| TappingMode イメージ投射は柔らかく、付着力または壊れやすいサンプルの原子 (AFM)力の顕微鏡検査の主前進です。 この特許を取られた技術は他の AFM の技術によって容易に、基板に緩く保持されて、または画像に別の方法で困難損なわれるサンプル表面の高リゾリューションの地勢イメージ投射を可能にします。 具体的には、 TappingMode は摩擦、付着、静電気力および慣習的な AFM の走査方法を苦しめることができる他の難しさと関連付けられる問題を克服します。 技術はいろいろサンプルの高リゾリューションイメージ投射のための非常に成功したを含む証明しました: - シリコンの薄片の表面
- 薄膜
- 金属および絶縁体
- 光硬化性樹脂
- ポリマー
- 生物的サンプル
- そして多数の他。
図 1. telopeptides のない浄化されたコラーゲンの単量体およびオリゴマーの分子の TappingMode の画像。 TappingMode はイメージ投射にこれらの表面を周囲の空気か液体で定期的にさせ、 AFM の技術の重要な前進を表します。 2 つの慣習的な走査方式は材料の範囲のためにさまざまな成功と - 接触モードおよび無接触モード - しばらくの間使用されてしまいました。 それぞれに後で論議され、 TappingMode のスキャンと対比される限定があります。 従来の方法 慣習的な接触モード AFM (図 2) は表面を渡って、プローブの先端単に引張られ、生じる画像はサンプルの表面の地形図です。 この技術は多くのサンプルのために非常に正常な間、ある深刻な欠点があります。 先端と表面間の粘着力と結合されるプローブの先端の抗力動きによりサンプルへの実質損害を引き起こし、イメージ・データで人工物を厳密に調べ、作成できます。 
接触モード、無接触モードおよび TappingMode のスキャンの図 2. 比較技術。 接触モードイメージ投射は (残っている) サンプルを傷つけ、イメージ・データを歪めることができる摩擦および粘着力によって重く影響を及ぼされます。 無接触イメージ投射 (中心) は一般に低分解能を提供し、また振動と干渉できる汚染物の層妨げられる可能性があります。 TappingMode イメージ投射は (右の) 十分な振幅との断続的に表面に連絡し、汚染物の層から除去します先端が付着力のメニスカス力によって引っ掛かることを防ぐために振動によって摩擦力を。 画像の下のグラフは本当らしいイメージ・データを表しま 3 つの技術に起因します。 周囲の空気の状態の下で、ほとんどの表面は普通厚く複数のナノメーターである吸着されたガス (凝縮させた水蒸気および他の汚染物) の層カバーされます。 スキャンの先端がこの層に触れるとき、毛細管現象によりメニスカスは形作ります、表面張力は層 (図 3) に片持梁を引っ張ります。 先端およびサンプルの引っ掛けられた充電は追加粘着力を貢献できます。 これらはスキャンの動きによって下り力サンプルの全面的な力を、引き起こされる側面せん断力と結合されたとき高め、測定データを歪め、表面機能の動きまたは引き裂くことを含むサンプルへの厳しい損害を、与えることができます。 
図 3。 接触 AFM では、吸着されたガスの層からの静電気および/または表面張力力は表面の方にスキャンの先端を引っ張ります。 何人かの研究者は液体で浸るサンプルとの動作の AFMs によって粘着力と関連付けられる問題を克服しました。 液体でスキャンするとき、接触モードの全面的な力は流動層/メニスカスがないし、静電気が力散るか、または選別することができるので周囲の空気でより低いです。 ただし、水和させたサンプルが頻繁に乾燥されたサンプルより大幅に柔らかいので、力を追跡することはまだスキャンのプローブによってサンプルの変形や動きによる減らされた画像の品質およびサンプル損害を与えることができます。 さらに、多くのサンプルは、半導体ウエハーのような液体で、事実上浸すことができません。 この問題を避ける試みはプローブが小さい間隔サンプル (図 2) の上の保持される無接触モードです。 先端とサンプルの間で機能するヴァン魅力的な der Waals 力は検出され、地勢画像は表面の上の先端のスキャンによって組み立てられます。 残念ながら、サンプルからのヴァン魅力的な der Waals 力は先端とサンプル間の小さい力を検出するのに AC 検出方法が使用することができるように先端が小さい振動を与えられなければならないこと弱い接触モードによって - そう実際は使用される力より大幅に弱いです。 引力はまた吸着されたガスの層が大部分の有用な範囲を占めるかもしれない表面からの小さい間隔だけ拡張します。 それ故に、サンプル先端の分離が正常に維持される時でさえ、無接触モードは接触か TappingMode より大幅に低分解能を提供します。 実際には、プローブは吸着されたガスのによってサンプル表面に頻繁に」接触の技術によって引き起こされるそれに類似した使用不可能なデータおよびサンプル損傷に終る表面張力、引かれます。 さらに、無接触モードはヴァン der Waals 力が今より小さいので一般に液体の定期的なスキャン、生物的サンプルのための相当な限定のために特に実際的でないです。 空気の TappingMode イメージ投射 TappingMode イメージ投射は互い違いに先端を表面と接触して置き、表面を渡る先端を引張ることを避けるように表面を離れて先端を持ち上げることによって慣習的な走査方式の限定を高リゾリューションを提供するために克服します。 TappingMode イメージ投射は周囲の空気で圧電気水晶を使用して片持梁の共振周波数でまたはその近辺の振動によって片持梁アセンブリ実行されます。 先端が表面と接触してないとき piezo 動きにより片持梁は高い振幅 (20nm より 「自由大気」の振幅、普通大きい) と振動します。 振動の先端は表面の方にそれから軽く触れ始めるまたは表面を 「叩いて下さい」まで移動されます。 スキャンの間に、縦に振動の先端によっては互い違いに表面が接触し、 50,000 から 500,000 サイクル/秒の頻度で、一般に離れます。 振動の片持梁が断続的に表面に接触し始めると同時に片持梁振動は必ずしも減ります (表面に接触する先端によって引き起こされるエネルギー損失による図 4)。 振動の振幅の減少が表面機能を識別し、測定するのに使用されています。 
自由大気のそしてスキャンの間の図 4. TappingMode の片持梁振動の振幅。 TappingMode 操作の間に、片持梁振動の振幅はフィードバックループ (図 5) によって維持された定数行います。 
TappingMode 操作のための図 5. ブロックダイヤグラム。 最適の振動の頻度の選択は助けられるソフトウェアであり、サンプルの力は最も低く可能なレベル (表 1 および図 6) で自動的にセットされ、維持されます。 表 1. の TappingMode の指定。 | | | | 周波数範囲を運転して下さい | 10KHz への 1MHz | | 電圧範囲を運転して下さい | 1mVppRMS の騒音レベルとの 0-20V | | 振幅および頻度調節を運転して下さい | 選ばれるデジタル。 TappingMode パラメータのソフトウェア制御そして表示は、半自動の画面上の最適化速く割り当てます。 | | 探知器 | RMS に DC 振幅の探知器は段階imdependent の振幅のシグナルを提供します; 騒音レベル > 0.5Å RMS | | 片持梁 | エッチングされたケイ素の片持梁; 60-400KHz 共振周波数 | | 先端サンプルアプローチ | モーターを備えられたサンプルアプローチは最も低く可能な追跡力で TappingMode 操作に自動的に片持梁を持って来ます | 
図 6。 片持梁調子スクリーンは最適 TappingMode の振動の頻度の選択のオペレータを助けます。 先端が表面の隆起を渡るとき、片持梁は振動するより少ない部屋を備え、振動の振幅は減ります。 逆に先端が不況を渡るとき、片持梁に振動するより多くの部屋および振幅の増加があります (最大自由大気の振幅に近づく)。 先端の振動の振幅は NanoScope III のコントローラの電子工学への探知器そして入力によって測定されます。 デジタルフィードバックループはそれからサンプルの一定した振幅そして力を維持するために先端サンプル分離を調節します。 TappingMode は本来先端が表面へのスタックし、スキャンの間に損害を与えることを防ぎます。 接触および無接触モードとは違って、先端によっては表面が接触するとき、先端サンプル付着力を克服する十分な振動の振幅があります。 また、表面材料はせん断力によって応用力が縦常にであるので横に引っ張られません。 TappingModetechnique のもう一つの利点は大きい、線形動作範囲 (図 7) です。 これは縦のフィードバックシステムを非常に安定したようにしま、定期的で再生可能なサンプル測定を許可します。 TappingMode イメージ投射を論議する複数の参照はこのアプリケーションノートの端にリストされています。 
TappingMode のための大きい線形動作範囲の図 7. 比較対無接触モードのための小さい動作範囲。 液体の TappingMode イメージ投射 同じような利点は液体の TappingMode 操作と実現されます。 この場合しかし流動媒体は片持梁の正常な共振周波数を弱めがちです。 その代り振動に片持梁を運転するために、全体の流動セルは振動することができます。 適切な頻度が (通常 5,000 から 40,000 サイクル/秒の範囲で) 選ばれる場合、片持梁の振幅は先端がサンプルを叩き始める場合空気の TappingMode 操作に類似した減ります。 一度片持梁は振動、一定した振動の振幅を維持するためにデジタルフィードバックシステムが先端の位置を調節する NanoScope III にセットされます。 再度空気でように、振動の片持梁はサンプルの摩擦およびせん断力を除去します。 さらに、繰返して表面に連絡し、先端を引っ張るプロセスは高いレートで追跡力が最小値に維持された定数であるようにします。 TappingMode は時間の節約および改善された画像および測定の品質に終って接触モードで熱ドリフトによって、引き起こされる力の不安定な状態を避けます。 200pN よりより少しの安定したイメージ投射力は TappingMode 操作の間に測定されました。 例 図 8 から 14 はイメージ投射のための TappingMode の機能をいろいろ柔らかい表面説明します。 図 8 から 10 は TappingMode の両方の環境の相関的で慣習的な接触モードのための画像の品質の劇的な改善を説明する液体および空気両方で視覚化された生物的サンプルを示します。 
図 8. TappingMode の画像はマラリアの寄生虫の trypanozome からの kinetoplast DNA の空気でスキャンしました。 
接触モード (残っている) およびスキャンされる液体 (バッファ) の RNAポリメラーゼの TappingMode の (右の) 画像の図 9. 比較。 低い力の液体の接触モードに共通縞および haziness が TappingMode の流動画像にないことに注目して下さい。 
視覚化された水の TappingMode の雲母の図 10. Lambda 後部の III DNA。 サンプルは損傷なしで 1 時間以上絶えずスキャンされました。 - スキャンが完了できる前に 1 分以下に損害を与えられる同じ材料の接触モードのスキャン。 図 11 は隣り合わせの比較を使用して TappingMode の半導体材料のための相関的な接触モードの機能を説明します。 
(a) 
(b) 同じ (100 つの) エピタキシアルウエファーのための図 11. (a) 接触そして (b) TappingMode の画像。 いずれの場合も、左の画像は最初に撮られ、視覚化された最初のスキャンに領域を含めるためにスキャンサイズはすぐに倍増し、再スキャンしました。 TappingMode の画像は表面の変化およびよりよい解像度を示しません。 逆に、最初のスキャンの損なわれた領域は図 11a の権利で容易に見ることができます。 接触モードイメージ投射はケイ素の表面のために非常に矛盾しています; この場合材料はスキャンの先端によって他の場合、追加酸化物の成長かより微妙な変更は行われるかもしれないが、取除かれました。 ほとんどの研究者が損傷があるかどうかより低い拡大で影響を受けた領域の再スキャンによって点検しないのでこのタイプの表面の変化は頻繁に探知されていなく行きます。 図 12 から 14 はポリマーおよび 2 つの薄膜のための TappingMode の画像です。 
図 12。 ショッピング・バッグからの高密度ポリエチレンの TappingMode の画像。 画像の構造はおよそ 30nm 厚くおよび引張強さを高めるために同じ方向で方向づけられるすべてのポリマー薄板です。 この構造は接触モードと機能が表面を渡って引張る先端によって変わったので見ることができませんでした。 675nm スキャン。 
図 13。 化学蒸気によって沈殿させる (CVD)ダイヤモンドのフィルム。 フィルムの形成の間に、ダイヤモンドの種結晶は薄膜を作り出すために成長が始められる CVD の沈殿区域に置かれるシリコンの薄片に置かれます。 この画像は成長の早い開始でフィルムを示します。 TappingMode の技術はプロフィールに水晶表面の種結晶を移動することを避けるためにより正確に使用され。 
図 14。 酸化させたシリコンの薄片に沈殿する厚く熱的に蒸発させた金のフィルム、 60Å。 フィルムが連続的なフィルムより高い緊張の感度の緊張センサーを構築するのに使用されました。 概要 品質の画像を得るため、重大ことは顕微鏡の先端のない損傷高リゾリューションの測定を得ることをスキャンする表面しかしことそれ接触表面です。 これは TappingMode イメージ投射が勝るところです。 多くの材料のために、この技術はサンプル損傷なしで高リゾリューションの可能の提供します。 TappingMode イメージ投射はいろいろアプリケーションを開き、新しい材料および表面に SPM の適用の可能性を拡大し続けます。 TappingMode の先端サンプル力の多く 慣習的な接触 AFM 上の TappingMode イメージ投射の主利点の 1 つはスキャンの間に生成される低い力です。 表面が各振動の間だけに先端によってが簡潔に接触するので、サンプルを引き裂くことができるかデータを歪めるか、または先端を鈍くする先端によってサンプルに加えられる側面摩擦力がありません。 短い接触力は 1 つが期待するかもしれませんよりより少しです。 TappingMode で片持梁は共振周波数でまたはその近辺で振動します。 片持梁振幅が望ましいセット・ポイントで安定すれば、サンプルは単一の振動のサイクルの間に増加された振幅による小さい力だけ吸収しなければなりません; 2 個の連続した 「蛇口間のすなわち、時間」。 TappingMode で使用される片持梁に良質の要因 (「Q」) があるので、 1 つのサイクルで得られる振幅は典型的なイメージ投射条件の下に 0.01nm についてだけあります。 この小さい振幅の増加による力は損傷無しで大部分のサンプルによってひっくり返るか、または見本抽出するために吸収することができます。 これらの穏やかなスキャン力のために、 TappingMode はポリマー、 unbaked 光硬化性樹脂および DNA、また多数のような画像にサンプル他の壊れやすいサンプル再生可能に正常に使用されました。 また、私達に画像の劣化なしで繰返して 24 時間のピリオドにわたるシリコンの薄片の同じ 1mm 領域のオングストロームレベルの microroughness が視覚化された絶えずありましたりまたはサンプルに傷つきます。 最後に、片持梁は 50KHz からの 500KHz への頻度で振動します。 これらの頻度で、多くの表面は役立たずに (粘弾性がある) 似合い、より容易にプローブの先端からの力に抵抗できます。 それ以上のこの特性はポリマー、生物的標本、他のような非常に柔らかいサンプルのためのサンプル損傷の可能性を減らし、先端力によるサンプルのより少ないゆがみを引き起こします。 |