Représentation de Phase des Matériaux de Polymère, Caractérisation Avancée de Nanoscale avec Bruker SPM

La représentation de TappingMode a prouvé à être le mode le plus versatile de la microscopie atomique de force (AFM) dans des conditions ambiantes où la présence d'une couche liquide (vapeur d'eau condensée et d'autres contaminants) limite sévèrement les possibilités d'application de les deux, mode de contact et techniques de non contact. Surmontant les défis lancés par la friction, l'adhérence, et d'autres délivrances, TappingMode a fourni des moyens d'étendre grand des applications d'AFM. La Représentation de Phase est une extension importante de la représentation de TappingMode. En traçant à l'extérieur la phase de l'encorbellement de oscillation, la représentation de phase dépasse le mappage topographique simple. Être sensible aux variations de l'adhérence et de la visco-élasticité, représentation de phase peut fournir des informations au sujet de la composition témoin et de la séparation de microphase.

La représentation de Phase peut indiquer des séparations de microphase se produisant en copolymères en bloc. L'Obtention de cette information avec des techniques alternatives concerne des complications, telles que le produit chimique souillant pour TEM. Avec la représentation de phase de TappingMode, l'AFM peut fournir la visualisation de la configuration de séparation de microphase directement des images obtenues en états ambiants d'un fi LM mince non traité. Le Schéma 2 affiche des images biphasées d'un copolymère du triblock Picoseconde-b-PB-B-PICOSECONDE (PICOSECONDE, polystyrène ; PB, polybutadiène). Les Deux tunnels affichent de manière dégagée la configuration ver de terre ver de terre prévue de séparation de microphase. Les domaines de microphase montrent une largeur du ~ 35nm. Les lamelles plus raides de PICOSECONDE semblent lumineuses dans les deux, la topographie (impliquant des caractéristiques techniques plus grandes) et la phase (impliquant la cornière de phase plus positive). Pour Qu'une image de phase réfléchisse des différences dans la visco-élasticité ou le module d'un matériau, les besoins de sonde d'AFM de pénétrer le matériau. Plus avec précision, les besoins de sonde de pénétrer le suffi ciently loin tels que les interactions de tipsample sont influencées par les propriétés matérielles de la couche d'intérêt. Dans le cas d'un Picoseconde-b-PB-b LA PICOSECONDE fi LM, une haut-couche amorphe et Pb-enrichie est habituellement présent. Ainsi, la combinaison d'un encorbellement mol (par exemple, FESP, le ~ de k 2-5N/m) avec des états de filetage de la lumière n'a pas découvert la configuration de séparation de microphase. Des Images comme ceux représentées sur le Schéma 2 sont habituellement obtenues dans les conditions de filetage dures, c.-à-d., taux assez élevés de l'amplitude libre à l'amplitude de point de consigne. Sonde ajustant à l'amplitude modérée (le ~ de configuration de gain de puissance d'entrée 8) et l'augmentation significative de l'amplitude en porte-à-faux d'entraînement en s'engageant, conjointement avec des gains proportionnels élevés de contrôle par retour de l'information, donneront l'effet désiré.

Le Schéma 1. 5µm (laissés) et (bonne) image de la phase 500nm de copolymère du triblock Picoseconde-b-PB-B-PICOSECONDE. Les conditions Suffisamment dur de filetage ont assuré la pénétration de sonde dans la couche sous la surface, où une configuration wormlike de séparation de microphase est présent comme peut être vu de manière dégagée dans des les deux tunnels. Images saisies avec l'active En Boucle Bloquée.

Car la représentation de phase est sensible aux variations locales des propriétés mécaniques, elle peut avoir les moyens des moyens efficaces de tracer à l'extérieur la distribution des composants dans les échantillons composés. Le Schéma 3 des images de topographie et de phase de montux d'un polyéthylène multicouche croix-en coupe échantillonnent, composé de couches alternes de densité de ciel et terre. L'image de topographie est dominée par la large échelle, l'ondulation basse fréquence de hauteur qui a apparemment résulté du croix-sectionnement par cryomicrotoming. L'image de phase a un aspect entièrement différent, fournissant de manière dégagée les informations complémentaires. L'image de phase est dominée par un ensemble alternatif de pistes, représentant évidemment l'alternance recherchée dans les propriétés matérielles et ainsi les couches constitutives. De plus, les caractéristiques techniques fines topographiques sont tout à fait apparentes, comme des gouttelettes, indiquant une surface vieillissante témoin. Les gouttelettes de manière dégagée ne sont pas distribuées irrégulier. En Revanche, elles semblent former le long des lignes, brouillons vraisemblablement petits transmis sur l'échantillon par le procédé microtoming.

Le Schéma 2. Topographie (laissée) et image de phase (droite) d'un échantillon multicouche cryo-microtomed de polyéthylène. Tandis Que la topographie est dominée par des ondulations de grande puissance, la phase fournit une vue propre de la structure posée. La structure fine Supplémentaire affiche la présence de petites gouttelettes. Taille de l'image 55µm.

Tandis Que l'image de phase sur le Schéma 3 fournit un plan particulièrement propre des composants alternatifs de densité, les propriétés matérielles différentes peuvent également exercer un effet sur la topographie observée d'AFM, selon le choix du mode de représentation, de l'encorbellement, et d'autres facteurs.

Hormis le mappage compositionnel et la visualisation des séparations de microphase, la représentation de phase peut faciliter le dépistage des structures fines. Le Schéma 4 affiche des images d'AFM d'un film installé de polypropylène isotactique, également connu sous le nom de membrane microporeuse Celgard. Les Deux, la topographie et mettent de manière dégagée l'exposition en phase la configuration des structures brillar installées de fi qui est caractéristique de cet échantillon. L'échelle de hauteur hors-tout (~ 200nm) étant dominé par de grandes variations, des structures plus fines ne sont pas évidentes dans les données de topographie. En revanche, l'image de phase indique de manière dégagée le ner de fi, structures lamellaires partiellement installées (~ 20nm au loin) entre les lignes des fibrilles. Car le signe de phase est sensible aux écarts de l'amplitude de vibration de l'amplitude de point de consigne, il peut servir de technique de dépistage d'arête et met en valeur ainsi de telles structures fines qui sont facilement négligées dans le tunnel de topographie.

Le Schéma 3. Topographie (laissée) et image de phase (droite) de Celgard. Tandis Que les structures brillar installées de fi sont évidentes en topographie, l'image de phase indique supplémentaire la structure lamellaire de Ne de fi. Taille de l'image 3.5µm.

L'aspect de la structure fine dans des images de phase complète non seulement la sensibilité aux propriétés matérielles. En recensant des composants dans les échantillons composés, l'aspect de la structure fine dans des aides d'images de phase dans la représentation compositionnelle. Le Schéma 5 affiche des images de topographie et de phase d'un vulcanisat thermoplastique, d'un matériau à plusieurs éléments se composant du polypropylène isotactique, de caoutchouc, et de remplissage de noir de carbone.

Le Schéma 4. Topographie (laissée) et image de phase (droite) de vulcanisat thermoplastique. L'image de phase affiche de manière dégagée la structure fine lamellaire, indiquant l'enrichissement du composant de polypropylène dans cette région. Taille de l'image 7.6µm.

Une structure fine lamellaire peut être discernée dans l'image de topographie et beaucoup plus clair est vue dans la phase, indiquant que cette région est enrichie dans le composant de polypropylène. D'Autres modes de représentation d'AFM peuvent aider à obtenir les informations complémentaires au sujet de cet échantillon composé. En particulier, la microscopie de force électrique peut découvrir la distribution du matériau de remplissage de noir de carbone près de la surface.

Deux modes de lecture conventionnels d'AFM - le mode de contact et le mode de non contact ont été utilisés pendant quelque temps avec la réussite variable. Chacun a ses limitations, en particulier pour les échantillons fragiles de représentation dans des conditions ambiantes.

Le mode de Contact AFM représente la technique d'imagerie la plus simple. L'échantillon est simplement déménagé transversal relativement à la sonde tels que la sonde est frottée en travers de la surface. Tandis Que cette technique a été réussie pour beaucoup d'échantillons, elle est sujette à des inconvénients sérieux. Essentiellement, le mouvement de frottement de la sonde combinée avec les forces adhésives d'extrémité-surface peut mener aux dégâts substantiels pour sonder et à l'échantillon, produisant des artefacts dans l'image et dégradant souvent la définition sévèrement.

Dans des états d'air ambiant, la plupart des surfaces sont couvertes par une couche liquide, composée d'eau et d'autres contaminants, qui est type plusieurs nanomètres profondément. Une extrémité d'AFM touchant cette couche fera former un ménisque et la tension superficielle tirera l'extrémité sur la surface. Les pouvoirs adhésifs Supplémentaires peuvent résulter des frais électrostatiques enfermés (voir le Schéma 6).

les forces d'Extrémité-Échantillon sont ainsi plus grandes que l'ection en porte-à-faux de defl semblerait indiquer. Également, le mouvement transversal pendant la représentation de mode de contact est associé avec des forces transversales plus importantes, ayant pour résultat les dégâts sévères d'extrémité ou d'échantillon ou le déplacement involontaire des adsorbants extérieurs faible liés. On peut éliminer des forces Capillaires par submersing complet l'échantillon et l'extrémité de sonde dans le liquide. Cependant, les surfaces témoin sont souvent moins robustes dans le liquide (par exemple, des adsorbants plus faible sont liés) ou ne sont pas compatibles avec un environnement liquide du tout.

Le Schéma 6. En contact les forces de tension de mode AFM, électrostatique et/ou superficiel de la couche liquide adsorbée mènent aux forces de cisaillement transversales destructrices. De la note d'application AN04, Applications et Technologie de Représentation de TappingMode. Le mode De Non Contact représente une tentative de surmonter les forces délétères d'extrémité-surface associées avec le mode de contact. Malheureusement, les états d'air ambiant favorisent rarement la représentation de non contact d'AFM.

Le mode De Non Contact est basé sur le dépistage des faibles forces attrayantes de van der Waals qui existent entre l'extrémité et échantillonnent quelques nanomètres au-dessus de la surface. Il est important de noter que la couche liquide présentent en conditions ambiantes protège partiellement ces forces et occupe une grande part de leur domaine utile, c.-à-d., si comparé au fonctionnement dans le vide très poussé, où aucune couche liquide n'est présente. En Raison du domaine limité de toutes les forces résiduelles de van der Waals, leur dépistage rend nécessaire des amplitudes très petites de vibration. En même temps, un encorbellement actionné aux amplitudes très petites est facilement enfermé à l'intérieur de la couche liquide, une fois qu'il touche.

Dans le cas idéal, le fonctionnement demeure en dehors de la couche liquide - et pour cette raison plusieurs nanomètres à partir de l'échantillon apprêtent. Les conséquences sont considérablement définition dégradée (par rapport à TappingMode) et une incapacité de tracer à l'extérieur des variations des propriétés mécaniques locales. Dans la pratique, la sonde est fréquemment tirée sur la surface et les restes témoin enfermés là tandis que le mouvement de balayage se produit, menant aux dégâts inutilisables de données et d'échantillon assimilés à cela provoqué par mode de contact.