| Воображение TappingMode ключевое выдвижение в атомную микроскопию усилия мягких, слипчивых или утлых образцов. Этот запатентованный метод позволяет высокому разрешению топографическому воображению поверхностей образца которые легко повреждены, свободно придержано к их субстрату, или в противном случае трудно к изображению другими методами AFM. Специфически, TappingMode отжимает проблемы связанные с трением, прилипанием, силами электростатического поля, и другими затруднениями которые могут досаждать обычным методам скеннирования AFM. Метод доказал весьма успешную для высокого воображения разрешения большого разнообразия образцов включая: - поверхности вафли кремния
- тонкие фильмы
- металлы и изоляторы
- фоторезист
- полимеры
- биологические образцы
- и многочисленние другие.
Диаграмма 1. изображение TappingMode очищенных молекул мономера и олигомера коллагена без telopeptides. TappingMode делает воображением эти поверхности по заведенному порядку в окружающем воздухе или жидкостях и представляет значительно выдвижение в технологию AFM. 2 обычных режима скеннирования - режим контакта и внеконтактный режим - были использованы на некоторое время с меняя успехом для ряда материалов. Каждое имеет ограничения которые обсужены ниже и сравнены с скеннированием TappingMode. Обычные Методы В обычном режиме контакта AFM (Диаграмма 2), подсказка зонда просто волочится через поверхность и приводя к изображение топографическая карта поверхности образца. Пока этот метод очень успешен для много образцов, он имеет некоторые серьезные недостатки. Волоча движение подсказки зонда, совмещенное с силами адгезии между подсказкой и поверхностью, может причинить существенное повреждение и к образцу и прозондировать и создать артефакты в данных по изображения. 
Диаграмма 2. Сравнение режима контакта, внеконтактного режима и скеннирования TappingMode методы. (Выйденное) воображение режима Контакта тяжело повлияно на frictional и силами адгезии которое могут повредить образцы и передернуть данные по изображения. Внеконтактное воображение (центр) вообще обеспечивает низкое разрешение и может также быть затруднено слоем загрязняющего елемента который может помешать с колебанием. Воображение TappingMode (правое) исключает frictional усилия периодически контактировать поверхность и осциллировать с достаточной амплитудой для того чтобы предотвратить подсказку от быть поглощенным слипчивыми усилиями мениска от слоя загрязняющего елемента. Диаграммы под изображениями представляют правоподобные данные по изображения приводящ к от 3 методов. Под условиями окружающего воздуха, большинств поверхности предусматриваны слоем адсорбированных газов (сконденсированный водяной пар и другие загрязняющие елементы) который типично несколько нанометров толщиной. Когда подсказка скеннирования касатьется этому слою, капиллярное действие причиняет мениск сформировать и поверхностное натяжение вытягивает cantilever вниз в слой (Диаграмму 3). Поглощенный электростатический заряд на подсказке и образце может способствовать дополнительные силы адгезии. Эти сила с наклоном вниз увеличивают общее усилие на образце и, совмещано при боковые причиненные усилия ножниц движением скеннирования, могут передернуть данные по измерения и причинить строгое повреждение к образцу, включая движение или срывать поверхностных характеристик. 
Диаграмма 3. В контакте AFM, усилия электростатических и/или поверхностного натяжения от адсорбированного слоя газа вытягивают подсказку скеннирования к поверхности. Некоторые исследователя отжимали проблемы связанные с силами адгезии путем работая AFMs при образец погруженный в жидкости. Просматривая в жидкостях, общие усилия в режиме контакта более низки чем в окружающем воздухе потому что жидкий слой/мениск не присутствовал и силы электростатического поля можно рассеять или экранировать. Однако, потому что ые водой образцы часто существенно мягке чем высушенные образцы, отслеживать усилия может все еще причинить уменьшенное качество изображения и повреждение образца должные к деформации и/или движению образца зондом скеннирования. В добавлении, много образцов, как вафли полупроводника, нельзя практически погрузить в жидкости. Попытка во избежание эта проблема внеконтактный режим в котором зонд держится малое расстояние над образцом (Диаграммой 2). Обнаружены Привлекательные усилия Van der Waals действуя между подсказкой и образцом, и топографические изображения построены путем просматривать подсказку над поверхностью. Несчастливо, привлекательные усилия Van der Waals от образца существенно слабе чем усилия используемые режимом контакта - настолько слабым в действительности что подсказку необходимо дать малое колебание так, что методы обнаружения AC можно использовать для того чтобы обнаружить малые усилия между подсказкой и образцом. Привлекательные усилия также расширяют только малое расстояние от поверхности, где адсорбированный слой газа может занять большую часть их полезного ряда. Следовательно, даже когда разъединение подсказки образца успешно поддержано, внеконтактный режим обеспечивает существенно более низкое разрешение чем или контакт или TappingMode. На практике, зонд часто нарисовано к поверхности образца адсорбированными газами' поверхностным натяжением, приводящ к в неиспользованном повреждении данных и образца подобном к тому причиненному методом контакта. В добавлении, внеконтактный режим вообще непрактичен для по заведенному порядку скеннирования в жидкостях потому что усилия Van der Waals теперь даже более малы, существенного ограничения для биологических образцов в частности. Воображение TappingMode в Воздухе Воображение TappingMode отжимает ограничения обычных режимов скеннирования друг устанавливать подсказку в контакте с поверхностью для того чтобы обеспечить высокое разрешение и после этого поднимать подсказку с поверхности для того чтобы во избежание волочить подсказку через поверхность. Воображение TappingMode снабжено в окружающем воздухе путем осциллировать консольный агрегат при или около частота cantilever резонирующая используя пьезоэлектрический кристалл. Piezo движение причиняет cantilever осциллировать с высокой амплитудой («амплитудой свободного воздуха», типично более большой чем 20nm) когда подсказка нет в контакте с поверхностью. Осциллируя подсказка после этого приближена к поверхность до тех пор пока она не будет начинать слегка касатьться, или «выстучайте» поверхность. Во Время скеннирования, вертикально осциллируя подсказка друг контактирует поверхность и поднимает, вообще на частоте 50.000 до 500.000 циклов в секунду. По Мере Того Как осциллируя cantilever начинает периодически контактировать поверхность, консольное колебание обязательно уменьшено (Диаграмма 4) должная к потере энергии причиненной подсказкой контактируя поверхность. Уменьшение в амплитуде колебания использовано для того чтобы определить и измерить поверхностные характеристики. 
Диаграмма 4. амплитуда колебания TappingMode консольная в свободном воздухе и во время скеннирования. Во Время деятельности TappingMode, консольная амплитуда колебания поддерживаемая константа цепью обратной связи (Диаграммой 5). 
Диаграмма 5. Блок-схема для деятельности TappingMode. Выбор оптимальной частоты колебания помогать ПО и усилие на образце автоматически установлено и поддержано на уровне предельно низкий (Таблице 1 и Диаграмме 6). Спецификации TappingMode Таблицы 1. | | | | Управляйте Диапазоном Изменения Частот | 10KHz к 1MHz | | Управляйте Рядом Напряжения Тока | 0-20Vppс уровнем шума 1mV RMS | | Управляйте Регулировкой Амплитуды и Частоты | Выбранное Цифров. Управление ПО и дисплей параметров TappingMode позволяют быстро, semi-автоматизированное на экране оптимизирование. | | Детектор | Детектор амплитуды RMS-к-DC подает сигнал амплитуды участка-imdependent; Уровень Шума > 0.5Å RMS | | Cantilevers | Вытравленные cantilevers кремния; резонирующие частоты 60-400KHz | | Подход К Подсказк-Образца | Моторизованный подход к образца автоматически приносит cantilever в деятельность TappingMode на предельно низкий отслеживая усилие | 
Диаграмма 6. Консольный экран настройки помогает оператору в выбирать оптимальную частоту колебания TappingMode. Когда подсказка проходит над рему в поверхности, cantilever имеет меньше комнаты осциллировать и амплитуда колебания уменьшает. Наоборот, когда подсказка проходит над нажатием, cantilever имеет больше комнаты осциллировать и увеличения амплитуды (причаливая максимальной амплитуде свободного воздуха). Амплитуда колебания подсказки измерена детектором и входным сигналом к электронике регулятора NanoScope III. Цифровая цепь обратной связи после этого регулирует разъединение подсказк-образца для поддержания постоянн амплитуды и усилия на образце. TappingMode по существу предотвращает подсказку от вставлять к поверхности и причинять повреждение во время скеннирования. Не Похож На контакт и внеконтактные режимы, когда подсказка контактирует поверхность, она имеет достаточную амплитуду колебания для того чтобы отжать усилия прилипания подсказк-образца. Также, поверхностный материал вытягиванное косое усилиями ножниц в виду того что прикладное усилие всегда вертикальное. Другое преимущество TappingModetechnique свой большой, линейный рабочий диапазон (Диаграмма 7). Это делает вертикальную систему с обратной связью сильно стабилизированным, позволяющ по заведенному порядку возпроизводимым измерениям образца. Несколько справок которые обсуждают воображение TappingMode перечислены в конце этого примечания по применению. 
Диаграмма 7. Сравнение большого линейного рабочего диапазона для TappingMode против малого рабочего диапазона для внеконтактного режима. Воображение TappingMode в Жидкостях Подобные преимущества осуществляны с деятельностью TappingMode в жидкостях. В этот случай, однако, жидкое средство клонит амортизировать частоту cantilever нормальную резонирующую. Вместо, всю жидкую клетку можно осциллировать для того чтобы управлять cantilever в колебание. Когда соотвествующая частота будет выбрана (обычно в границах 5.000 до 40.000 циклов в секунду), амплитуда cantilever уменьшит когда подсказка начнет выстукивать образец, подобно к деятельности TappingMode в воздухе. Раз cantilever установлен в колебание, NanoScope III цифровая система с обратной связью регулирует положение подсказки для поддержания постоянн амплитуды колебания. Опять как в воздухе, осциллируя cantilever исключает усилия frictional и ножниц на образце. В добавлении, процесс repetitively контактировать поверхность и вытягивать подсказку на высоком темпе позволяет отслеживая усилию быть поддерживаемой константой на минимальной величине. TappingMode во избежание нестабильности усилия причиненные термальным смещением в режиме контакта, приводящ к в сбережениях времени и улучшенном качестве изображения и измерения. Стабилизированные усилия воображения чем 200pN были измерены во время деятельности TappingMode. Примеры На Диаграммы 8 до 14 проиллюстрировано возможности TappingMode для воображения разнообразие мягкие поверхности. На Диаграммы 8 до 10 показано биологические образцы imaged как в жидкости, так и в воздухе, иллюстрируя драматическое улучшение в качестве изображения для TappingMode по отношению к обычному режиму контакта в обеих окружающих средах. 
Диаграмма 8. изображение TappingMode просмотрела в воздухе ДНА kinetoplast от trypanozome малярийного дармоеда. 
Диаграмма 9. Сравнение (выйденного) режима контакта и просмотренных изображений TappingMode (правых) полимеразы РИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ в жидкости (буфере). Заметьте что штриховатости и haziness общие к даже режиму контакта низкого усилия жидкостному не присутствовал в жидком изображении TappingMode. 
Диаграмма 10. ДНА III Lambda Заднее imaged на слюде с TappingMode в воде. Образец был просмотрен непрерывно на сверх один час без повреждения. Скеннирование режима Контакта такого же материала причиненного повреждение в меньш чем одной минуте - прежде чем развертка смогла быть завершена. На Диаграмму 11 проиллюстрировано возможности TappingMode по отношению к режиму контакта для материалов полупроводника используя сравнения сторон--стороны. 
(a) 
(b) Диаграмма 11. изображения Контакта (a) и (b) TappingMode для такой же (100) эпитаксиальных вафель. В оба случая, левое изображение было принято сперва и размер развертки немедленно был удвоин и былпросмотрен для того чтобы включить область imaged в первой развертке. Изображения TappingMode не показывают никакие поверхностное изменение и более лучшее разрешение. Наоборот, поврежденную зону первой развертки можно легко увидеть на праве в Диаграмме 11a. Воображение режима Контакта весьма сбивчиво для поверхностей кремния; в этом материале случая извлекает подсказкой скеннирования, пока в другие случаи, дополнительный рост окиси или более тонкие изменения могут произойти. Этот тип поверхностного изменения часто идет незамеченный в виду того что большинств исследователя не проверяют для повреждения путем rescanning трогнутая область на более низком увеличении. Диаграммы 12 до 14 изображения TappingMode для полимера и 2 тонких фильмов. 
Диаграмма 12. Изображение TappingMode полиэтилена высокой плотности от хозяйственной сумки. Структуры в изображении ламеллы полимера которые приблизительно 30nm толщиной и все ориентированные в таком же направлении для того чтобы увеличить прочность на растяжение. Эта структура не смогла быть увидена с режимом контакта в виду того что характеристики были изменены подсказкой волоча через поверхность. развертка 675nm. 
Диаграмма 13. Химическим депозированный паром (CVD) фильм диаманта. Во Время образования фильма, кристаллы семени диаманта помещены на вафле кремния которая после этого помещена в камере низложения CVD в которой рост начат для того чтобы произвести тонкий фильм. Это изображение показывает фильм на предыдущей инициализации роста. Метод TappingMode был использован к более точно профилю кристаллы и во избежание двинуть кристаллы семени на поверхности. 
Диаграмма 14. Термально испаренный фильм золота, 60Å толщиной, депозированный на окисленную вафлю кремния. Фильмы были использованы для того чтобы построить датчики напряжения с более высокой чувствительностью напряжения чем непрерывные фильмы. Сводка Для того чтобы получить изображения качества, критическое что повреждение подсказки микроскопа не поверхность будучи просматриванным но что оно контакт поверхность для того чтобы получить высокие измерения разрешения. Это где воображение TappingMode первенствует. Для много материалов, этот метод обеспечивает самое высокое разрешение возможное без повреждения образца. Воображение TappingMode раскрывало большое разнообразие применений и продолжается расширить применимость SPM к новым материалам и поверхностям. Больше на Усилиях Подсказк-Образца в TappingMode Одно из главных преимуществ воображения TappingMode над обычным контактом AFM низкие усилия произведенные во время скеннирования. Потому Что подсказка только контактирует поверхность кратко во время каждого колебания, не боковые frictional усилия прикладные к образцу подсказкой которая может сорвать образец, передергивает данные или dull подсказка. Кратко усилие контакта чем одно могло предпологать. В TappingMode cantilever осциллирован при или около своя резонирующая частота. Как Только консольная амплитуда стабилизирована на пожеланной точке отсчета, образец должен поглотить только малое усилие должное к увеличенной амплитуде во время одиночного цикла колебания; т.е., время между 2 последовательными «кранами.» Потому Что cantilevers используемые в TappingMode имеют высокомарочный фактор («Q "), амплитуда приобретенная в одном цикле только о 0.01nm под типичными условиями воображения. Усилие должное к этому малому увеличению амплитуды может быть поглощено подавляющим большинством образцов без повреждения для того чтобы наклонить или попробовать. Из-за этих нежных усилий скеннирования, TappingMode было использовано успешно к возпроизводимо изображению такие образцы как полимеры, unbaked фоторезист и ДНА, так же, как многочисленно другие утлые образцы. Также, мы имеем repetitively imaged microroughness ангстром-уровня такой же зоны 1mm вафли кремния непрерывно над 24-часовым периодом без ухудшения изображения или повреждаем к образцу. Окончательно, cantilever осциллирован на частотах от 50KHz к 500KHz. На этих частотах, много поверхностей идут stiff (вязко-эластическим) и могут более легко сопротивлять усилиям от подсказки зонда. Это свойство более дальнейшее уменьшает возможность повреждения образца для весьма мягких образцов как полимеры, биологические образцы, и другие и причиняет меньше искажения образца должного к усилиям подсказки. |