas también amplían solamente una pequeña distancia de la superficie, donde la capa adsorbida del gas puede ocupar una gran parte de su rango útil. Por Lo Tanto, incluso cuando la separación de la punta de muestra se mantiene con éxito, el modo sin contacto proporciona a una resolución substancialmente más inferior que contacto o TappingMode. En la práctica, la antena es drenada con frecuencia a la superficie de la muestra por la tensión de superficie de los gases adsorbidos', dando por resultado el daño inutilizable de los datos y de la muestra similar a ése causado por la técnica del contacto. Además, el modo sin contacto es generalmente poco práctico para la exploración rutinaria en líquidos porque las fuerzas de Van der Waals son incluso más pequeñas ahora, una limitación sustancial para las muestras biológicas particularmente. Proyección De Imagen de TappingMode en Aire La proyección de imagen de TappingMode vence las limitaciones de los modos de exploración convencionales alterno poniendo la punta en contacto con la superficie para proporcionar a la alta resolución y después levantando el soplo la superficie para evitar arrastrar la punta a través de la superficie. La proyección de imagen de TappingMode es ejecutada en aire ambiente oscilando el ensamblaje voladizo en o cerca de la frecuencia resonante del voladizo usando un cristal piezoeléctrico. El movimiento piezoeléctrico hace el voladizo oscilar con una alta amplitud (el la amplitud del “aire libre”, típicamente mayores que 20nm) cuando la punta no está en contacto con la superficie. La punta oscilante entonces se mueve hacia la superficie hasta que comience a tocar pálido, o “golpee ligeramente” la superficie. Durante la exploración, la punta verticalmente oscilante alterno hace contacto con la superficie y quita, generalmente en una frecuencia de 50.000 a 500.000 ciclos por segundo. Mientras Que el voladizo oscilante comienza a hacer contacto con intermitente la superficie, la oscilación voladiza se reduce necesariamente (el Cuadro 4) debido a la pérdida de energía causada por la punta que hace contacto con la superficie. La reducción en amplitud de la oscilación se utiliza para determinar y para medir las características superficiales. 
Cuadro 4. amplitud voladiza de la oscilación de TappingMode en aire libre y durante la exploración. Durante la operación de TappingMode, la amplitud voladiza de la oscilación es constante mantenido al lado de un bucle de retroalimentación (Cuadro 5). 
Cuadro 5. Bloque Diagrama para la operación de TappingMode. La Selección de la frecuencia óptima de la oscilación es software ayudado y la fuerza en la muestra se fija y se mantiene automáticamente en el nivel posible más inferior (Cuadro 1 y Cuadro 6). Pliegos De Condiciones de TappingMode del Cuadro 1. | | | | Impulse el Rango de Frecuencia | 10KHz a 1MHz | | Impulse el Rango del Voltaje | 0-20Vppcon el nivel de ruidos de 1mV RMS | | Impulse el Ajuste de la Amplitud y de la Frecuencia | Digital seleccionada. El mando del Software y la visualización de los parámetros de TappingMode permite rápidamente, optimización en pantalla semiautomatizada. | | Detector | El detector de la amplitud de RMS-a-DC proporciona a la señal de la amplitud de la fase-imdependent; Nivel De Ruidos > 0.5Å RMS | | Voladizos | Voladizos Grabados El Ácido del silicio; frecuencias resonantes 60-400KHz | | Aproximación de la Punta-Muestra | La aproximación Motorizada de la muestra trae automáticamente el voladizo en la operación de TappingMode en la fuerza que sigue su trayectoria posible más inferior | 
Cuadro 6. La pantalla voladiza del aire ayuda al operador en la selección de la frecuencia óptima de la oscilación de TappingMode. Cuando la punta pasa sobre un topetón en la superficie, el voladizo tiene menos sitio de oscilar y la amplitud de oscilación disminuye. Inversamente, cuando la punta pasa sobre una depresión, el voladizo tiene más sitio de oscilar y los aumentos de la amplitud (que se acercan a la amplitud máxima del aire libre). La amplitud de la oscilación de la punta es medida por el detector y la entrada de información a la electrónica del controlador aéreo de NanoScope III. El bucle de retroalimentación digital entonces ajusta la separación de la punta-muestra para mantener una amplitud y una fuerza constantes en la muestra. TappingMode intrínsecamente evita que la punta adherir a la superficie y estropee durante la exploración. A Diferencia de contacto y de modos sin contacto, cuando la punta hace contacto con la superficie, tiene suficiente amplitud de la oscilación para vencer las fuerzas de la adherencia de la punta-muestra. También, el material superficial no es tirado lateralmente por las fuerzas de resistencia puesto que la fuerza aplicada es siempre vertical. Otra ventaja del TappingModetechnique es su rango de operación grande, lineal (Cuadro 7). Esto hace el sistema de votos vertical altamente estable, permitiendo mediciones reproductivas rutinarias de la muestra. Varias referencias que discuten la proyección de imagen de TappingMode son mencionadas en el extremo de esta nota de aplicación. 
Cuadro 7. Comparación del rango de operación lineal grande para TappingMode comparado con el pequeño rango de operación para el modo sin contacto. Proyección De Imagen de TappingMode en Líquidos Las ventajas Similares se observan con la operación de TappingMode en líquidos. En este caso, sin embargo, el media flúido tiende a amortiguar la frecuencia resonante normal del voladizo. En Lugar, la célula flúida entera se puede oscilar para impulsar el voladizo en la oscilación. Cuando se selecciona una frecuencia apropiada (generalmente en el rango de 5.000 a 40.000 ciclos por segundo), la amplitud del voladizo disminuirá cuando la punta comienza a golpear ligeramente la muestra, similar a la operación de TappingMode en aire. El voladizo se fija Una Vez en la oscilación, el NanoScope III que el sistema de votos digital ajusta la posición de la punta para mantener una amplitud constante de la oscilación. Otra Vez como en aire, el voladizo oscilante elimina fuerzas friccionales y de resistencia en la muestra. Además, el proceso repetidor de hacer contacto con la superficie y de tirar el soplo a una alta tasa permite que la fuerza que sigue su trayectoria sea constante mantenido en un valor mínimo. TappingMode evita las inestabilidades de la fuerza causadas por la desviación térmica en modo de contacto, dando por resultado ahorros del tiempo y calidad mejorada de la imagen y de la medición. Las fuerzas Estables de la proyección de imagen menos que 200pN se han medido durante la operación de TappingMode. Ejemplos Los Cuadros 8 a 14 ilustran las capacidades de TappingMode para la proyección de imagen una variedad de superficies suaves. Los Cuadros 8 a 10 muestran las muestras biológicas reflejadas en el líquido y el aire, ilustrando la mejora espectacular en la calidad de la imagen para el modo de contacto convencional en relación con de TappingMode en ambos ambientes. 
El Cuadro 8. imagen de TappingMode exploró en el aire de la DNA del kinetoplast del trypanozome de un parásito palúdico. 
Cuadro 9. Comparación del modo de contacto (dejado) y de las imágenes (correctas) de TappingMode de la polimerasa de ARN exploradas en el líquido (almacenador intermediaro). Observe que las rayas y la nebulosidad comunes incluso al modo de contacto líquido de la fuerza inferior no están presentes en la imagen flúida de TappingMode. 
Cuadro 10. DNA Trasera III de la Lambda reflejado en la mica con TappingMode en agua. La muestra fue explorada contínuo para más de una hora sin daño. Exploración del modo de Contacto del mismo material causado daño en menos de un minuto - antes de que la exploración podría ser terminada. El Cuadro 11 ilustra las capacidades del modo de contacto en relación con de TappingMode para los materiales del semiconductor usando de lado a lado comparaciones. 
(a) 
(b) Cuadro 11 (a) Contacto y (b) imágenes de TappingMode para los mismo (100) fulminantes epitaxiales. En ambos casos, la imagen izquierda fue tomada primero y la talla de la exploración fue duplicada y pre-explorada inmediatamente para incluir el área reflejada en la primera exploración. Las imágenes de TappingMode no muestran ningún cambio superficial y mejor resolución. Inversamente, el área dañada de la primera exploración se puede considerar fácilmente en la derecha en la Figura 11a. La proyección de imagen del modo de Contacto es extremadamente contraria para las superficies del silicio; en este caso el material ha sido quitado por la punta de la exploración, mientras que en otros casos, incremento adicional del óxido o cambios más sutiles pueden ocurrir. Este tipo de cambio superficial va a menudo desapercibido puesto que la mayoría de los investigadores no controlan para saber si hay daño pre-explorando el área afectada en una magnificación más inferior. Los Cuadros 12 a 14 son imágenes de TappingMode para un polímero y dos películas finas. 
Cuadro 12. Imagen de TappingMode del polietileno de alta densidad de un bolso de compras. Las estructuras en la imagen son las laminillas del polímero que son aproximadamente 30nm densamente y todos orientados en la misma dirección para aumentar la resistencia a la tensión. Esta estructura no se podría considerar con modo de contacto puesto que las características fueron alteradas por la punta que arrastraba a través de la superficie. exploración 675nm. 
Cuadro 13. Película depositada vapor (CVD) Químico del diamante. Durante la formación de la película, los cristales de germen del diamante se colocan en una oblea de silicio que entonces se coloque en el compartimiento de la deposición del CVD en el cual el incremento se inicia para producir la película fina. Esta imagen muestra la película en el lanzamiento temprano del incremento. La técnica de TappingMode fue utilizada más exactamente al perfil los cristales y evitar mover los cristales de germen en la superficie. 
Cuadro 14. Película Térmicamente densamente evaporada del oro, 60Å, depositada sobre una oblea de silicio oxidada. Las películas fueron utilizadas para construir los sensores de la deformación con una sensibilidad más alta de la deformación que las películas contínuas. Resumen Para obtener imágenes de la calidad, es crítico que el daño de la punta del microscopio no la superficie que es explorada pero que él contacto la superficie para obtener mediciones de alta resolución. Aquí es donde la proyección de imagen de TappingMode sobresale. Para muchos materiales, esta técnica proporciona a posible más de alta resolución sin daño de la muestra. La proyección de imagen de TappingMode ha abierto una amplia variedad de aplicaciones y continúa desplegar la aplicabilidad de SPM a los nuevos materiales y superficies. Más en Fuerzas de la Punta-Muestra en TappingMode Una de las ventajas dominantes de la proyección de imagen de TappingMode sobre el contacto convencional AFM es las fuerzas inferiores generadas durante la exploración. Porque la punta hace contacto con solamente la superficie abreviadamente durante cada oscilación, hay fuerzas friccionales no laterales aplicadas a la muestra por la punta que puede rasgar la muestra, tuerce datos o entorpece la punta. La fuerza abreviada del contacto es menos de uno pudo preveer. En TappingMode el voladizo se oscila en o cerca de su frecuencia resonante. Una Vez Que la amplitud voladiza se estabiliza en el punto de ajuste deseado, la muestra debe absorber solamente la pequeña fuerza debido a la amplitud creciente durante un único ciclo de la oscilación; es decir, el tiempo entre dos “golpecitos consecutivos.” Porque los voladizos usados en TappingMode tienen un factor de alta calidad (“Q "), la amplitud ganada en un ciclo está solamente sobre 0.01nm bajo condiciones típicas de la proyección de imagen. La fuerza debido a este pequeño aumento de la amplitud se puede absorber por la gran mayoría de muestras sin daño para inclinar o para muestrear. Debido a estas fuerzas apacibles de la exploración, TappingMode se ha utilizado con éxito reproductivo a la imagen las muestras tales como los polímeros, la fotoprotección y la DNA cruda, así como numeroso otras muestras frágiles. También, tenemos repetidor reflejado el microroughness del angstrom-nivel de la misma región de 1m m de una oblea de silicio contínuo durante un período de 24 horas sin la degradación de la imagen o dañamos a la muestra. Finalmente, el voladizo se oscila en las frecuencias de 50KHz a 500KHz. En estas frecuencias, muchas superficies sienten bien al stiff (viscoelástico) y pueden resistir más fácilmente fuerzas de la punta de la antena. Esta propiedad más futura reduce la posibilidad del daño de la muestra para las muestras extremadamente suaves tales como polímeros, especímenes biológicos, y otros y causa menos distorsión de la muestra debido a las fuerzas de la punta. |