| I microscopi di Scansione della sonda (SPMs) sono strumenti che misurano i beni delle superfici. Includono i microscopi atomici della forza (AFMs) ed i microscopi di traforo di scansione (STMs). Nelle loro prime applicazioni, SPMs è stato usato pricipalmente per la misurazione della topografia di superficie 3D e, sebbene possano ora essere usati per misurare molti altri beni di superficie, quella è ancora la loro applicazione primaria. SPMs è gli strumenti più potenti del nostro tempo per la metrologia di superficie, misurante le funzionalità di superficie di cui le dimensioni variano da gioco interatomico ad un decimo di un millimetro. La funzionalità principale che tutto lo SPMs ha in comune è che le misure sono realizzate con una sonda marcata che funziona nel campo vicino, cioè, scandente sopra la superficie mentre mantengono un gioco molto vicino alla superficie. Questi strumenti, specificamente STMs, erano i primi per produrre le immagini dello reale-spazio delle disposizioni atomiche sulle superfici piane. SPMs ora è più comunemente usato realizzare le misure molto precise e tridimensionali sul disgaggio di Ångstrom--Micrometro. Confronto della Tabella 1. e le caratteristiche dei microscopi comuni. | | | | | | Profondità di Campo | Piccolo | Grande | Media | | Profondità di Campo | Media | Grande | Piccolo | | Risoluzione: X, Y | 1.0μm | 5nm | 2-10nm per il AFM
0.1nm per STM | | Risoluzione: Z | n/a | n/a | 0.05nm | | Efficace ingrandimento | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | Requisito del preparato del Campione | Poco | Poco alla sostanza | Piccolo o nessuno | | Caratteristiche richieste per il campione | Il Campione non deve essere completamente trasparente accendere la lunghezza d'onda usata | La Superficie non deve sviluppare la tassa e deve essere vuoto compatibile | Il Campione non deve avere variazioni locali nel μm di superficie di altezza >10 | SEMs *Environmental funziona a eV ad alta pressione e basso, ma la risoluzione è sacrificata. Fino agli anni 80, i ricercatori avevano contato su altri strumenti per la rappresentazione e la misurazione della morfologia delle superfici. Ora in atto per oltre due decadi, SPMs è la più nuova entrata nel campo di superficie della metrologia. Rispetto ai microscopi ed ai microscopi elettronici ottici (SEMs, TEMs), la misura di SPMs affiora in tutte e tre le dimensioni: X, Y e Z. Come SEMs, l'immagine di SPMs e misura la superficie del campione. La risoluzione topografica di Y e di X per la maggior parte del SPMs, compreso AFMs, è in genere 2 - 10 nanometri (la risoluzione di STM può essere buona quanto 0.1nm). La risoluzione di Z è circa 0.1nm per un AFM ben progettato o STM. I microscopi Ottici e SPMs sono il più facile da usare, con poco o nessun preparato del campione e nessun vuoto richiesti. I microscopi Ottici e SEMs possono avere più grandi campi di visibilità, ma SPMs fornisce gli più alti ingrandimenti e risoluzione in 3D. Ancora soltanto lavoro di SPMs sulla maggior parte dei campioni con il preparato minimo del campione. Breve Storia Il microscopio di traforo di scansione (STM) era la prima tecnologia di SPM ed è stato riconosciuto come avendo capacità atomica di risoluzione nel 1981. STM, infatti, ancora fornisce la migliore risoluzione disponibile (Figura 1). STM usa la corrente di traforo fra il suggerimento ed il campione all'immagine la superficie del campione. Purtroppo, ci sono alcune limitazioni, il più significativo di quale sono che la superficie del campione deve essere conduttori o semiconduttori. Ciò limita i materiali che possono essere studiati. 
Figura 1. immagine di STM che mostra difetto dell'unico atomo nella grata dell'adsorbato dello iodio su platino. scansione 2.5nm. Questa limitazione piombo all'invenzione nel 1986 del primo microscopio atomico della forza. Il primo AFM disponibile nel commercio, gli Strumenti di Digital NanoScope® è stato presentato nel 1989. Come STM, il AFM egualmente usa un suggerimento molto marcato per sondare e mappare la morfologia di una superficie. Tuttavia, in AFM non c'è requisito misurare una corrente fra il suggerimento ed il campione. In questo caso, il suggerimento è all'estremità di una trave a mensola micro-da costruzione con una costante bassa della sorgente. Nel modo di contatto AFM, la prima tecnica del AFM, la forza del suggerimento-campione è giudicata fissa mantenendo una costante e una deformazione molto bassa dell'a mensola, spingenti il suggerimento contro il campione. Questa forza può essere nell'ordine delle forze interatomiche in solidi. Dopo, descriviamo le basi del AFM, includenti come il moto verticale del suggerimento è individuato e trasformato nei dati topografici. Componenti Di Base del AFM Il AFM di base è relativamente semplice nel concetto (Figura 2a). Il Suo predecessore più vicino è il profilatore dello stilo. 
Figura 2. (a) Ha Semplificato il diagramma di un AFM generico. Esempi di manifestazione delle Foto di (b) SPM Misto, (c) Dimensione 3100 SPM e (d) completamente ha automatizzato il sistema robot di Dimensione X3D per le applicazioni a semiconduttore. La tecnologia del AFM usa le sonde più marcate e le forze più basse che i profilatori dello stilo per fornire informazioni più di alta risoluzione senza danno del campione. Un AFM generico comprende le seguenti componenti: - Sistema di Scansione
- Sonda
- Sensore di Moto della Sonda
- Elettronica del Regolatore
- Isolamento di Disturbo
- Computer
Sistema di Scansione La componente più fondamentale del AFM e del cuore del microscopio è lo scanner. Secondo la progettazione determinata, lo scanner può scandire (movimento) il campione (Figura 2b, MultiMode™ SPM) se il campione è abbastanza piccolo, o può scandire la sonda sopra un più grande campione (Figura 2c, Dimension™ 3100 SPM). Per compire la precisione richiesta, uno scanner piezoelettrico del tubo è utilizzato tipicamente per fornire il controllo di moto sotto--Ångstrom. Sonda Un'Altra componente chiave nel sistema è la sonda. Come detto precedentemente, la sonda può essere stazionaria ed il campione può essere scandito sotto o la sonda può essere scandita sopra il campione. Con l'odierna tecnologia specializzata, il suggerimento/assembly a mensola che compongono la sonda (Figura 3) può essere prodotto in seriee con i suggerimenti coerente a forma di e molto marcati. Questi suggerimenti sono integrati nell'estremità delle travi a mensola, che hanno una vasta gamma di beni progettati per varie applicazioni. 
Figura 3. micrografo di SEM di un suggerimento inciso del AFM dei silici monocristallini e del suggerimento/dell'assembly a mensola Sensore di Moto della Sonda Questa unità percepisce la forza fra la sonda ed il campione e fornisce un segnale di correzione alla parte di Z dello scanner piezoelettrico (Figura 2a) tenere la costante di forza. La progettazione più comune per questa funzione è chiamata il sistema ottico di deformazione di raggio, che è il più a basso rumore, il più stabile e la maggior parte del sistema versatile disponibile. Questa progettazione utilizza un raggio laser che splende su e che riflette fuori dalla parte posteriore della trave a mensola e su un fotodiodo segmentato per misurare il moto della sonda. Elettronica del Regolatore Questa unità fornisce il collegamento fra il computer, il sistema di scansione ed il sensore di moto della sonda. Assicura le tensioni che gestiscono lo scanner piezoelettrico, accetta il segnale dal sensore di moto della sonda e contiene l'elettronica di controllo feedback per la conservazione della forza fra il campione e la costante del suggerimento. Isolamento di Disturbo Per raggiungere il più di alta risoluzione, il microscopio deve essere isolato da disturbo nei sui dintorni. Ci sono sistemi molto efficaci, eppure semplici per l'isolazione del AFMs dalle vibrazioni del pavimento e dalle sorgenti di disturbo acustico, elettrico ed ottico. Computer Per Concludere, la microscopia di scansione della sonda ed il AFM non sarebbero fattibili senza la disponibilità dei Pc potenti e ad alta velocità per determinare il sistema e per elaborare, video ed analizzare la ricchezza dei dati redatti. Applicazioni/Tecniche Di Rilevamento Nella sua breve vita, SPM già ha aggiunto molte variazioni al tema fondamentale di traforo di scansione. Una Volta Che il AFM sormontasse il limite severo dell'applicazione di STM (il requisito di conducibilità del campione), la varietà di tecniche e l'intervallo delle applicazioni ha cominciato a espandersi rapidamente. Sebbene la mappatura topografica sia ancora la domanda dominante di AFM (Figura 4), SPMs disponibile nel commercio ora fornisca alcuno o tutte tecniche seguenti: Microscopia di Scansione di Traforo La topografia di Scansione delle misure (STM) di Microscopia di Traforo facendo uso della corrente di traforo fra il suggerimento della sonda e un campione conduttivo affiora. 
Figura 4. una topografia Dettagliata di tre difetti - due sporgenze e una depressione - in una maschera di fotolitografia di sfasamento. Una sezione trasversale misura il più piccolo delle due sporgenze (A) ~140nm attraverso nel piano dell'immagine. Il difetto di depressione (B) misura di meno che 6nm in profondità. scansione di 1.5μm. Modo di Contatto AFM Il Modo di Contatto AFM misura perpetuo la topografia con la sonda in contatto con il campione. TappingMode AFM Topografia di misure di TappingMode AFM (brevettato) leggermente spillando la superficie con un suggerimento d'oscillazione della sonda. Elimina le forze di taglio (presente nel modo di contatto). TappingMode ora è il modo di scansione di scelta per la maggior parte delle domande, specialmente di superfici più molli come i polimeri. Modo Senza Contatto AFM La topografia delle misure del AFM del Modo Senza Contatto percependo l'attrazione di Van der Waals fra superficie e la sonda fornisce di punta. È meno stabile che il contatto o TappingMode. LiftMode LiftMode (brevettato) è una tecnica del due-passaggio che misura esclusivamente la topografia e gli altri beni selezionati (forza magnetica, forza elettrica, Ecc.) facendo uso di informazioni topografiche per tenere la carreggiata il suggerimento della sonda ad una distanza costante sopra la superficie. PhaseImaging PhaseImaging (brevettato) mappa la composizione di superficie basata sulle differenze nei beni meccanici o adesivi locali del campione. Microscopia della Forza Laterale Le forze frizionali delle mappe (LFM) di Microscopia della Forza Laterale fra il suggerimento della sonda ed il campione affiorano. Il suggerimento può essere functionalized con le specie chimiche per microscopia chimica della forza. Microscopia della Forza Magnetica La Microscopia della Forza Magnetica (MFM) mappa il gradiente e la distribuzione della forza magnetica sopra la superficie del campione facendo uso di LiftMode (Figura 5). 
Figura 5. AFM (a) e LiftMode MFM (b) immagini della regione del suggerimento di palo sulla testina di lettura/scrittura (MR) magnetoresistente utilizzata nei dischi rigidi del computer. L'immagine di MFM mostra la struttura di dominio ed il SIG. sensore che non possono essere veduti in topografia del AFM. scansione di 12μm. Modulazione della Forza Forzi la rigidezza relativa delle mappe di Modulazione (brevettata) delle funzionalità di superficie. Microscopia della Forza Elettrica La Microscopia della Forza Elettrica (EFM) mappa il gradiente e la distribuzione di campo elettrico sopra la superficie del campione facendo uso di LiftMode. Rappresentazione Potenziale Di Superficie La Rappresentazione Potenziale Di Superficie è una delle poche tecniche del AFM che fa le mappe quantificabili di una quantità all'infuori della topografia di superficie. Facendo Uso di LiftMode, mappa la distribuzione di potenziale elettrico di superficie del campione. Le applicazioni Recenti comprendono gli studi di corrosione delle leghe. SPM Elettrochimico SPM Elettrochimico mappa i cambiamenti topografici in situ come indotti simultaneamente dalle reazioni elettrochimiche nelle soluzioni dell'elettrolito con controllo potenziale delle cellule elettrochimiche (per esempio voltametria). Può essere eseguito con il AFM o STM. Microscopia Potenziale Elettrochimica di Scansione La Microscopia Potenziale Elettrochimica di Scansione (SECPM) (brevettata) è la rappresentazione in situ o mappatura potenziale della superficie dell'elettrodo misurando la differenza di potenziale fra la sonda potenziometrica ed il campione immersi in una soluzione dell'elettrolito o un liquido polare (Figura 6). 
Figura 6. microscopio potenziale elettrochimico di Scansione (SECPM). Microscopia di Resistenza di Diffusione di Microscopia e di Scansione di Capacità di Scansione Microscopia di Resistenza di Diffusione (SCM) di Microscopia e di Scansione di Capacità di Scansione (SSRM) entrambi i profili di concentrazione nei portafili della mappa 2D (dopant) in materiali a semiconduttore. Microscopia del Termale di Scansione La Microscopia Termica di Scansione (SThM) mappa la distribuzione di temperatura in superficie. Traforo AFM ed AFM Conduttivo Il Traforo AFM ed AFM Conduttivo misura la corrente del suggerimento-campione per la caratterizzazione di conduttività elettrica e la valutazione di integrità della pellicola sottile. TRmode TRmode mappa le forze laterali ed i gradienti della forza. Interleaves con TappingMode per la caratterizzazione laterale e verticale complementare (Figura 7). 
La Figura 7. TRmode è una tecnica che usa le oscillazioni di torsione di una sonda del AFM. Nanoindenting Nanoindenting misura i beni meccanici e le caratteristiche di usura (durezza, aderenza, durevolezza) delle pellicole sottili, dei polimeri, Ecc. (per esempio dielettrici, di DLC). Queste tecniche stanno applicando ad una grande selezione dei campi di applicazione, da biologia ai semiconduttori, dalle unità di archiviazione di dati ai polimeri e dall'ottica integrata alla misura delle forze fra le particelle e le superfici. Altre applicazioni comprendono il montaggio di MEMS, vernici e mani, metalli/leghe/placcature, plastica/polimeri, biomateriali, biotecnologia, alimento ed imballaggio per alimenti, l'ottica/pellicole ottiche, dischi ottici, ceramica, pellicole sottili, cristalli liquidi, cosmetici e studi geologici ed ambientali. Inoltre, i sistemi del AFM già sono stati messi a punto per le applicazioni altamente specifiche, compreso i sistemi robot automatizzati per la manipolazione dei wafer a semiconduttore (Figura 2d). Egualmente sono stati sviluppati con le routine dell'analisi progettate per le applicazioni specifiche quali le misure del CD e dell'urto/pozzo di DVD come pure le misure di recessione del suggerimento di palo per fabbricazione della testina di lettura/scrittura di archiviazione di dati. Queste applicazioni continuano a espandersi. Controlli Dell'ambiente Le applicazioni del AFM sono effettuate in vari ambienti. AFMs può essere gestito in aria ambientale, nel vuoto ed in liquidi (Figura 8). Le misure Biologiche, in particolare, sono effettuate spesso in vitro in liquidi. Gli esperimenti Elettrochimici sono eseguiti in celle liquide, permettendo l'osservazione del atomico-disgaggio dei trattamenti elettrochimici. In alcuni casi, gli studi di superficie di pulizia sono fatti a pressione atmosferica nell'ambiente controllato di una scatola per guanti asciutta. 
La Figura 8. acido desossiribonucleico Condensato (DNA) è stata proposta come procedura di pubblicazione del gene per le applicazioni di biotecnologia. Qui, le molecole slegate erano imaged nella soluzione salina. scansione di 20μm. I nuovi prodotti Recenti comprendono i sistemi di riscaldamento per le applicazioni del polimero e biologiche fino a 250°C (Figura 9), completa con il campione specializzato e la percezione ambientale. I Sistemi ora sono egualmente disponibili per gestire l'ambiente gassoso del campione allo studio (Figure 10a e b). 
Figura 9. immagini Successive di fase di poli silossano (di hexacyclodimethyl) (a) a 85ºC e (b) 90ºC. Il Riscaldamento induce la formazione di isole liquide all'interno dei polimeri amorfi (a), che convertono in schiere di piccoli punti sul riscaldamento supplementare (b). scansioni di 10μm. 
Figura 10a. La Cappa Atmosferica per lo SPM Misto permette che il controllo dell'ambiente gassoso della rappresentazione vari l'umidità o l'immagine nell'ambito dei gas inerti. 
Figura 10b. Il EnviroScope offre l'alto vuoto, il riscaldamento, il controllo potenziale delle cellule elettrochimiche e l'ambiente purgato del gas. Avanzamenti Recenti di Tecnologia Il Nuovi hardware e software hanno esteso l'utilità dei sistemi di qualità superiore di SPM oltre la misura e la caratterizzazione per includere il nanomanipulation e il nanolithography. Gli Esempi dell'in-aereo e del nanomanipulation dell'fuori de aereo sono indicati nella le Figure 11a e 11b. Un esempio del nanolithography punta-e-clicca è veduto nella la Figura 11c. 
Figura 11a. Il nanomanipulation dell'in-aereo del AFM usa la sonda del AFM all'immagine, manipola gli oggetti del nanometro-disgaggio (nanotubes del carbonio) e l'immagine ancora per vedere i risultati. 
Figura 11b. Il nanomanipulation dell'fuori de aereo del AFM usa la sonda del AFM all'immagine, tira una singola biomolecola dal piano del campione mentre misura lo spiegamento della molecola e l'immagine ancora per vedere i risultati (in questo caso, la rimozione di una molecola da una schiera). 
Figura 11c. Nanolithography del AFM. I Nuovi regolatori e l'elettronica (i regolatori per esempio, di NanoScope IV e di IVa SPMs) sono stati destinati per migliorare alle le progettazioni tradizionali relative della prestazione. Alcuni degli sviluppi recenti nella tecnologia del AFM includono: Controlli Dell'ambiente Combinati L'ultima generazione di combinazioni di offerta di SPMs di controlli dell'ambiente, compreso il vuoto e la temperatura elevata (Figura 12). 
Figura 12. Poli-sbs alla temperatura ambiente in aria (a) e a 180°C in 10-5 Torr di pressione (b). Immagini catturate con il Enviroscope (Figura 10b). Più Alta risoluzione laterale I sistemi del AFM ora forniscono il più alta densità di dati per concedere zumare nei dettagli più fini, anche sulle grandi scansioni. Ciò fornisce la risoluzione richiesta per caratterizzare i muri laterali su tali campioni come DVD urta/scava e semiconduttori. Egualmente permette l'osservazione e la misura dei dettagli del nanoscale sulle grandi scansioni - senza la necessità di passare il tempo supplementare che pre-esplora il campione con una più piccola area di scansione (Figura 13). 
Figura 13. Immagine di altezza di TappingMode+ e zoom di un copolimero. L'immagine quadrata è uno zoom nell'area inscatolata nell'immagine rettangolare originale. Questo dettaglio è rivelato semplicemente zummando con il software e senza l'esigenza più piccole delle scansioni che richiede tempo e ripetitive. Senza questo scansione più di alta risoluzione, l'immagine zumata non avrebbe la risoluzione del pixel richiesta per osservare i dettagli del nanoscale. scansione di 1.24μm x di 10μm e zoom di 1μm x di 1μm. Controllo “di Q„ - Gestire il fattore di qualità, o la Q, della sonda d'oscillazione del AFM permette il migliore controllo delle forze fra il suggerimento ed il campione e migliora la sensibilità delle misure quali con PhaseImaging e MFM (Figura 14). 
Figura 14. Le Immagini della stessa area sulla registrazione su nastro magnetico hanno scandito con e senza Q-Control. Le immagini di rilevazione MFM di Fase e le misure medie di sezione trasversale di di sfasamento della sonda illustrano quasi il rapporto segnale-rumore migliorato 4x per all'l'immagine Controllata a q. scansioni di 15μm. Riassunto La microscopia di Scansione di traforo ha prodotto le immagini drammatiche delle grate atomiche e la microscopia atomica della forza ha esteso la tecnologia alle superfici non conduttive. Lo Sviluppo dei microscopi atomici della forza ha permesso che gli scienziati e gli ingegneri vedessero la struttura ed il dettaglio con risoluzione senza precedenti e senza l'esigenza del preparato rigoroso del campione. Parecchi avanzamenti più ulteriormente hanno esteso l'utilità di questa tecnica fino una vasta gamma di applicazioni. TappingMode permette la rappresentazione dei materiali molli senza danneggiamento del campione e LiftMode permette la rappresentazione separata ma simultanea della topografia ed altri parametri, quali le forze magnetiche o elettriche, senza contaminazione trasversale. PhaseImaging ha aperto la capacità per la mappatura delle variazioni composizionali di superficie. Le Nuove tecnologie di misura e di scansione hanno ampliato l'intervallo delle misure e così ulteriormente hanno aumentato l'utilità del AFM per una vasta varietà di applicazioni. Questi sviluppi hanno catturato il AFM, durante alcuni brevi anni, da una curiosità del laboratorio ad una delle tecnologie più potenti, più flessibili ed ampiamente usate per la caratterizzazione di superficie. |