Rappresentazione dei Polimeri, Caratterizzazione Avanzata di Fase di Nanoscale con Bruker SPM

La rappresentazione di TappingMode è risultato essere il modo più versatile di microscopia atomica della forza (AFM) nelle circostanze ambientali dove la presenza di livello fluido (vapore acqueo condensato ed altri agenti inquinanti) limita severamente l'applicabilità di entrambi, il modo di contatto e tecniche senza contatto. Sormontando le sfide posate da attrito, l'aderenza ed altre emissioni, TappingMode ha fornito mezzi notevolmente di estensione delle applicazioni del AFM. La Rappresentazione di Fase è un'estensione importante della rappresentazione di TappingMode. Pianificando la fase della trave a mensola d'oscillazione, la rappresentazione di fase va oltre la mappatura topografica semplice. Essere sensibile alle variazioni nell'aderenza e nella viscoelasticità, la rappresentazione di fase può fornire informazioni sulla composizione nel campione e sulla separazione di microphase.

La rappresentazione di Fase può rivelare le separazioni di microphase che accadono in copolimeri di blocco. Ottenere questi informazioni con le tecniche alternative comprende le complicazioni, quale il prodotto chimico che macchia per TEM. Con la rappresentazione di fase di TappingMode, il AFM può fornire la visualizzazione del reticolo della separazione di microphase direttamente dalle immagini ottenute in stati ambientali di un fi lm sottile non trattato. Figura 2 mostra le immagini bifasi di un copolimero del triblock PS-b-PB-B-PS (PS, polistirolo; PB, polibutadiene). Entrambi I canali mostrano chiaramente il reticolo del tipo di verme previsto della separazione di microphase. I domini di microphase esibiscono una larghezza di ~ 35nm. Le lamelle più rigide di PS sembrano luminose entrambi, nella topografia (che implicano le funzionalità più alte) e nella fase (che implica angolo di fase più positiva). Affinchè un'immagine di fase riflettano le differenze nella viscoelasticità o in modulo di un materiale, le necessità della sonda del AFM di penetrare il materiale. Più precisamente, le necessità della sonda di penetrare suffi ciently lontano tali che le interazioni del tipsample sono influenzate dai beni materiali dal livello di interesse. Nel caso di un PS-b-PB-b LO PS il fi il lm, un superiore livello amorfo e Pb-arricchito è solitamente presente. Quindi, la combinazione di trave a mensola molle (per esempio, FESP, il ~ del K 2-5N/m) con gli stati di spillatura dell'indicatore luminoso non riuscirebbe a scoprire il reticolo della separazione di microphase. Le Immagini come quelle come appare Figura 2 sono ottenute solitamente con le circostanze di spillatura dure, cioè, rapporti equo alti di ampiezza libera ad ampiezza del punto vincente. Sonda che sintonizza all'ampiezza moderata (il ~ dell'impostazione di guadagno dell'input 8) e l'importante crescita dell'ampiezza a mensola dell'unità sopra l'aggancio, insieme con i guadagni di feedback proporzionali alti, daranno il risultato voluto.

Figura 1. 5µm (lasciati) e (giusta) immagine di fase 500nm del copolimero del triblock PS-b-PB-B-PS. Le circostanze Sufficiente duro di spillatura hanno assicurato l'infiltrazione della sonda nel livello sotto la superficie, in cui un reticolo wormlike della separazione di microphase è presente può essere veduto chiaramente in entrambi i canali. Immagini acquistate con attivo A Circuito Chiuso.

Poichè la rappresentazione di fase è sensibile alle variazioni locali nei beni meccanici, può permettersi i mezzi efficienti per pianificare la distribuzione delle componenti in campioni compositi. La Figura 3 immagini della topografia e di fase di manifestazioni di un polietilene a più strati inter-sezionato campiona, composto di livelli alternati di alta e densità bassa. L'immagine della topografia è dominata dalla larga scala, ondulazione a bassa frequenza di altezza che è derivato apparentemente dalla inter-divisione cryomicrotoming. L'immagine di fase ha un aspetto interamente differente, fornente chiaramente informazioni complementari. L'immagine di fase è dominata da un insieme alternante delle bande, rappresentante ovviamente l'alternativa richiesta in beni materiali e così livelli componenti. Inoltre, le funzionalità fini topografiche sono prontamente evidenti, quali le goccioline, indicanti una superficie del campione di invecchiamento. Le goccioline non si distribuiscono chiaramente a caso. Piuttosto, sembrano formarsi seguendo le righe, graffi presumibilmente piccoli comunicati sul campione tramite il trattamento microtoming.

Figura 2. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) di un campione a più strati cryo-microtomed del polietilene. Mentre la topografia è dominata dalle ondulazioni su grande scala, la fase fornisce una visualizzazione pulita della struttura stratificata. La struttura fine Supplementare mostra la presenza di piccole goccioline. Dimensioni immagine 55µm.

Mentre l'immagine di fase nella Figura 3 fornisce una mappa particolarmente pulita delle componenti alternanti di densità, i beni materiali differenti possono anche avere un effetto sulla topografia osservata del AFM, secondo la scelta del modo della rappresentazione, della trave a mensola e di altri fattori.

Oltre alla mappatura composizionale ed alla visualizzazione delle separazioni di microphase, la rappresentazione di fase può aiutare nella rilevazione delle strutture fini. Figura 4 mostra le immagini del AFM di una pellicola orientata di polipropilene isotattico, anche conosciuta come la membrana microporosa Celgard. Entrambi, la topografia e sincronizzano chiaramente la manifestazione il reticolo delle strutture brillar orientate di fi che è caratteristico di questo campione. Con il disgaggio di altezza totale (~ 200nm) dominato tramite le grandi variazioni, le strutture più fini non sono evidenti nei dati della topografia. Al contrario, l'immagine di fase rivela chiaramente il ner di fi, le strutture lamellari parzialmente orientate (~ 20nm largamente) fra le righe delle fibrille. Poichè il segnale di fase è sensibile alle deviazioni dell'ampiezza di oscillazione dall'ampiezza del punto vincente, può servire da tecnica di rilevazione di barriera e così evidenzia tali strutture fini che sono trascurate facilmente nel canale della topografia.

Figura 3. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) di Celgard. Mentre le strutture brillar orientate di fi sono evidenti in topografia, l'immagine di fase rivela ulteriormente la struttura lamellare del Ne di fi. Dimensioni immagine 3.5µm.

L'aspetto della struttura fine nelle immagini di fase non solo complementa la sensibilità ai beni materiali. Identificando le componenti in campioni compositi, l'aspetto della struttura fine negli aiuti di immagini di fase nella rappresentazione composizionale. Figura 5 mostra le immagini di fase e della topografia di un vulcanizate termoplastico, di un materiale a più componenti che consistono del polipropilene isotattico, di una gomma e del riporto di nero di carbonio.

Figura 4. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) del vulcanizate termoplastico. L'immagine di fase mostra chiaramente la struttura fine lamellare, indicante l'arricchimento della componente del polipropilene in questa regione. Dimensioni immagine 7.6µm.

Una struttura fine lamellare può essere discernuta nell'immagine della topografia e molto più chiaro è veduta nella fase, indicante che questa regione è arricchita nella componente del polipropilene. Altri modi della rappresentazione del AFM possono contribuire ad ottenere l'ulteriore informazione circa questo campione composito. In particolare, la microscopia della forza elettrica può scoprire la distribuzione del materiale di riporto di nero di carbonio vicino alla superficie.

Due modi di scansione convenzionali del AFM - il modo di contatto ed il modo senza contatto sono stati usati per un po di tempo con successo variante. Ciascuno presenta le sue limitazioni, specialmente per i campioni delicati della rappresentazione nelle circostanze ambientali.

Il modo di Contatto AFM rappresenta la tecnica di rappresentazione più semplice. Il campione è mosso semplicemente lateralmente riguardante la sonda tali che la sonda è trascinata attraverso la superficie. Mentre questa tecnica è riuscita per molti campioni, è conforme agli svantaggi seri. In pratica, il moto di trascinamento della sonda combinata con le forze adesive della suggerimento-superficie può piombo a danno sostanziale per sondare ed al campione, creante i artefatti nell'immagine e degradante spesso severamente la risoluzione.

Negli stati dell'aria ambientale, la maggior parte delle superfici sono coperte da un livello fluido, composto di acqua e di altri agenti inquinanti, che è tipicamente densamente parecchi nanometri. Un suggerimento del AFM che tocca questo livello indurrà un menisco a formarsi e la tensione superficiale tirerà il suggerimento sulla superficie. Le forze adesive Supplementari possono risultare dalle cariche elettrostatiche bloccate (si veda Figura 6).

le forze del Suggerimento-Campione sono così più grandi del ection a mensola del defl sembrerebbe indicare. Corrispondentemente, il moto laterale durante la rappresentazione del modo di contatto è associato con le più grandi forze laterali, con conseguente danno severo del campione o del suggerimento o spostamento involontario degli adsorbati di superficie debolmente limitati. Le forze Capillari possono eliminarsi completamente submersing il campione ed il suggerimento della sonda in liquido. Tuttavia, le superfici del campione sono spesso meno robuste in liquido (per esempio, gli adsorbati sono limitati più debolmente) o non sono compatibili con un ambiente liquido affatto.

Figura 6. Nel modo di contatto AFM, le forze di tensione superficiale elettrostatica e/o dal livello fluido adsorbito piombo alle forze di taglio laterali distruttive. Dalla nota di applicazione AN04, Applicazioni e Tecnologia di Rappresentazione di TappingMode. Il modo Senza Contatto rappresenta un tentativo di sormontare le forze deleterie della suggerimento-superficie connesse con il modo di contatto. Purtroppo, gli stati dell'aria ambientale sono favorevoli raramente alla rappresentazione senza contatto del AFM.

Il modo Senza Contatto è basato sopra la rilevazione delle forze attraenti deboli di van der Waals che esistono fra il suggerimento e campionano alcuni nanometri sopra la superficie. È importante notare che il livello fluido presenta nelle circostanze ambientali parzialmente protegge queste forze ed occupa una grande frazione del loro intervallo utile, cioè, una volta confrontato all'operazione nel vuoto ultraelevato, dove non c'è nessun livello fluido presente. dovuto l'intervallo limitato di tutte le forze residue di van der Waals, la loro rilevazione necessita le ampiezze molto piccole di oscillazione. Allo stesso tempo, una trave a mensola di gestione alle ampiezze molto piccole è bloccata facilmente dentro il livello fluido, una volta che tocca.

Nel caso ideale, l'operazione rimane fuori del livello fluido - e quindi parecchi nanometri a partire dal campione affiorano. Le conseguenze sono sostanzialmente risoluzione degradata (rispetto a TappingMode) e un'incapacità pianificare le variazioni nei beni meccanici locali. In pratica, la sonda è dissipata frequentemente sulla superficie e sul resti del campione bloccata là mentre il moto di scansione continua, piombo al danno inutilizzabile del campione e di dati simile a quello causato dal modo di contatto.