| スキャンのプローブの顕微鏡は (SPMs)表面の特性を測定する器械です。 それらは原子力の顕微鏡および (AFMs)スキャンのトンネルを掘る顕微鏡を含んでいます (STMs)。 最初アプリケーションでは、 SPMs は 3D 表面の地形を測定するために主に使用され、他の多くの表面の特性を測定するのにそれらが今使用することができるがそれは今でも一次アプリケーションです。 SPMs は次元が interatomic 間隔からミリメートルの第 10 まで及ぶ表面機能を測定する表面の度量衡学の私達の時間の最も強力なツールです。 すべての SPMs に公有地である主な特長は表面への非常に近い間隔を維持している間測定が表面にスキャンする近いフィールドで動作する鋭いプローブと、すなわち行われることです。 これらの器械、とりわけ STMs は、平面の原子整理の実質スペース画像を作り出す第 1 でした。 SPMs は今最も広く使われています Ångstrom にマイクロメートルのスケールの非常に精密な、三次元測定を行うために。 共通の顕微鏡の表 1. の比較そして特性。 | | | | | | 被写界深度 | 小さい | 大きい | 媒体 | | バックフォーカス | 媒体 | 大きい | 小さい | | 解像度: X、 Y | 1.0μm | 5nm | AFM のための 2-10nm
STM のための 0.1nm | | 解像度: Z | n/a | n/a | 0.05nm | | 有効な拡大 | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | サンプル準備の条件 | 少し | 少し実質的な物に | 少しまたはどれも | | サンプルに必要な特性 | サンプルは使用される波長をつけるために完全に透過でなければなりません | 表面は料金を造り上げ、互換性がある真空でなければなりません | サンプルは表面の高さ >10 のμm のローカル変化があってはなりません | *Environmental SEMs は高圧および低い eV で動作しますが、解像度は犠牲になります。 80 年代まで、研究者はイメージ投射および表面の形態を測定するための他の器械に頼りました。 ここで二十年の存在に、 SPMs は表面の度量衡学フィールドに最も新しいエントリです。 光学顕微鏡および電子顕微鏡 (SEMs の TEMs) に対して、 SPMs の測定すべての 3 つの次元で浮上します: X、 Y および Z。 SEMs のように、 SPMs の画像はサンプルの表面を測定し。 ほとんどの SPMs のための X および Y の地勢解像度は、 AFMs を含んで、普通 2 から 10 ナノメーターです (STM の解像度は 0.1nm ある場合もあります)。 Z の解像度はうまく設計された AFM または STM のための 0.1nm についてあります。 光学顕微鏡および SPMs は必要なサンプル準備および真空がほとんどない、最も使用し易くないです。 光学顕微鏡および SEMs はより大きい視野があることができますが SPMs は 3D の最も高い拡大そして解像度を提供します。 最小のサンプル準備が付いているほとんどのサンプルのなお SPMs 作業だけ。 ブリーフヒストリー スキャンのトンネルを掘る顕微鏡は (STM)最初の SPM の技術で、認識され原子解像度の機能を 1981 年に持っていますとして。 実際は STM はまだ使用できる最もよい解像度を提供します (図 1)。 STM は画像に先端とサンプル間のトンネルを掘る流れをサンプル表面使用します。 残念ながらサンプルの表面はコンダクターまたは半導体でなければならないことであるかどれがの、ある限定、最も重要のがあります。 これは調査することができる材料を限定します。 
ヨウ素吸着質の格子で単一原子の欠陥を示すプラチナの図 1. STM の画像。 2.5nm スキャン。 この限定は最初の原子力の顕微鏡の 1986 年に発明の原因となりました。 最初の商用化された AFM は 1989 年に、数字式計器 NanoScope® 導入されました。 STM のように、 AFM はまた表面の形態を厳密に調べ、マップするのに非常に鋭い先端を使用します。 ただし、 AFM に先端とサンプル間の流れを測定する条件はありません。 この場合、先端は低いばねの定数のマイクロ製造された片持梁の端にあります。 接触モード AFM では、最初の AFM の技術はサンプルに対する先端を押す片持梁の定数そして非常に低い偏向の維持によって、先端サンプル力固定保持されます。 この力は固体の interatomic 力の範囲にある場合もあります。 次に、私達は先端の縦動きがどのように地勢データに検出され、変形するか含んでいる AFM の基本原則を記述します。 基本的な AFM のコンポーネント 基本的な AFM は概念 (図 2a) で比較的簡単です。 その最も近い前任者はスタイラス型彫機です。 
図 2. (a) は一般的な AFM の図表を簡素化しました。 写真は (b) マルチモード SPM の例を、 (c) 次元 3100 SPM、 (d) 半導体のアプリケーションのための十分に自動化されたロボティック次元 X3D システム示し。 AFM の技術はスタイラス型彫機より鋭いプローブそしてサンプル損傷なしで高リゾリューション情報を提供するのに低い力を使用します。 一般的な AFM は次のコンポーネントから成り立ちます: - スキャンシステム
- プローブ
- プローブの動きセンサー
- コントローラの電子工学
- 騒音の隔離
- コンピュータ
スキャンシステム 顕微鏡の AFM そして中心の最も基本的なコンポーネントはスキャンナーです。 個々のデザインによってより大きいサンプル (図 2c、 Dimension™ 3100 SPM) 上のプローブをスキャンするには、スキャンナーはサンプルが十分に小さければ、またはかもしれないです (移動) サンプル (図 2b、 MultiMode™ SPM) をスキャンするかもしれません。 必要な精密を達成するためには圧電気の管のスキャンナーは普通副Ångstrom 動作制御を提供するために使用されます。 プローブ システムのもう一つの主要部分はプローブです。 前述のように、プローブは静止しま、サンプルはそれの下でスキャンすることができますまたはプローブはサンプルにスキャンすることができます。 今日の洗練された技術を使うと、先端/プローブ (図 3) を構成する片持梁アセンブリは一貫して整形、非常に鋭い先端を使うと大量生産することができます。 これらの先端はいろいろなアプリケーションのために設計されている特性の広い範囲を備えている片持梁の端に統合されています。 
図 3. エッチングされた単一水晶のケイ素 AFM の先端および先端/片持梁アセンブリの SEM の顕微鏡写真 プローブの動きセンサー この単位はプローブとサンプル間の力を感じ、圧電気のスキャンナー (図 2a) の Z の部分に訂正のシグナルを力の定数を保つ提供します。 この機能のための共通デザインは低雑音、最も安定したである、および使用できるほとんどの多目的なシステムと呼出されます光学ビーム偏向システム。 このデザインは照り、プローブの動きを測定するためにから背部の片持梁反射するレーザ光線をとにセグメント化されたフォトダイオード使用します。 コントローラの電子工学 この単位はコンピュータ、スキャンシステムおよびプローブの動きセンサーの間のインターフェイスを提供します。 それは圧電気のスキャンナーを制御する電圧を、受け入れ、プローブの動きセンサーからのシグナルを含んでいますサンプルと先端の定数間の力を保つためのフィードバック制御の電子工学を供給します。 騒音の隔離 高リゾリューションを達成するためには、顕微鏡は環境の騒音から隔離されなければなりません。 床の振動と音響の、電気および光学雑音ソースからの AFMs を隔離するための非常に有効な、けれども単純システムがあります。 コンピュータ 最後に、スキャンのプローブの顕微鏡検査および AFM はシステムを運転し、作り出されたデータの富を処理し、表示し、分析する強力な、高速パソコンのアベイラビリティなしで実行可能ではないです。 アプリケーション/スキャン技術 短い一生の間に、 SPM は基本的なスキャンのトンネルを掘る主題に既に多くの変化を追加してしまいました。 AFM が STM (サンプル伝導性の条件) の厳しいアプリケーション限界を克服したら、技術の変化および応用範囲は急速に広まり始めました。 地勢マップが今でも AFM (図 4)、商用化された SPMs のための支配的なアプリケーション今であるが次の技術いくつかまたはすべてを提供して下さい: スキャンのトンネルを掘る顕微鏡検査 プローブの先端 (STM)と伝導性のサンプル間のトンネルを掘る流れを使用してスキャンのトンネルを掘る顕微鏡検査の手段の地形は浮上します。 
図 4. 3 つの欠陥 - 2 つの突起および不況 - の詳しい地形位相ずれの写真平版マスクの…。 横断面は画像の平面の 2 つの突起 (a) ~140nm のより小さいの測定します。 不況の欠陥 (b) は 6nm よりより少しを深く測定します。 1.5μm スキャン。 接触モード AFM 接触モード AFM はサンプルと接触してプローブとの地形を永遠に測定します。 TappingMode AFM 軽く振動のプローブの先端の表面を叩くことによる TappingMode AFM の (特許を取られる) 手段の地形。 せん断力 (接触モードの現在) を除去します。 今では TappingMode はポリマーのようなより柔らかい表面のほとんどのアプリケーションのための選択の走査方式、特にです。 無接触モード AFM 表面とプローブ間のヴァン der Waals の魅力の感知による無接触モード AFM の手段の地形はひっくり返ます。 それは接触か TappingMode よりより少なく安定しています。 LiftMode LiftMode は (特許を取られる) 表面の上の一定した間隔でプローブの先端を追跡するために地勢情報を使用して別に地形および別の指定特性 (磁気力、電気力、等) を測定する二路式の技術です。 PhaseImaging PhaseImaging は (特許を取られる) サンプルのローカル機械または付着力特性の相違に基づいて表面の構成をマップします。 側面力の顕微鏡検査 プローブの先端 (LFM)とサンプル間の側面力の顕微鏡検査のマップの摩擦力は浮上します。 先端は化学力の顕微鏡検査のための化学種と functionalized できます。 磁気力の顕微鏡検査 磁気力の顕微鏡検査は (MFM) LiftMode (図 5) を使用してサンプル表面の上の磁気力の勾配そして分布をマップします。 
(a) 図 5. AFM および (b) コンピュータのハード・ドライブで使用される磁気抵抗読書きヘッドの (MR)ポール先端金具領域の LiftMode MFM の画像。 MFM の画像は AFM の地形で見ることができない氏センサーをおよびドメイン構造示します。 12μm スキャン。 力変調 表面機能の変調 (特許を取られる) マップの相対的な剛さを強制して下さい。 電気力の顕微鏡検査 電気力の顕微鏡検査は (EFM) LiftMode を使用してサンプル表面の上の電界の勾配そして分布をマップします。 表面の潜在的なイメージ投射 表面の潜在的なイメージ投射は表面の地形以外量の限量化可能なマップを作る少数の AFM の技術の 1 つです。 LiftMode を使用して、それはサンプルの表面の電気潜在性の分布をマップします。 最近のアプリケーションは合金の腐食の調査を含んでいます。 電気化学 SPM 電気化学 SPM は電気化学のセル潜在的な制御 (例えばボルタンメトリー) と電気化学の反作用によって同時に誘導されるように in-situ 電解物の解決の地勢変更をマップします。 AFM か STM と行うことができます。 スキャンの電気化学の潜在的な顕微鏡検査 スキャンの電気化学の潜在的な顕微鏡検査は (SECPM) (特許を取られる) 電解物の解決で浸る電位差プローブおよびサンプルまたは北極の液体 (図 6) 間の電位差の測定によって電極の表面の in-situ イメージ投射または潜在的なマップ行います。 
図 6. スキャンの電気化学の潜在的な顕微鏡 (SECPM)。 スキャンキャパシタンス顕微鏡検査およびスキャンの広がり抵抗の顕微鏡検査 スキャンキャパシタンス顕微鏡検査 (SCM)およびスキャンの広がり抵抗の顕微鏡検査 (SSRM)半導体材料の両方のマップの第 2 キャリア (添加物) の集中のプロフィール。 スキャンの熱顕微鏡検査 スキャンの熱顕微鏡検査 (SThM) は表面温度の分布をマップします。 AFM および伝導性 AFM トンネルを掘ること AFM および伝導性 AFM トンネルを掘ることは電気伝導率の性格描写および薄膜の保全の評価のための先端サンプル流れを測定します。 TRmode TRmode は側面力および力の勾配をマップします。 補足の側面および縦の性格描写 (図 7) のための TappingMode のインターリーブ。 
図 7. TRmode は AFM のプローブのねじり振動を使用する技術です。 Nanoindenting Nanoindenting は薄膜、ポリマー、等 (例えば誘電体、 DLC) の機械特性そして摩耗の特性 (硬度、付着、耐久性) を測定します。 これらの技術は多数のアプリケーション領域に、生物学から半導体に、データ記憶装置からポリマーに、そして統合された光学から粒子と表面間の力の測定に適用されています。 他のアプリケーションは MEMS の製造、ペンキおよびコーティング、金属/合金/めっき、プラスチック/ポリマー、生体材料、人間工学、食糧および食品包装、光学/光学フィルム、光学ディスク、製陶術、薄膜、液晶、化粧品および地質および環境調査含んでいます。 さらに、 AFM システムは半導体ウエハー (図第 2) を扱うための自動化されたロボティックシステムを含む非常に特定のアプリケーションのために既に、開発されてしまいました。 それらはまたカドミウムおよび DVD 隆起/ピットの測定のような特定のアプリケーションのために設計されている分析ルーチン、またデータ記憶の読書きヘッドの製造業のためのポール先端金具の後退の測定と開発されました。 これらのアプリケーションは拡大し続けます。 環境制御 AFM のアプリケーションはいろいろな環境で遂行されます。 AFMs は周囲の空気、真空、および液体 (図 8) で作動させることができます。 生物的測定は、特に、頻繁に液体で生体外で遂行されます。 電気化学の実験は液体のセルで行われ、電気化学プロセスの原子スケールの観察を許可します。 場合によっては、表面のクリーニングの調査は乾燥したグローブボックスの制御環境の大気圧で行われます。 
図 8. は人間工学アプリケーションのための遺伝子の送達機構としてデオキシリボ核酸 (DNA) を提案されました凝縮させました。 ここでは、取りはずされた分子は塩水濃度で視覚化されていました。 20μm スキャン。 最近の新製品は 250°C (洗練されたサンプルおよび環境の感知まで生物的およびポリマーアプリケーションのための暖房装置をと完全な図 9) 含んでいます。 システムはまた今調査 (10a および b) 図の下でサンプルの気体環境を制御するために使用できます。 
図 9. 連続的な (a) 85ºC および (b) 90ºC の多 (hexacyclodimethyl の) シロキサンの段階の画像。 暖房は追加暖房 (b) の小さい点のアレイに変換する無定形ポリマー (a) 内の液体の島の形成を誘導します。 10μm スキャン。 
図 10a。 マルチモード SPM のための大気フードは気体イメージ投射環境の制御が不活性ガスの下で湿気か画像を変えるようにします。 
図 10b。 EnviroScope は高真空、暖房、電気化学のセル潜在的な制御および清浄にされたガスの環境を提供します。 最近の技術の前進 新しいハードウェアおよびソフトウェアは nanomanipulation および nanolithography を含むために測定および性格描写を越えるハイエンド SPM システムのユーティリティを拡張しました。 内部平面およびの平面の nanomanipulation の例は図 11a および 11b で示されています。 ポイントおよびクリックの nanolithography の例は図 11c で見られます。 
図 11a。 AFM の内部平面の nanomanipulation は画像に AFM のプローブを、処理します再度ナノメータースケールの結果を見るために目的 (カーボン nanotubes)、および画像を使用します。 
図 11b。 AFM のの平面の nanomanipulation は画像に結果 (この場合、アレイからの 1 分子の取り外し) を見るために分子の展開を AFM のプローブを使用しましたり、サンプルの平面から単一の生体物質、および画像を再度測定している間引き抜きます。 
図 11c。 AFM の nanolithography。 新しいコントローラおよび電子工学 (例えば、 NanoScope IV および IVa SPMs のコントローラ) はパフォーマンス相関的な従来のデザインを高めるように設計されていました。 AFM の技術の最近の進展の一部は下記のものを含んでいます: 結合された環境制御 真空および高温 (図 12) を含む環境制御の SPMs の提供の組合せの最新の生成。 
図 12。 (b) 空気 (a) の室温と圧力 10-5 トルのの 180°C で多sbs。 Enviroscope (図 10b) と捕獲される画像。 より高い側面解像度 AFM システムは大きいスキャンの最も良い細部に、急上昇することを割り当てるように今より高いデータ密度を提供します。 これは DVD がおよび半導体ぶつけたり/凹めるそのようなサンプルのサイドウォールを特徴付けるために必要な解像度を提供します。 それはまた - より小さいスキャン領域 (図 13) のサンプルを再スキャンする追加時間を使う必要性なしで…大きいスキャンの nanoscale の細部の観察そして測定を可能にします。 
図 13。 共重合体の TappingMode+ の高さの画像そしてズームレンズ。 正方形の画像は元の長方形の画像の囲まれた領域にズームレンズです。 この細部はソフトウェアとのそして時間のかかる、反復的でより小さいスキャンのための必要性なしの単に急上昇によって明らかにされます。 この高リゾリューションのスキャンなしで、急上昇させた画像に nanoscale の細部を見るために必要なピクセル解像度がありません。 10μm x 1.24μm スキャンおよび 1μm x 1μm のズームレンズ。 「Q」 - 制御 振動 AFM のプローブの品質要因、か Q を、制御することは先端とサンプル間の力のよりよい制御を可能にし、 PhaseImaging および MFM (図 14) ののような測定の感度を改善します。 
図 14。 磁気記録テープの同じ領域の画像は Q 制御の有無にかかわらずスキャンしました。 プローブの位相ずれの段階の検出 MFM の画像そして平均断面測定は Q 制御の画像のための 4x によって高められる信号対雑音比をほぼ説明します。 15μm スキャン。 概要 スキャンのトンネルを掘る顕微鏡検査は原子格子の劇的な画像を作り出し、原子力の顕微鏡検査は非導電表面に技術を広げました。 原子力の顕微鏡の開発は科学者およびエンジニアが前例のない解像度のそして厳密なサンプル準備のための必要性のない構造そして細部に会うことを可能にしました。 複数の前進は広い応用範囲に更にこの技術のユーティリティを拡張しました。 TappingMode はサンプルへの損傷なしで柔らかい材料のイメージ投射を可能にし、 LiftMode はクロス汚染なしで地形の別同時イメージ投射および他のパラメータを、磁気か電気力のような、割り当てます。 PhaseImaging は表面の合成変化のマップのための機能を開発しました。 新しいスキャンおよび測定の技術は測定の範囲を拡大し、いろいろアプリケーションのためにこうして更に AFM のユーティリティを高めました。 これらの開発は AFM を、実験室の興味からの表面の性格描写のための最も強力で、最も適用範囲が広い、広く利用された技術の 1 つに少数の短い年に、持って行きました。 |