| Los microscopios de Exploración de la antena (SPMs) son los instrumentos que miden propiedades de superficies. Incluyen los microscopios atómicos de la fuerza (AFMs) y los microscopios el hacer un túnel de la exploración (STMs). En sus primeras aplicaciones, SPMs fue utilizado principal para medir la topografía superficial 3D y, aunque puedan ahora ser utilizados para medir muchas otras propiedades superficiales, ésa sigue siendo su aplicación primaria. SPMs es las herramientas más potentes de nuestra hora para la metrología superficial, midiendo las características superficiales cuyas dimensiones colocan de la separación interatómica a un décima de un milímetro. La característica principal que todo el SPMs tiene en campo común es que las mediciones están realizadas con una antena sostenida operatoria en el campo cercano, es decir, explorando sobre la superficie mientras que mantienen una separación muy cercana a la superficie. Estos instrumentos, específicamente STMs, eran los primeros para producir imágenes del real-espacio de ordenaciones atómicas en superficies planas. SPMs es el más de uso general ahora realizar mediciones muy exactas, tridimensionales en la escala del Ångstrom-a-Micrómetro. Comparación del Cuadro 1. y las características de microscopios comunes. | | | | | | Profundidad del Campo | Pequeño | Grande | Media | | Profundidad del Enfoque | Media | Grande | Pequeño | | Resolución: X, Y | el 1.0μm | 5nm | 2-10nm para el AFM
0.1nm para STM | | Resolución: Z | n/a | n/a | 0.05nm | | Magnificación Efectiva | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | Requisito de la preparación de la Muestra | Poco | Poco al substancial | Poco o ninguno | | Características requeridas para la muestra | La Muestra no debe ser totalmente transparente encender la longitud de onda usada | La Superficie no debe aumentar la carga y debe ser vacío compatible | La Muestra no debe tener variaciones locales en el μm superficial de la altura >10 | SEMs *Environmental operatorio en el eV de alta presión e inferior, pero se sacrifica la resolución. Hasta los años 80, los investigadores habían confiado en otros instrumentos para la proyección de imagen y medir la morfología de superficies. Ahora en la existencia por más de dos décadas, SPMs es el más nuevo asiento en el campo superficial de la metrología. En comparación con los microscopios y los microscopios electrónicos ópticos (SEMs, TEMs), dimensión de SPMs alisa en las tres dimensiones: X, Y, y Z. Como SEMs, la imagen de SPMs y mide la superficie de la muestra. La resolución topográfica de X y de Y para la mayoría del SPMs, incluyendo AFMs, es típicamente 2 a 10 nanómetros (la resolución de STM puede ser tan buena como 0.1nm). La resolución de Z está sobre 0.1nm para un AFM bien diseñado o STM. Los microscopios Ópticos y SPMs son los más fáciles de utilizar, con poco o nada de preparación de la muestra y de ningún vacío requeridos. Los microscopios Ópticos y SEMs pueden tener campos visuales más grandes, pero SPMs proporciona a las magnificaciones y a la resolución más altas de 3D. Además solamente trabajo de SPMs sobre la mayoría de las muestras con la preparación mínima de la muestra. Historia Abreviada El microscopio el hacer un túnel de la exploración (STM) era la primera tecnología de SPM y fue reconocido como teniendo capacidad atómica de la resolución en 1981. STM, de hecho, todavía proporciona a la mejor resolución disponible (el Cuadro 1). STM utiliza la corriente el hacer un túnel entre la punta y la muestra a la imagen la superficie de la muestra. Lamentablemente, hay algunas limitaciones, el más importante cuyo es que la superficie de la muestra debe ser conductores o semiconductores. Esto limita los materiales que pueden ser estudiados. 
Cuadro 1. imagen de STM que muestra defecto del único-átomo en cedazo del adsorbato del yodo en platino. exploración 2.5nm. Esta limitación llevó a la invención en 1986 del primer microscopio atómico de la fuerza. El primer AFM disponible en el comercio, los Instrumentos de Digitaces NanoScope® fue introducido en 1989. Como STM, el AFM también utiliza una punta muy sostenida para sondar y para correlacionar la morfología de una superficie. Sin Embargo, en el AFM no hay requisito de medir una corriente entre la punta y la muestra. En este caso, la punta está en el extremo de un voladizo micro-fabricado con un constante inferior del muelle. En el modo de contacto AFM, la primera técnica del AFM, la fuerza de la punta-muestra es celebrada fija manteniendo un constante y una desviación muy inferior del voladizo, activando la punta contra la muestra. Esta fuerza puede estar en el rango de fuerzas interatómicas en macizo. Después, describimos los fundamentos del AFM, incluyendo cómo el movimiento vertical de la punta se detecta y se transforma en datos topográficos. Componentes Básicos del AFM El AFM básico es relativamente simple en el concepto (Figura 2a). Su precursor más cercano es el profiler de la aguja. 
El Cuadro 2. (a) Simplificó el diagrama de un AFM genérico. Las Fotos muestran ejemplos (b) de SPM Con varios modos de funcionamiento, (c) la Dimensión 3100 SPM, y (d) sistema robótico completo automatizado de la Dimensión X3D para las aplicaciones del semiconductor. La tecnología del AFM utiliza antenas más sostenidas y fuerzas más inferiores que los profilers de la aguja para proporcionar a una información más de alta resolución sin daño de la muestra. Un AFM genérico comprende los componentes siguientes: - Sistema de la Exploración
- Antena
- Sensor de Movimiento de la Antena
- Electrónica del Controlador Aéreo
- Aislamiento del Ruido
- Ordenador
Sistema de la Exploración El componente más fundamental del AFM y del corazón del microscopio es el analizador. Dependiendo del diseño individual, el analizador puede explorar (movimiento) la muestra (Figura 2b, MultiMode™ SPM) si la muestra es bastante pequeña, o puede explorar la antena sobre una muestra más grande (Figura 2c, Dimension™ 3100 SPM). Para lograr la precisión requerida, un analizador piezoeléctrico del tubo se utiliza típicamente para proporcionar a mando de movimiento sub-Ångstrom. Antena Otro componente clave en el sistema es la antena. Como se mencionó anteriormente, la antena puede ser estacionaria y la muestra se puede explorar bajo ella o la antena se puede explorar sobre la muestra. Con tecnología sofisticada de hoy, la punta/los ensamblajes voladizos que componen la antena (Cuadro 3) se puede producir en masa con puntas constantemente dadas forma, muy sostenidas. Estas puntas son integradas en el extremo de los voladizos, que tienen una amplia gama de propiedades diseñadas para una variedad de aplicaciones. 
Cuadro 3. micrográfo de SEM de una punta monocristal grabada el ácido del AFM del silicio y de la punta/del ensamblaje voladizo Sensor de Movimiento de la Antena Esta unidad detecta la fuerza entre la antena y la muestra y proporciona a una señal de la corrección a la porción de Z del analizador piezoeléctrico (Figura 2a) de guardar el constante de fuerza. El diseño más común para esta función se llama el sistema óptico de la desviación de haz, que es el más de poco ruido, el más estable, y la mayoría del sistema versátil disponible. Este diseño utiliza un brillo de rayo láser sobre y el reflejo del dorso del voladizo y sobre un fotodiodo dividido en segmentos para medir el movimiento de la antena. Electrónica del Controlador Aéreo Esta unidad proporciona a interconexión entre el ordenador, el sistema de la exploración y el sensor de movimiento de la antena. Suministra los voltajes que controlan el analizador piezoeléctrico, valida la señal del sensor de movimiento de la antena y contiene la electrónica de mando del feedback para guardar la fuerza entre la muestra y el constante de la punta. Aislamiento del Ruido Para lograr el más de alta resolución, el microscopio se debe aislar de ruido en sus alrededores. Hay sistemas muy efectivos, con todo simples para aislar AFMs de vibraciones del suelo y de fuentes de ruido acústico, eléctrico y óptico. Ordenador Finalmente, la microscopia de exploración de la antena y el AFM no serían posibles sin la disponibilidad de las PC potentes, de alta velocidad para impulsar el sistema y para tramitar, para visualizar, y para analizar la riqueza de los datos presentados. Aplicaciones/Técnicas de Exploración En su curso de la vida corto, SPM ha agregado ya muchas variaciones al tema fundamental el hacer un túnel de la exploración. Una Vez Que el AFM venció el límite severo de la aplicación de STM (el requisito de la conductividad de la muestra), la variedad de técnicas y el rango de aplicaciones comenzó a proliferar rápidamente. Aunque la correspondencia topográfica siga siendo la aplicación dominante para AFM (Cuadro 4), SPMs disponible en el comercio ahora proporcione a alguno o a todas las técnicas de siguiente: Microscopia de Exploración el Hacer Un Túnel La topografía de Exploración de las dimensiones (STM) de la Microscopia el Hacer Un Túnel usando la corriente el hacer un túnel entre la punta de la antena y una muestra conductora alisa. 
Cuadro 4. topografía Detallada de tres defectos - dos protuberancias y una depresión - en una máscara de la fotolitografía del defasaje. Un corte transversal mide el más pequeño de las dos protuberancias (a) ~140nm a través en el avión de la imagen. El defecto de la depresión (b) mide menos que 6nm profundamente. exploración del 1.5μm. Modo de Contacto AFM El Modo de Contacto AFM mide la topografía con la antena perpetuo en contacto con la muestra. TappingMode AFM Topografía de las dimensiones de TappingMode AFM (patentado) pálido golpeando ligeramente la superficie con una punta oscilante de la antena. Elimina las fuerzas de resistencia (presente en modo de contacto). TappingMode ahora es el modo de exploración de la opción para la mayoría de las aplicaciones, determinado para superficies más suaves como los polímeros. Modo Sin Contacto AFM La topografía de las dimensiones del AFM del Modo Sin Contacto detectando la atracción de Van der Waals entre la superficie y la antena inclina. Es menos estable que contacto o TappingMode. LiftMode LiftMode (patentado) es una técnica del dos-paso que mide por separado la topografía y otra propiedad seleccionada (fuerza magnética, fuerza eléctrica, Etc.) usando la información topográfica para seguir su trayectoria la punta de la antena en una distancia constante encima de la superficie. PhaseImaging PhaseImaging (patentado) correlaciona la composición superficial basada en diferencias en las propiedades mecánicas o adhesivas locales de la muestra. Microscopia de la Fuerza Lateral Las fuerzas friccionales de las correspondencias (LFM) de la Microscopia de la Fuerza Lateral entre la punta de la antena y la muestra alisan. La punta se puede functionalized con la especie química para la microscopia química de la fuerza. Microscopia de la Fuerza Magnética La Microscopia de la Fuerza Magnética (MFM) correlaciona gradiente y la distribución de la fuerza magnética encima de la superficie de la muestra usando LiftMode (Cuadro 5). 
Cuadro 5. AFM (a) e imágenes de LiftMode MFM (b) de la región de la punta de polo en la carga (MR) de lectura/grabación magnetoresistente usada en mecanismos impulsores duros del ordenador. La imagen de MFM muestra la estructura de dominio y a SR. sensor que no se pueden considerar en la topografía del AFM. exploración del 12μm. Modulación de la Fuerza Fuerce la rigidez relativa de las correspondencias de la Modulación (patentada) de las características superficiales. Microscopia de la Fuerza Eléctrica La Microscopia de la Fuerza Eléctrica (EFM) correlaciona gradiente y la distribución del campo eléctrico encima de la superficie de la muestra usando LiftMode. Proyección De Imagen Potencial Superficial La Proyección De Imagen Potencial Superficial es una de las pocas técnicas del AFM que hace correspondencias cuantificables de una cantidad con excepción de la topografía superficial. Usando LiftMode, correlaciona la distribución del potencial eléctrico superficial de la muestra. Las aplicaciones Recientes incluyen estudios de la corrosión de aleaciones. SPM Electroquímico SPM Electroquímico correlaciona los cambios topográficos "in-situ" según lo inducido por reacciones electroquímicas en soluciones del electrólito simultáneamente con el mando potencial de la célula electroquímica (e.g voltametría). Puede ser realizado con el AFM o STM. Microscopia Potencial Electroquímica de Exploración La Microscopia Potencial Electroquímica de Exploración (SECPM) (patentada) es proyección de imagen "in-situ" o correspondencia potencial de la superficie del electrodo midiendo la diferencia potencial entre la antena potenciométrica y la muestra sumergidas en una solución del electrólito o un líquido polar (Cuadro 6). 
Cuadro 6. microscopio potencial electroquímico de Exploración (SECPM). Microscopia de la Resistencia Que Se Extiende de la Microscopia y de la Exploración de la Capacitancia de la Exploración Microscopia de la Resistencia Que Se Extiende (SCM) de la Microscopia y de la Exploración de la Capacitancia de la Exploración (SSRM) ambos 2.os perfiles de la concentración del portador de la correspondencia (dopante) en materiales del semiconductor. Microscopia Térmica de Exploración La Microscopia Térmica de Exploración (SThM) correlaciona la distribución de la temperatura superficial. El Hacer Un Túnel AFM y AFM Conductor El Hacer Un Túnel AFM y AFM Conductor mide la corriente de la punta-muestra para la caracterización de la conductividad eléctrica y la evaluación de la integridad de la película fina. TRmode TRmode correlaciona fuerzas laterales y gradientes de la fuerza. Interpolaciones con TappingMode para la caracterización lateral y vertical complementaria (Cuadro 7). 
El Cuadro 7. TRmode es una técnica que utiliza oscilaciones torsionales de una antena del AFM. Nanoindenting Nanoindenting mide propiedades mecánicas y las características del desgaste (endurecimiento, adherencia, durabilidad) de películas finas, de polímeros, de Etc. (e.g dieléctricos, de DLC). Estas técnicas se están aplicando a una amplia gama de las áreas de aplicación, de la biología a los semiconductores, de los dispositivos de almacenamiento de los datos a los polímeros, y de la óptica integrada a la medición de fuerzas entre las partículas y las superficies. Otras aplicaciones incluyen la fabricación de MEMS, las pinturas y las capas, los metales/las aleaciones/los laminados, los plásticos/los polímeros, los biomateriales, biotecnología, comida y acondicionamiento de los alimentos, la óptica/las películas ópticas, los discos ópticos, cerámica, las películas finas, los cristales líquidos, los cosméticos, y los estudios geológicos y ambientales. Además, los sistemas del AFM se han desarrollado ya para las aplicaciones altamente específicas, incluyendo los sistemas robóticos automatizados para manejar los fulminantes de semiconductor (Figura 2.a). También se han desarrollado con las rutinas del análisis diseñadas para las aplicaciones específicas tales como mediciones del CD y del topetón/del hueco del DVD, así como las mediciones de la recesión de la punta de polo para la fabricación de la carga de lectura/grabación del almacenamiento de datos. Estas aplicaciones continúan desplegarse. Controles Del Medio Ambiente Las aplicaciones del AFM se realizan en una variedad de ambientes. AFMs se puede operatorio en aire ambiente, en vacío, y en los líquidos (Cuadro 8). Las mediciones Biológicas, particularmente, se realizan a menudo in vitro en líquidos. Los experimentos Electroquímicos se realizan en células líquidas, permitiendo la observación de la atómico-escala de procesos electroquímicos. En algunos casos, los estudios superficiales de la limpieza se hacen en la presión atmosférica en el ambiente controlado de una caja de guantes seca. 
El Cuadro 8. Condensó el ácido desoxirribonucléico (DNA) se ha propuesto como mecanismo de salida del gen para las aplicaciones de la biotecnología. Aquí, las moléculas desmontadas eran reflejadas en la solución de sal. exploración de los 20μm. Los nuevos productos Recientes incluyen los sistemas de calefacción para las aplicaciones biológicas y del polímero hasta 250°C (Cuadro 9), completo con la muestra sofisticada y detectar ambiental. Los Sistemas están también disponibles ahora para controlar el ambiente gaseoso de la muestra bajo estudio (Figuras 10a y b). 
Cuadro 9. imágenes Sucesivas de la fase del siloxano polivinílico (del hexacyclodimethyl) en (a) 85ºC y (b) 90ºC. La Calefacción induce la formación de islas líquidas dentro de los polímeros amorfos (a), que convierten en matrices de pequeños puntos en la calefacción adicional (b). exploraciones del 10μm. 
Figura 10a. El Capo Motor Atmosférico para el SPM Con varios modos de funcionamiento permite que el mando del ambiente gaseoso de la proyección de imagen varíe humedad o imagen bajo gases inertes. 
Figura 10b. El EnviroScope ofrece alto vacío, la calefacción, el mando potencial de la célula electroquímica, y el ambiente purgado del gas. Avances Recientes de la Tecnología El Nuevos soporte físico y software han ampliado el utilitario de los sistemas de gama alta de SPM más allá de la medición y de la caracterización para incluir el nanomanipulation y el nanolithography. Los Ejemplos del en-avión y del nanomanipulation del fuera-de-avión se muestran en las Figuras 11a y 11b. Un ejemplo del nanolithography de apuntar y cliquear se considera en la Figura 11c. 
Figura 11a. El nanomanipulation del en-avión del AFM utiliza la antena del AFM a la imagen, manipula los objetos de la nanómetro-escala (nanotubes del carbón), e imagen otra vez para ver los resultados. 
Figura 11b. El nanomanipulation del fuera-de-avión del AFM utiliza la antena del AFM a la imagen, saca de una única biomolécula el avión de la muestra mientras que mide el despliegue de la molécula, y de imagen otra vez para ver los resultados (en este caso, el retiro de una molécula de un arsenal). 
Figura 11c. Nanolithography del AFM. Los Nuevos controladores aéreos y la electrónica (los controladores aéreos e.g., de NanoScope IV y de IVa SPMs) se han diseñado para aumentar diseños tradicionales en relación con del funcionamiento. Algunos de los recientes desarrollos en tecnología del AFM incluyen: Controles Del Medio Ambiente Combinados La última generación de combinaciones de la oferta de SPMs de controles del medio ambiente, incluyendo el vacío y la temperatura alta (Cuadro 12). 
Cuadro 12. Polivinílico-sbs en la temperatura ambiente en el aire (a) y en 180°C en 10-5 Torres de presión (b). Imágenes capturadas con el Enviroscope (Figura 10b). Una resolución lateral Más Alta Los sistemas del AFM ahora proporcionan a una densidad de datos más alta para permitir el empinadura en los detalles más finos, incluso en exploraciones grandes. Esto proporciona a la resolución requerida para caracterizar flancos en las muestras tales que el DVD topa/pica y los semiconductores. También permite la observación y la medición de los detalles del nanoscale en exploraciones grandes - sin la necesidad de pasar el tiempo adicional que pre-explora la muestra con un área más pequeña de la exploración (Cuadro 13). 
Cuadro 13. Imagen de la altura de TappingMode+ y zoom de un copolímero. La imagen cuadrada es un zoom en el área encajonada en la imagen rectangular original. Empinadura hacia adentro con software y sin la necesidad de exploraciones más pequeñas que toma tiempo revela a Este detalle simple, repetidores. Sin esta exploración más de alta resolución, la imagen empinadura no tendría los píxeles de resolución requeridos para ver los detalles del nanoscale. exploración del 10μm del x 1.24μm y zoom del 1μm del x 1μm. Mando de “Q” - Controlar el factor de calidad, o Q, de la antena oscilante del AFM permite un mejor mando de las fuerzas entre la punta y la muestra y mejora la sensibilidad de mediciones por ejemplo con PhaseImaging y MFM (Cuadro 14). 
Cuadro 14. Las Imágenes de la misma área en cinta magnetofónica exploraron con y sin Q-Mando. Las imágenes de la detección MFM de la Fase y las mediciones seccionadas transversalmente medias del desplazamiento de fase de la antena ilustran casi el ratio señal/ruido aumentado 4x para la imagen Q-Controlada. exploraciones del 15μm. Resumen La microscopia de Exploración el hacer un túnel produjo imágenes dramáticas de cedazos atómicos y la microscopia atómica de la fuerza ensanchó la tecnología a las superficies no-conductoras. El Revelado de los microscopios atómicos de la fuerza ha permitido que los científicos y los representantes técnicos consideren la estructura y al detalle con la resolución sin precedente y sin la necesidad de la preparación rigurosa de la muestra. Varios avances han ampliado más lejos el utilitario de esta técnica a una amplia gama de aplicaciones. TappingMode permiso la proyección de imagen de materiales suaves sin daño a la muestra y LiftMode permite la proyección de imagen separada pero simultánea de la topografía y otros parámetros, tales como fuerzas magnéticas o eléctricas, sin la contaminación cruzada. PhaseImaging ha abierto la capacidad para correlacionar de las variaciones compositivas superficiales. Las Nuevas tecnologías de la exploración y de la medición han desplegado el rango de mediciones y han aumentado así más lejos el utilitario del AFM para una amplia variedad de aplicaciones. Estos progresos han llevado el AFM, en algunos años cortos, de una curiosidad del laboratorio una de las tecnologías más potentes, más flexibles, y ampliamente utilizadas para la caracterización superficial. |