| TappingMode att avbilda är ett nyckel- för- i atom- styrkamicroscopy (AFM) av mjukt, adhesive, eller bräckligt tar prov. Denna patenterade teknik låter kickupplösning som topographic avbilda av tar prov ytbehandlar, som är lätt skadad, löst rymt till deras substrate, eller annars svårt att avbilda vid andra AFM-tekniker. Specifikt övervinner TappingMode problem som är tillhörande med friktion, adhesion, elektrostatiska styrkor och andra svårigheter som kan besvära konventionella AFM-scanningmetoder. Tekniken har bevisat att extremt lyckat för att avbilda för kickupplösning av en bred variation av tar prov däribland: - silikonrånet ytbehandlar
- tunt filmar
- belägger med metall och isolatorer
- photoresist
- polymrer
- biologiskt tar prov
- och talrika andra.
Figurera 1. TappingMode avbildar av renade collagenmonomer- och oligomermolekylar utan telopeptides. TappingMode gör att avbilda dessa ytbehandlar rutinmässigt i omgivande luftar eller vätskor och föreställer ett viktigt för- i AFM-teknologi. Två konventionella scanningfunktionslägen - kontaktfunktionsläget och detkontakt funktionsläget - har använts för någon tid med varierande framgång för en spänna av material. Varje har begränsningar som är diskuterat nedanfört och kontrasterat med den TappingMode scanningen. Konventionella Metoder I det konventionella kontaktfunktionsläget AFM (Figurera 2), släpas sondspetsen enkelt över ytbehandla, och resultera avbildar är ett topografisk kartlägger av ytbehandla av ta prov. Fördriva denna teknik har varit mycket lyckat för många tar prov, det har några allvarliga nackdelar. Släpa vinkar av sondspetsen, kombinerat med adhesive styrkor mellan spetsen och ytbehandla, kan orsaka verklig skada till både tar prov och sonderar och skapar kulturföremål avbildar in data. 
Figurera 2. Jämförelse av kontaktfunktionsläget, detkontakt funktionsläget och TappingMode scanningtekniker. Kontaktfunktionsläget som avbildar (som lämnas) påverkas tungt av frictional och bindemedelstyrkor, som kan skada tar prov, och förvrider avbildar data. Non-Kontakten som avbildar (centrera), allmänt ger låg upplösning och kan också försvåras av föroreningslagrar som kan störa med svängning. TappingMode som avbildar (rätten) avlägsnar frictional styrkor, genom intermittent att kontakta ytbehandla och att svänga med tillräcklig amplitud för att förhindra spetsen från att fångas av adhesive meniskstyrkor från föroreningslagrar. Graferna under avbildar föreställer avbildar troligen data resultera från de tre teknikerna. Under omgivande lufta villkorar, ytbehandlar mest täckas av ett lagrar av adsorberat gasar (kondenserat bevattna dunsten och andra föroreningar) som är typisk flera nanometers tjockt. (Figurera 3), När scanningspetshandlagen detta lagrar, capillaryhandlingen orsakar en menisk för att bilda och att ytbehandla spänningshandtag som cantileveren besegrar in i lagrar. Den Fångade elektrostatiska laddningen på spetsen och tar prov kan bidra extra adhesive styrkor. Dessa tvingar förhöjning den total- styrkan på ta prov och, när de kombineras med sidosaxstyrkor som orsakas av scanningen, vinkar, kan nedåt förvrida mätningsdata, och att orsaka sträng skada till ta prov, den inklusive rörelsen eller avrivningen av ytbehandlar särdrag. 
Figurera 3. I kontakten AFM som är elektrostatisk och/eller, ytbehandla spänningsstyrkor från adsorberad gasar lagrarhandtag scanningspetsen in mot ytbehandla. Några forskare har betaget problemen som är tillhörande med de adhesive styrkorna av fungerande AFMs med den fördjupade ta prov i vätska. När de avläser i vätskor, är de total- styrkorna i kontaktfunktionsläge lägre än i omgivande luftar, därför att det fluid lagrar/menisk inte är närvarande, och elektrostatiska styrkor kan skingras eller avskärmas. Emellertid därför att hydratiserat tar prov, var ofta väsentligen mer mjuk än torkat tar prov, kan att spåra styrkor stilla orsakar förminskande avbildar kvalitets- och tar prov deformering för skada tack vare och/eller rörelse av ta prov vid scanningsonden. I tillägg tar prov många, liksom halvledarerån, kan inte praktiskt fördjupas i vätska. Ett försök att undvika detta problem är non-kontakten funktionsläget som sonden rymms i ett litet distanserar ovanför ta prov (Figurera 2). Attraktiva Skåpbil der Waals styrkor som agerar mellan spetsen och ta prov, avkänns, och topographic avbildar konstrueras, genom att avläsa spetsen ovanför ytbehandla. Tyvärr är de attraktiva Skåpbil der Waals styrkorna från ta prov väsentligen svagare än styrkorna som används av kontaktfunktionsläget - som så är svagt i faktum, att spetsen måste ges en liten svängning, så att AC-upptäcktsmetoder kan vara van vid, avkänn de små styrkorna mellan spetsen och ta prov. Dragningskraftarna fördjupa också endast ett litet distanserar från ytbehandla, var adsorberade gasar lagrar kan uppta ett stort del av deras användbart spänner. Hence även om ta provspetsavskiljandet underhålls lyckat, ger non-kontakten funktionsläget väsentligen lägre upplösning än endera kontakt eller TappingMode. I praktiken dras sonden vanligt till ta prov ytbehandlar vid adsorberad gasar' ytbehandlar spänning och att resultera i oanvändbara data och tar prov skada som är liknande till det som orsakas av kontakttekniken. I tillägg är non-kontakten funktionsläget allmänt opraktiskt för den rutinmässiga scanningen i vätskor, därför att de SkåpbilderWaals styrkorna är nu även mindre, en verklig begränsning för biologiskt tar prov i synnerhet. TappingMode som in Avbildar, Luftar TappingMode att avbilda övervinner begränsningarna av de konventionella scanningfunktionslägena, genom växelvis att förlägga spetsen i kontakt med ytbehandla för att ge kickupplösning och därefter att lyfta spetsen av ytbehandla för att undvika att släpa spetsen över ytbehandla. TappingMode att avbilda genomföras i omgivande luftar, genom att svänga cantileverenheten på eller nära cantilever'sens resonant frekvens genom att använda en piezoelectric kristall. De piezo vinkar orsakar cantileveren för att svänga med en kickamplitud (”de fria luftar” amplitud som, den typisk är mer stor än 20nm), när spetsen inte är in kontakten med ytbehandla. Den svängande spetsen är därefter rörd in mot ytbehandla, tills den börjar till lätt handlag, eller ”klapp” ytbehandla. Under scanning kontaktar lyfter den vertikalt svängande spetsen växelvis ytbehandla och av, allmänt på en frekvens av 50.000 till 500.000 cyklar per understöder. (Figurera 4), Som den svängande cantileveren börjar intermittent att kontakta ytbehandla, är cantileversvängningen nödvändigtvis förminskande tack vare energiförlust som orsakas av spetsen som kontaktar ytbehandla. Förminskningen i svängningsamplitud är van vid identifierar och mäter ytbehandlar särdrag. 
Figurera 4. Amplitud för TappingMode cantileversvängning i fritt luftar och under scanning. Under den TappingMode funktionen är cantileversvängningsamplituden den underhållna konstanten vid en återkoppling kretsar (Figurera 5). 
Figurera 5. Kvarterdiagram för den TappingMode funktionen. Valet av den optimala svängningsfrekvensen är hjälpt programvara, och styrkan på ta prov är automatiskt fastställd och underhållen på den jämna lägsta möjligheten (Bordlägga 1 och Figurera 6). Bordlägga 1. TappingMode Specifikationer. | | | | DrevFrekvens Spänner | 10KHz till 1MHz | | DrevSpänning Spänner | 0-20Vppmed 1mV RMS stojar jämnt | | Kör Amplitud- och FrekvensJustering | Utvalda Digital. Programvara kontrollerar, och skärm av TappingMode parametrar låter fastar, halv-automatiserat på-avskärmer optimization. | | Avkännare | Avkännaren för amplitud RMS-till-DC ger arrangerar gradvis-imdependent amplitud signalerar; Stoja Jämnt > 0.5Å RMS | | Cantilevers | Etsade silikoncantilevers; resonant frekvenser 60-400KHz | | Spets-Ta prov Att närma sig | Motorized ta prov att närma sig kommer med automatiskt cantileveren in i den TappingMode funktionen på lägst möjlighetspårningstyrka | 
Figurera 6. Cantileveren trimmar avskärmer hjälp operatören, i att välja frekvensen för optimalTappingMode svängning. När spetsen passerar över en bula i ytbehandla, har cantileveren mindre rum att svänga och amplituden av svängningsminskningar. Omvänt när spetsen passerar över en fördjupning, har cantileveren mer rum att svänga och amplitudförhöjningarna (som att närma sig maximat lufta fritt, amplitud). Svängningsamplituden av spetsen mätas av avkännaren och matar in till den NanoScope III kontrollantelektroniken. Den digitala återkopplingen kretsar justerar därefter detta prov avskiljandet för att underhålla en konstant amplitud och styrka på ta prov. TappingMode förhindrar naturligt spetsen från att klibba till ytbehandla och att orsaka skada under scanning. I Motsats Till kontakt- och non-kontakt funktionslägen när spetsen kontaktar ytbehandla, har den tillräcklig svängningsamplitud till betaget deta prov adhesionstyrkorna. Också dras den materiella ytbehandla inte från sidan av saxstyrkor, sedan den applicerade styrkan är alltid lodlinjen. En Annan fördel av TappingModetechniquen är dess stora linjära fungerings spänner (Figurera 7). Detta gör lodlinjeåterkopplingssystemet högt stabilt och att låta rutinmässigt reproducible tar prov mätningar. Flera hänvisar till som diskuterar TappingMode att avbilda listas på avsluta av denna applikation noterar. 
Figurera 7. Jämförelsen av den stora linjära fungeringsen spänner för TappingMode vs. liten fungerings spänner för noncontact funktionsläge. TappingMode som Avbildar i Vätskor Liknande fördelar realiseras med den TappingMode funktionen i vätskor. I detta fall emellertid, ansar det fluid medlet för att fukta cantilever'sens den resonant frekvensen för det normala. I stället kan den hela fluid cellen svängas för att köra cantileveren in i svängning. När en anslåfrekvens är utvald (vanligt i spänna av 5.000 till 40.000 cyklar per understöder), ska amplituden av cantileveren minskning, när spetsen börjar till klapp ta prov som var liknande till den TappingMode funktionen luftar in. När cantileveren är fastställd in i svängning, NanoScope III justerar det digitala återkopplingssystemet placera av spetsen för att underhålla en konstant svängningsamplitud. Igen som lufta in, avlägsnar den svängande cantileveren frictional och saxstyrkor på ta prov. I tillägg låter det processaa av upprepande att kontakta ytbehandla och att dra spetsen av på en hög frekvens spårningstyrkan vara den underhållna konstanten på en minimi värderar. TappingMode undviker styrkaostadigheterna som orsakas av termisk driva i kontaktfunktionsläge, avbildar att resultera i tidbesparingar och förbättrat och den kvalitets- mätningen. Stall som avbildar styrkor av mindre än 200pN, har mätts under den TappingMode funktionen. Exempel Figurerar 8 till och med 14 illustrerar kapaciteterna av TappingMode för att avbilda en variation av mjukt ytbehandlar. Figurerar 8 till och med 10 som den biologiska showen tar prov avbildat i både vätska och luftar och att illustrera den dramatiska förbättringen avbildar in kvalitets- för den TappingMode släktingen till det konventionella kontaktfunktionsläget i båda miljöer. 
Figurera 8. TappingMode avbildar avläst in luftar av kinetoplastDNA från trypanozomen av en malarial parasit. 
Figurera 9. Jämförelsen av (det lämnade) kontaktfunktionsläget och TappingMode (rätt) avbildar av RNApolymerasen som avläs i vätska (fungera som buffert). Notera att görar strimmig och haziness till även vätskekontaktfunktionsläget för låg styrka inte är vanligt närvarande i den fluid TappingModen avbildar. 
Figurera 10. Avbildade Hind DNA III för Lambda på mica med TappingMode bevattnar in. Ta prov avlästes fortlöpande för över en timme utan skada. Scanning för Kontaktfunktionsläge av den samma materiella orsakada skadan i mer mindre än en som är minimal - för bildläsningen kunde avslutas. Figurera 11 illustrerar kapaciteterna av den TappingMode släktingen till kontaktfunktionsläget för halvledarematerial genom att använda jämsides jämförelser. 
(a) 
(b) Figurera 11. (a) Kontakten och (b) TappingMode avbildar för det samma (100) epitaxial rånet. I båda fall lämnade avbildar togs först, och bildläsningen storleksanpassar omgående dubblerades och avlästes igen för att inkludera det avbildade området i den första bildläsningen. TappingModen avbildar den ingen showen ytbehandlar förändring och förbättrar upplösning. Omvänt kan det skadada området av den första bildläsningen lätt ses på rätten Figurerar in 11a. Att avbilda för Kontaktfunktionsläge är extremt inkonsekvent för silikoner ytbehandlar; i detta materiella fall har tagits bort av scanningspetsen, stunden i andra fall, extra oxidtillväxt, eller mer subtil ändringar kan uppstå. Denna typ av ytbehandlar förändring går ofta oupptäckt, sedan mest forskare inte kontrollerar för skada, genom att avläsa det upprörda området igen på lägre förstoring. Figurerar 12 till och med 14 är TappingMode avbildar för en polymer, och tunna två filmar. 
Figurera 12. TappingMode avbildar av kick - täthetpolyetylen från en shopping hänger lös. Strukturerar i avbilda är polymerlamellerna som är alla som ungefärligt 30nm tjockt och orienteras i den samma riktningen till förhöjning den tänjbara styrkan. Detta strukturerar kunde inte ses med kontaktfunktionsläge, sedan särdragen förändrades av spetsen som släpar över ytbehandla. bildläsning 675nm. 
Figurera 13. Filmar den Kemiska dunsten (CVD) satte in diamanten. Under filma bildande, kärnar ur kristaller av diamanten förläggas på ett silikonrån som förläggas därefter i CVD-avlagringkammaren, som tillväxt är initierad i till jordbruksprodukter som, de tunna filmar. Detta avbildar shows filma på tidig sortpåbörjandet av tillväxt. Den TappingMode tekniken var van vid profilerar exaktare kristallerna och att undvika flyttning kärna urkristallerna på ytbehandla. 
Figurera 14. Termiskt avdunstat guld- filmar, tjock 60Å, deponerat på ett oxiderat silikonrån. Filmar var van vid byggande anstränger avkännare med higher anstränger känslighet, än fortlöpande filmar. Summariskt Att att erhålla kvalitets- avbildar, det är kritiskt att skadan för mikroskopspetsen inte ytbehandla som avläs men att det kontakten ytbehandla för att erhålla kickupplösningsmätningar. Detta är var TappingMode att avbilda överträffar. För många material ger denna teknik den högsta upplösningsmöjligheten without tar prov skada. TappingMode att avbilda har öppnat en bred variation av applikationer och fortsätter för att utvidga användbarheten av SPM till nya material och ytbehandlar. Mer Spets-Tar prov på Styrkor i TappingMode En av de nyckel- fördelarna av TappingMode som avbildar över den konventionella kontakten AFM, är de låga styrkorna som frambrings under scanning. Därför Att spetsen kontaktar endast ytbehandla kort under varje svängning, finns det inte sidofrictional styrkor som appliceras till ta prov av spetsen som kan riva ta prov, förvrida data eller försvaga spetsen. Den kort kontaktstyrkan är mindre, än en styrka förväntar. I TappingMode svängs cantileveren på eller nära dess resonant frekvens. Peka, ta prov måste absorbera endast den små styrkan, När cantileveramplituden stabiliseras på den önskade uppsättningen, tack vare som den ökande amplituden under en singelsvängning cyklar; dvs. tiden mellan två ”klapp i rad.”, Därför Att cantileversna som används i TappingMode, har ett högkvalitativt att dela upp i faktorer (”Q”), cyklar amplituden som nås i en, är endast om 0.01nm under typisk avbilda villkorar. Styrkan tack vare som denna små amplitudförhöjning kan absorberas av stora majoriteten av, tar prov med ingen skada för att tippa eller ta prov. På grund av dessa stilla scanningstyrkor, har TappingMode använts lyckat reproducibly för att avbilda sådan tar prov, som polymrer, unbaked photoresist och DNA såväl som talrikt annat bräckligt tar prov. Också har vi avbildat upprepande denjämna microroughnessen av den samma 1mm regionen av ett silikonrån fortlöpande över en 24 timmeperiod utan degradering av avbilda eller skadar till ta prov. Slutligen svängs cantileveren på frekvenser från 50KHz till 500KHz. På dessa frekvenser ytbehandlar kan många (det viscoelastic) blivna lik och lättare motstå styrkor från sondspetsen. Denna mer ytterligare egenskap förminskar möjligheten av tar prov skada för extremt mjukt tar prov liksom polymrer, biologiska prov och andra och orsakar mindre distorsion av spetsstyrkorna för ta prov tack vare. |