| La représentation de TappingMode est une avance principale dans la microscopie atomique de force (AFM) des échantillons mous, adhésifs ou fragiles. Cette technique brevetée permet la représentation topographique de haute résolution des surfaces témoin qui sont facilement abîmées, desserré retenu sur leur substrat, ou autrement difficile à l'image par d'autres techniques d'AFM. Particulièrement, TappingMode surmonte des problèmes associés avec la friction, l'adhérence, les forces électrostatiques, et d'autres difficultés qui peuvent infester des méthodes de lecture conventionnelles d'AFM. La technique a extrêmement réussi prouvé pour la représentation de haute résolution d'une grande variété d'échantillons comprenant : - surfaces de disque de silicium
- films minces
- métaux et isolants
- vernis photosensible
- polymères
- échantillons biologiques
- et nombreux autres.
Le Schéma 1. image de TappingMode des molécules épurées de monomère et d'oligomère de collagène sans telopeptides. TappingMode rend représentation ces surfaces courantes en air ambiant ou liquide et représente une amélioration significatif en technologie d'AFM. Deux modes de lecture conventionnels - mode de contact et mode de non contact - ont été utilisés pendant quelque temps avec la réussite variable pour un domaine des matériaux. Chacun a les limitations qui sont discutées ci-dessous et contrastées avec la lecture de TappingMode. Méthodes Conventionnelles En mode de contact conventionnel AFM (le Schéma 2), l'extrémité de sonde est simplement frotté en travers de la surface et l'image donnante droit est un plan topographique de la surface de l'échantillon. Tandis Que cette technique a été très réussie pour beaucoup d'échantillons, elle a quelques inconvénients sérieux. Le mouvement de frottement de l'extrémité de sonde, combiné avec les pouvoirs adhésifs entre l'extrémité et la surface, peut endommager substantiel l'échantillon et sonder et produire des artefacts dans des données d'image. 
Le Schéma 2. Comparaison les techniques du mode de contact, du mode de non contact et de TappingMode d'exploration. La représentation de mode de Contact (laissée) est fortement influencée par les pouvoirs de frottement et adhésifs qui peuvent endommager des échantillons et fausser des données d'image. La représentation De Non Contact (centre) généralement fournit à basse résolution et peut également être entravée par la couche de contaminant qui peut gêner la vibration. La représentation de TappingMode (droite) élimine les forces de frottement par intermittence en entrant en contact avec la surface et en oscillant avec l'amplitude suffisante pour empêcher l'extrémité d'être enfermé par les forces adhésives de ménisque de la couche de contaminant. Les graphiques sous les images représentent des données d'image susceptibles résultant des trois techniques. Dans des états d'air ambiant, la plupart des surfaces sont couvertes par une couche de gaz adsorbés (vapeur d'eau condensée et d'autres contaminants) qui est type plusieurs nanomètres profondément. Quand l'extrémité de lecture touche cette couche, l'action capillaire fait former un ménisque et la tension superficielle tire l'encorbellement vers le bas dans la couche (le Schéma 3). La charge électrostatique Enfermée sur l'extrémité et l'échantillon peut contribuer les pouvoirs adhésifs supplémentaires. Ceux-ci les forces de haut en bas augmentent la force générale sur l'échantillon et, une fois combinés avec les forces de cisaillement transversales entraînées par le mouvement de lecture, peuvent fausser des données de mesure et endommager considérablement l'échantillon, y compris le mouvement ou le déchirement des caractéristiques techniques extérieures. 
Le Schéma 3. En contact les forces de tension d'AFM, électrostatique et/ou superficielle de la couche adsorbée de gaz tirent l'extrémité de lecture vers la surface. Quelques chercheurs ont surmonté les problèmes associés avec les pouvoirs adhésifs par AFMs opérant avec l'échantillon immergé dans le liquide. En balayant en liquide, le mode général de forces en contact sont inférieur qu'en air ambiant parce que la couche liquide/ménisque n'est pas présente et des forces électrostatiques peuvent être dissipées ou examinées. Cependant, parce que les échantillons hydratés sont souvent sensiblement plus mous que les échantillons secs, le cheminement des forces peut encore entraîner la qualité des images réduite et les dégâts d'échantillon dus à la déformation et/ou au mouvement de l'échantillon par la lecture sondent. De plus, beaucoup d'échantillons, tels que des disques de semi-conducteur, ne peuvent pas pratique être immergés dans le liquide. Une tentative d'éviter ce problème est le mode de non contact en lequel la sonde est retenue une petite distance au-dessus de l'échantillon (le Schéma 2). Des forces Attrayantes de Van der Waals agissant entre l'extrémité et l'échantillon sont trouvées, et des images topographiques sont construites en balayant l'extrémité au-dessus de la surface. Malheureusement, les forces attrayantes de Van der Waals de l'échantillon sont sensiblement plus faibles que les forces employées par le mode de contact - si faible en fait que l'extrémité doit être donnée une petite vibration de sorte que des méthodes de dépistage À C.A. puissent être employées pour trouver les petites forces entre l'extrémité et l'échantillon. Les forces attrayantes étendent également seulement une petite distance de la surface, où la couche adsorbée de gaz peut occuper une grande part de leur domaine utile. Par Conséquent, même lorsque la séparation d'extrémité d'échantillon est avec succès mise à jour, le mode de non contact fournit sensiblement plus à basse résolution que le contact ou le TappingMode. Dans la pratique, la sonde est fréquemment tirée sur la surface témoin la tension superficielle par gaz adsorbés', ayant pour résultat les dégâts inutilisables de données et d'échantillon assimilés à cela provoqué par la technique de contact. De plus, le mode de non contact est généralement irréaliste pour la lecture courante en liquide parce que les forces de Van der Waals sont maintenant encore plus petites, une limitation substantielle pour des échantillons biologiques en particulier. Représentation de TappingMode en Air La représentation de TappingMode surmonte les limitations des modes de lecture conventionnels en mettant alterne l'extrémité en contact avec la surface pour fournir la haute résolution et en soulevant alors l'extrémité hors de la surface pour éviter de frotter l'extrémité en travers de la surface. La représentation de TappingMode est mise en application en air ambiant en oscillant l'assemblage en porte-à-faux à ou près de la fréquence de résonance de l'encorbellement utilisant un cristal piézoélectrique. Le mouvement piézo-électrique fait osciller l'encorbellement avec une amplitude élevée (l'amplitude « d'air libre », en général plus grandes que 20nm) quand l'extrémité n'est pas en contact avec la surface. L'extrémité de oscillation est alors déménagée vers la surface jusqu'à ce qu'elle commence à toucher légèrement, ou « filetez » la surface. Pendant la lecture, l'extrémité verticalement de oscillation alterne entre en contact avec la surface et enlève, généralement à une fréquence de 50.000 à 500.000 cycles par seconde. Car l'encorbellement de oscillation commence à entrer en contact avec par intermittence la surface, la vibration en porte-à-faux est forcément réduite (le Schéma 4) dû à la déperdition d'énergie provoquée par l'extrémité entrant en contact avec la surface. La réduction de l'amplitude de vibration est employée pour recenser et mesurer les caractéristiques techniques extérieures. 
Le Schéma 4. amplitude en porte-à-faux de vibration de TappingMode en air libre et pendant la lecture. Pendant le fonctionnement de TappingMode, l'amplitude en porte-à-faux de vibration est constante mise à jour par une boucle de contre-réaction (le Schéma 5). 
Le Schéma 5. schéma fonctionnel Pour le fonctionnement de TappingMode. La Sélection de la fréquence optimale de vibration est logiciel aidé et la force sur l'échantillon est automatiquement réglée et mise à jour au niveau le plus bas possible (Tableau 1 et Schéma 6). Caractéristiques de TappingMode du Tableau 1. | | | | Pilotez la Plage de Fréquence | 10KHz à 1MHz | | Pilotez la Chaîne de Tension | 0-20Vppavec le niveau sonore de 1mV RMS | | Pilotez le Réglage d'Amplitude et de Fréquence | Digital sélectée. Le Contrôle du logiciel et l'affichage des paramètres de TappingMode laisse rapidement, optimisation à l'écran semi-automatisée. | | Détecteur | Le détecteur de l'amplitude RMS-à-C.C fournit le signe d'amplitude de phase-imdependent ; Niveau Sonore > 0.5Å RMS | | Encorbellements | Encorbellements Corrodés de silicium ; fréquences de résonance 60-400KHz | | Élan d'Extrémité-Échantillon | L'élan Motorisé d'échantillon introduit automatiquement l'encorbellement dans le fonctionnement de TappingMode à la force de cheminement la plus faible possible | 
Le Schéma 6. L'écran en porte-à-faux d'air aide la téléphoniste en sélectant la fréquence optima de vibration de TappingMode. Quand l'extrémité réussit au-dessus d'une mémoire annexe dans la surface, l'encorbellement a moins de chambre d'osciller et l'amplitude de vibration diminue. Réciproquement, quand l'extrémité réussit au-dessus d'une dépression, l'encorbellement a plus de chambre d'osciller et les augmentations d'amplitude (approchant l'amplitude maximum d'air libre). L'amplitude de vibration de l'extrémité est mesurée par le détecteur et la puissance d'entrée à l'électronique de Contrôleur de NanoScope III. La boucle de contre-réaction digitale règle alors la séparation d'extrémité-échantillon pour mettre à jour une amplitude et une force constantes sur l'échantillon. TappingMode empêche par nature l'extrémité de coller à la surface et d'endommager pendant la lecture. À La Différence du contact et des modes de non contact, quand l'extrémité entre en contact avec la surface, il a l'amplitude suffisante de vibration pour surmonter les forces d'adhérence d'extrémité-échantillon. En Outre, le matériau extérieur n'est pas tiré de côté par des forces de cisaillement puisque la force appliquée est toujours verticale. Un Autre avantage du TappingModetechnique est sa plage étendue et linéaire de fonctionnement (le Schéma 7). Ceci rend le système de contrôle par retour de l'information vertical hautement stable, permettant des mesures reproductibles courantes d'échantillon. Plusieurs références qui discutent la représentation de TappingMode sont cotées à l'extrémité de cette note d'application. 
Le Schéma 7. Comparaison de la plage linéaire étendue de fonctionnement pour TappingMode contre la petite plage de fonctionnement pour le mode de non contact. Représentation de TappingMode en Liquide Des avantages Assimilés sont réalisés avec le fonctionnement de TappingMode en liquide. Dans ce cas, cependant, le support liquide tend à mouiller la fréquence de résonance normale de l'encorbellement. Au Lieu De Cela, la cellule liquide entière peut être oscillée pour piloter l'encorbellement dans la vibration. Quand une fréquence appropriée est sélectée (habituellement de l'ordre de 5.000 à 40.000 cycles par seconde), l'amplitude de l'encorbellement diminuera quand l'extrémité commence à fileter l'échantillon, assimilé au fonctionnement de TappingMode en air. Une Fois l'encorbellement est réglé dans la vibration, le NanoScope III le système de contrôle par retour de l'information que digital règle la position de l'extrémité pour mettre à jour une amplitude constante de vibration. De Nouveau comme en air, l'encorbellement de oscillation élimine les forces de frottement et de cisaillement sur l'échantillon. De plus, le procédé répétitivement d'entrer en contact avec la surface et de tirer l'extrémité hors circuit à un haut débit permet à la force de cheminement d'être constante mise à jour à une valeur minimum. TappingMode évite les instabilités de force provoquées par mode thermique de chassoir en contact, ayant pour résultat l'épargne de temps et la qualité améliorée d'image et de mesure. Des forces Stables de représentation de moins que 200pN ont été mesurées pendant le fonctionnement de TappingMode. Exemples Les Schémas 8 à 14 montrent les capacités de TappingMode pour la représentation un grand choix de surfaces molles. Les Schémas 8 à 10 affichent des échantillons biologiques imagés en liquide et air, illustrant l'amélioration spectaculaire de la qualité des images pour à mode de contact conventionnel relatif de TappingMode dans les deux environnements. 
Le Schéma 8. image de TappingMode a balayé en air du kinétoplaste ADN du trypanozome d'un parasite malarique. 
Le Schéma 9. Comparaison du mode de contact (laissé) et images de TappingMode (des bonnes) de la Polymérase ARN balayées en liquide (tampon). Notez que les stries et la nébulosité communes même au mode de contact liquide de force faible ne sont pas présentes dans l'image liquide de TappingMode. 
Le Schéma 10. Lambda III De Derrière ADN imagé sur le mica avec TappingMode dans l'eau. L'échantillon a été balayé continuellement pour plus d'une heure sans dégâts. Lecture de mode de Contact du même matériau endommagé en moins d'une mn - avant que l'échographie pourrait être remplie. Le Schéma 11 montre les capacités de à mode de contact relatif de TappingMode pour des matériaux de semi-conducteur utilisant côte à côte des comparaisons. 
(a) 
(b) Le Schéma 11. (a) Contact et (b) images de TappingMode pour les même (100) disques épitaxiaux. Dans les deux cas, l'image gauche a été prise d'abord et la taille d'échographie a été immédiatement doublée et rebalayée pour comprendre la zone imagée dans la première échographie. Les images de TappingMode n'affichent aucun changement extérieur et meilleure définition. Réciproquement, la zone abîmée de la première échographie peut être facilement vue du côté droit dans la Figure 11a. La représentation de mode de Contact est extrêmement intermittente pour des surfaces de silicium ; dans ce cas du matériau a été enlevé par l'extrémité de lecture, alors que dans d'autres cas, accroissement supplémentaire d'oxyde ou des modifications plus subtiles peuvent se produire. Ce type de changement extérieur va souvent non détecté puisque la plupart des chercheurs ne vérifient pas les dégâts en rebalayant la zone affectée à l'agrandissement inférieur. Les Schémas 12 à 14 sont des images de TappingMode pour un polymère et deux films minces. 
Le Schéma 12. Image de TappingMode de polyéthylène haute densité d'un sac à provisions. Les structures dans l'image sont les lamelles de polymère qui sont environ 30nm profondément et tous installés dans le même sens pour augmenter la résistance à la traction. Cette structure ne pourrait pas être vue avec le mode de contact puisque les caractéristiques techniques ont été modifiées par l'extrémité frottant en travers de la surface. échographie 675nm. 
Le Schéma 13. Film de diamant déposé (CVD) par vapeur Chimique. Pendant la formation de film, des cristaux de graine du diamant sont mis sur un disque de silicium qui est alors mis dans la cavité de dépôt de CVD en laquelle l'accroissement est initié pour produire le film mince. Cette image affiche le film à l'initiation précoce de l'accroissement. La technique de TappingMode a été utilisée plus exactement au profil les cristaux et pour éviter de déménager les cristaux de graine sur la surface. 
Le Schéma 14. Film profondément Thermiquement évaporé d'or, 60Å, déposé sur un disque de silicium oxydé. Les films ont été employés pour établir des senseurs de tension avec une sensibilité plus élevée de tension que les films continus. Résumé Pour obtenir des images de qualité, il est critique que les dégâts d'extrémité de microscope pas la surface étant balayée mais qu'il contact la surface pour obtenir des mesures de haute résolution. C'est où la représentation de TappingMode excelle. Pour beaucoup de matériaux, cette technique fournit le possible le plus de haute résolution sans dégâts d'échantillon. La représentation de TappingMode a ouvert une grande variété d'applications et continue à augmenter les possibilités d'application de SPM aux matériaux et aux surfaces neufs. Plus sur des Forces d'Extrémité-Échantillon dans TappingMode Un des avantages clé de la représentation de TappingMode au-dessus du contact conventionnel AFM est les forces faibles produites pendant la lecture. Puisque l'extrémité entre en contact avec seulement la surface brièvement pendant chaque vibration, il n'y a les forces de frottement pas transversales appliquées à l'échantillon par l'extrémité qui peut déchirer l'échantillon, fausse des données ou alourdit l'extrémité. La brève force de contact est moins de l'on a pourrait prévoir. Dans TappingMode l'encorbellement est oscillé à ou près de sa fréquence de résonance. Une Fois Que l'amplitude en porte-à-faux est stabilisée au de point de consigne désiré, l'échantillon doit absorber seulement la petite force due à l'amplitude accrue pendant un cycle unique de vibration ; c.-à-d., le temps entre deux « prises consécutives. » Puisque les encorbellements utilisés dans TappingMode ont un facteur de haute qualité (« Q "), l'amplitude gagnée dans un cycle est seulement au sujet de 0.01nm dans des conditions particulières de représentation. La force due à cette petite augmentation d'amplitude peut être absorbée à l'immense majorité d'échantillons sans les dégâts pour diriger ou échantillonner. À cause de ces forces douces de lecture, TappingMode a été utilisé avec succès reproductible à l'image des échantillons tels que les polymères, le vernis photosensible et l'ADN, ainsi que nombreux non cuits d'autres échantillons fragiles. En Outre, nous avons répétitivement imagé le microroughness niveau de l'angström de la même région de 1mm d'un disque de silicium continuellement sur une période de 24 heures sans dégradation de l'image ou endommageons à l'échantillon. En Conclusion, l'encorbellement est oscillé aux fréquences de 50KHz à 500KHz. À ces fréquences, beaucoup de surfaces vont bien au stiff (visco-élastique) et peuvent plus facilement résister à des forces de l'extrémité de sonde. Cette propriété autre réduit la possibilité des dégâts d'échantillon pour les échantillons extrêmement mous tels que des polymères, des spécimens biologiques, et d'autres et entraîne moins de déformation de l'échantillon dû aux forces d'extrémité. |