| A imagem lactente de TappingMode é um avanço chave na microscopia atômica da força (AFM) de amostras macias, adesivas ou frágeis. Esta técnica patenteada permite a imagem lactente topográfica de alta resolução das superfícies da amostra que são danificadas facilmente, guardarado frouxamente a sua carcaça, ou de outra maneira difícil à imagem por outras técnicas do AFM. Especificamente, TappingMode supera os problemas associados com a fricção, a adesão, as forças electrostáticas, e as outras dificuldades que podem flagelar métodos de exploração convencionais do AFM. A técnica provou extremamente bem sucedido para a imagem lactente de alta resolução de uma grande variedade de incluir das amostras: - superfícies da bolacha de silicone
- filmes finos
- metais e isoladores
- fotoresistente
- polímeros
- amostras biológicas
- e outro numerosos.
Figura 1. imagem de TappingMode de moléculas refinadas do monómero e do oligómero do colagénio sem telopeptides. TappingMode faz imagem lactente estas superfícies rotineiras no ar ambiental ou nos líquidos e representa um avanço significativo na tecnologia do AFM. Dois modos de exploração convencionais - modo de contacto e modo do não-contacto - foram usados por algum tempo com sucesso de variação para uma escala dos materiais. Cada Um tem as limitações que são discutidas abaixo e contrastadas com exploração de TappingMode. Métodos Convencionais No modo de contacto convencional AFM (Figura 2), a ponta da ponta de prova é arrastada simplesmente através da superfície e a imagem resultante é um mapa topográfico da superfície da amostra. Quando esta técnica for muito bem sucedida para muitas amostras, tem alguns inconvenientes sérios. O movimento de arrasto da ponta da ponta de prova, combinado com as forças adesivas entre a ponta e a superfície, pode causar dano substancial à amostra e sondar e criar produtos manufacturados em dados de imagem. 
Figura 2. Comparação do modo de contacto, do modo do não-contacto e de exploração de TappingMode técnicas. A imagem lactente do modo de Contacto (deixada) é influenciada pesadamente pelas forças de fricção e adesivas que podem danificar amostras e distorcer dados de imagem. a imagem lactente do Não-Contacto (centro) geralmente fornece a baixa definição e pode igualmente ser impedida pela camada do contaminador que pode interferir com a oscilação. A imagem lactente de TappingMode (direita) elimina forças de fricção intermitentemente contactando a superfície e oscilando com suficiente amplitude para impedir que a ponta esteja prendida por forças adesivas do menisco da camada do contaminador. Os gráficos sob as imagens representam dados de imagem prováveis resultando das três técnicas. Sob condições do ar ambiental, a maioria de superfícies são cobertas por uma camada de gáss fixados (vapor de água condensado e outros contaminadores) que seja tipicamente diversos nanômetros densamente. Quando a ponta da exploração toca nesta camada, a acção capilar faz com que um menisco forme e a tensão de superfície puxa o modilhão para baixo na camada (Figura 3). A carga electrostática Prendida na ponta e na amostra pode contribuir forças adesivas adicionais. Estes forças descendentes aumentam a força total na amostra e, quando combinados com as forças de tesoura laterais causadas pelo movimento da exploração, podem distorcer dados da medida e causar dano severo à amostra, incluindo o movimento ou o rasgo das características de superfície. 
Figura 3. No contacto AFM, as forças da tensão electrostática e/ou de superfície da camada fixada do gás puxam a ponta da exploração para a superfície. Alguns pesquisadores superaram os problemas associados com as forças adesivas por AFMs de funcionamento com a amostra imergida no líquido. Ao fazer a varredura nos líquidos, as forças totais no modo de contacto são mais baixas do que no ar ambiental porque a camada fluida/menisco não está actual e as forças electrostáticas podem ser dissipadas ou seleccionado. Contudo, porque as amostras hidratadas são frequentemente substancialmente mais macias do que amostras secadas, seguir forças pode ainda causar a qualidade reduzida da imagem e dano da amostra devido à deformação e/ou ao movimento da amostra pela ponta de prova da exploração. Além, muitas amostras, tais como bolachas de semicondutor, não podem praticamente ser imergidas no líquido. Uma tentativa de evitar este problema é o modo do não-contacto em que a ponta de prova é realizada a uma distância pequena acima da amostra (Figura 2). As forças Atractivas de Van der Waals que actuam entre a ponta e a amostra são detectadas, e as imagens topográficas são construídas fazendo a varredura a ponta acima da superfície. Infelizmente, as forças atractivas de Van der Waals da amostra são substancialmente mais fracas do que as forças usadas pelo modo de contacto - tão fraco de facto que a ponta deve ser dada uma oscilação pequena de modo que os métodos de detecção da C.A. possam ser usados para detectar as forças pequenas entre a ponta e a amostra. As forças atractivas igualmente estendem somente uma distância pequena da superfície, onde a camada fixada do gás pode ocupar uma grande fracção de sua escala útil. Daqui, mesmo quando a separação da ponta de amostra é mantida com sucesso, o modo do não-contacto fornece uma definição substancialmente mais baixa do que o contacto ou o TappingMode. Na prática, a ponta de prova é desenhada freqüentemente à superfície da amostra a tensão de superfície pelos gáss fixados', tendo por resultado dano inusável dos dados e da amostra similar àquele causado pela técnica do contacto. Além, o modo do não-contacto é geralmente pouco prático para a exploração rotineira nos líquidos porque as forças de Van der Waals são agora mesmo menores, uma limitação substancial para amostras biológicas em particular. Imagem Lactente de TappingMode no Ar A imagem lactente de TappingMode supera as limitações dos modos de exploração convencionais alternadamente colocando a ponta em contacto com a superfície para fornecer a alta resolução e então desprendendo a ponta a superfície para evitar arrastar a ponta através da superfície. A imagem lactente de TappingMode é executada no ar ambiental oscilando o conjunto do modilhão em ou perto da freqüência ressonante do modilhão usando um cristal piezoeléctrico. O movimento piezo faz com que o modilhão oscile com uma amplitude alta (“a amplitude do ar livre”, tipicamente maiores do que 20nm) quando a ponta não é em contacto com a superfície. A ponta de oscilação está movida então para a superfície até que comece a tocar levemente, ou “bata” a superfície. Durante a exploração, a ponta verticalmente de oscilação alternadamente contacta a superfície e tira-a, geralmente em uma freqüência de 50.000 a 500.000 por segundo dos ciclos. Porque o modilhão de oscilação começa a contactar intermitentemente a superfície, a oscilação do modilhão é necessariamente (Figura 4) reduzido devido à perda de energia causada pela ponta que contacta a superfície. A redução na amplitude da oscilação é usada para identificar e medir as características de superfície. 
Figura 4. amplitude da oscilação do modilhão de TappingMode no ar livre e durante a exploração. Durante a operação de TappingMode, a amplitude da oscilação do modilhão é constante mantida por um laço de feedback (Figura 5). 
Figura 5. diagrama de Bloco para a operação de TappingMode. A Selecção da freqüência óptima da oscilação é software ajudado e a força na amostra automaticamente é ajustada e mantida a mais baixo nível possível (Tabela 1 e Figura 6). Especificações de TappingMode da Tabela 1. | | | | Conduza a Escala de Freqüência | 10KHz a 1MHz | | Conduza a Escala da Tensão | 0-20Vppcom nível de ruído de 1mV RMS | | Conduza o Ajuste da Amplitude e da Freqüência | Digital selecionada. O controle do Software e o indicador de parâmetros de TappingMode reservam rapidamente, optimização no ecrã semi-automatizada. | | Detector | O detector da amplitude RMS-à-C.C. fornece o sinal da amplitude da fase-imdependent; Nível de Ruído > 0.5Å RMS | | Modilhões | Modilhões Gravados do silicone; freqüências 60-400KHz ressonantes | | Aproximação da Ponta-Amostra | A aproximação Motorizada da amostra traz automaticamente o modilhão na operação de TappingMode na mais baixa força de seguimento possível | 
Figura 6. A tela do acordo do modilhão ajuda ao operador em selecionar a freqüência a melhor da oscilação de TappingMode. Quando a ponta passa sobre uma colisão na superfície, o modilhão tem menos sala oscilar e a amplitude da oscilação diminui. Inversamente, quando a ponta passa sobre uma depressão, o modilhão tem mais sala oscilar e os aumentos da amplitude (que aproximam a amplitude máxima do ar livre). A amplitude da oscilação da ponta é medida pelo detector e pela entrada à eletrônica do controlador de NanoScope III. O laço de feedback digital ajusta então a separação da ponta-amostra para manter uma amplitude e uma força constantes na amostra. TappingMode impede inerente que a ponta cole à superfície e cause dano durante a exploração. Ao Contrário dos modos do contacto e do não-contacto, quando a ponta contacta a superfície, tem a suficiente amplitude da oscilação para superar as forças da adesão da ponta-amostra. Também, o material de superfície não é puxado lateralmente por forças de tesoura desde que a força aplicada é sempre vertical. Uma Outra vantagem do TappingModetechnique é sua grande, escala de funcionamento linear (Figura 7). Isto faz o sistema de feedback vertical altamente estável, permitindo medidas reprodutíveis rotineiras da amostra. Diversas referências que discutem a imagem lactente de TappingMode estão listadas na extremidade desta nota de aplicação. 
Figura 7. Comparação da grande escala de funcionamento linear para TappingMode contra a escala de funcionamento pequena para o modo noncontact. Imagem Lactente de TappingMode nos Líquidos As vantagens Similares são realizadas com operação de TappingMode nos líquidos. Neste caso, contudo, o media fluido tende a umedecer a freqüência ressonante normal do modilhão. Em Lugar De, a pilha fluida inteira pode ser oscilada para conduzir o modilhão na oscilação. Quando uma freqüência apropriada está seleccionada (geralmente na escala de 5.000 a 40.000 por segundo dos ciclos), a amplitude do modilhão diminuirá quando a ponta começa a bater a amostra, similar à operação de TappingMode no ar. Uma Vez Que o modilhão é ajustado na oscilação, o sistema de feedback digital de NanoScope III ajusta a posição da ponta para manter uma amplitude constante da oscilação. Outra Vez como no ar, o modilhão de oscilação elimina forças de fricção e de tesoura na amostra. Além, o processo repetitiva de contactar a superfície e de puxar a ponta fora em uma taxa alta permite que a força de seguimento seja constante mantida em um valor mínimo. TappingMode evita as instabilidades da força causadas pela tracção térmica no modo de contacto, tendo por resultado economias do tempo e a qualidade melhorada da imagem e da medida. As forças Estáveis da imagem lactente de menos do que 200pN foram medidas durante a operação de TappingMode. Exemplos Figuras 8 a 14 ilustram as capacidades de TappingMode para a imagem lactente uma variedade de superfícies do delicado. Figuras 8 a 10 mostram as amostras biológicas imaged no líquido e no ar, ilustrando a melhoria dramática na qualidade da imagem para o modo de contacto convencional relativo a de TappingMode em ambos os ambientes. 
A Figura 8. imagem de TappingMode fez a varredura no ar do ADN do cinetoplasto do trypanozome de um parasita malárico. 
Figura 9. Comparação do modo de contacto (deixado) e das imagens (direitas) de TappingMode da polimerase de RNA feitas a varredura no líquido (amortecedor). Note que as raias e a indefinição comuns mesmo ao modo de contacto líquido da baixa força não estão actuais na imagem fluida de TappingMode. 
Figura 10. ADN III Traseiro do Lambda imaged na mica com o TappingMode na água. A amostra foi feita a varredura continuamente para mais de uma hora sem dano. Exploração do modo de Contacto do mesmo material causado dano em menos de um minuto - antes que a varredura poderia ser terminada. Figura 11 ilustra as capacidades do modo de contacto relativo a de TappingMode para materiais do semicondutor usando de lado a lado comparações. 
(a) 
(b) Figura 11. (a) Contacto e (b) imagens de TappingMode para as mesma (100) bolachas epitaxial. Em ambos os casos, a imagem esquerda foi tomada primeiramente e o tamanho da varredura imediatamente foi dobrado e tornado a varrer para incluir a área imaged na primeira varredura. As imagens de TappingMode não mostram nenhumas alteração de superfície e melhor definição. Inversamente, a área danificada da primeira varredura pode facilmente ser considerada no direito na Figura 11a. A imagem lactente do modo de Contacto é extremamente incompatível para superfícies do silicone; o material estêve removido neste caso pela ponta da exploração, quando em outros casos, o crescimento adicional do óxido ou umas mudanças mais subtis puderem ocorrer. Este tipo da alteração de superfície vai frequentemente indetectado desde que a maioria de pesquisadores não verificam para ver se há dano tornando a varrer a área afetada em uma mais baixa ampliação. Figuras 12 a 14 são imagens de TappingMode para um polímero e dois filmes finos. 
Figura 12. Imagem de TappingMode do polietileno high-density de um saco de compras. As estruturas na imagem são os lamellae do polímero que são aproximadamente 30nm densamente e todos orientados no mesmo sentido para aumentar a resistência à tracção. Esta estrutura não poderia ser considerada com modo de contacto desde que as características foram alteradas pela ponta que arrasta através da superfície. varredura 675nm. 
Figura 13. Vapor Químico filme (CVD) depositado do diamante. Durante a formação do filme, os cristais de semente do diamante são colocados em uma bolacha de silicone que seja colocada então na câmara do depósito do CVD em que o crescimento é iniciado para produzir o filme fino. Esta imagem mostra o filme na iniciação adiantada do crescimento. A técnica de TappingMode foi usada mais exactamente ao perfil os cristais e para evitar mover os cristais de semente na superfície. 
Figura 14. Filme densamente Tèrmica evaporado do ouro, 60Å, depositado em uma bolacha de silicone oxidada. Os filmes foram usados para construir sensores da tensão com sensibilidade mais alta da tensão do que filmes contínuos. Sumário Para obter imagens da qualidade, é crítico que o dano da ponta do microscópio não a superfície que está sendo feita a varredura mas que ele contacto a superfície para obter medidas de alta resolução. Isto é o lugar onde a imagem lactente de TappingMode prima. Para muitos materiais, esta técnica fornece o possível o mais de alta resolução sem dano da amostra. A imagem lactente de TappingMode abriu uma grande variedade de aplicações e continua a expandir a aplicabilidade de SPM aos materiais e às superfícies novos. Mais em Forças da Ponta-Amostra em TappingMode Uma das vantagens chaves da imagem lactente de TappingMode sobre o contacto convencional AFM é as baixas forças geradas durante a exploração. Porque a ponta contacta somente a superfície momentaneamente durante cada oscilação, há umas forças de fricção não laterais aplicadas à amostra pela ponta que pode rasgar a amostra, distorce dados ou torna mais fraco a ponta. A breve força do contacto é menos de se pôde esperar. Em TappingMode o modilhão é oscilado em ou perto de sua freqüência ressonante. Uma Vez Que a amplitude do modilhão é estabilizada no ponto ajustado desejado, a amostra deve absorver somente a força pequena devido à amplitude aumentada durante um único ciclo da oscilação; isto é, o tempo entre duas “torneiras consecutivas.” Porque os modilhões usados em TappingMode têm um factor de alta qualidade (“Q "), a amplitude ganhada em um ciclo é somente sobre 0.01nm sob circunstâncias típicas da imagem lactente. A força devido a este aumento pequeno da amplitude pode ser absorvida pela grande maioria das amostras sem dano para derrubar ou provar. Devido a estas forças delicadas da exploração, TappingMode foi usado com sucesso reprodutìvel à imagem amostras como polímeros, o fotoresistente e o ADN unbaked, assim como numeroso outras amostras frágeis. Também, nós temos repetitiva imaged o microroughness do ångström-nível da mesma região de 1mm de uma bolacha de silicone continuamente durante um período de 24 horas sem degradação da imagem ou danificamo-lo à amostra. Finalmente, o modilhão é oscilado em freqüências de 50KHz a 500KHz. Nestas freqüências, muitas superfícies assentam bem no stiff (viscoelastic) e podem mais facilmente resistir forças da ponta da ponta de prova. Esta propriedade mais adicional reduz a possibilidade de dano da amostra para amostras extremamente macias tais como polímeros, espécimes biológicos, e outro e causa menos distorção da amostra devido às forças da ponta. |