ポリマー材料の段階イメージ投射、 Bruker SPM の Nanoscale の高度の性格描写

TappingMode イメージ投射は流動層 (凝縮させた水蒸気および他の (AFM)汚染物) の存在がひどく両方の適用の可能性を限定する包囲された条件の原子力の顕微鏡検査の最も多目的なモード、接触モードおよび無接触技術であると証明しました。 摩擦によって、付着提起される克服して挑戦をおよび他の問題、 TappingMode は AFM のアプリケーションを非常に拡張する方法提供しました。 段階イメージ投射は TappingMode イメージ投射の重要な拡張です。 振動の片持梁の段階をマップすることによって、段階イメージ投射は簡単な地勢マップを越えて行きます。 付着および粘弾性の段階イメージ投射の変化に敏感サンプル構成および microphase の分離についての情報を提供できますであることは。

段階イメージ投射はブロック共重合体に発生する microphase の分離を明らかにすることができます。 代わりとなる技術のこの情報を得ることは TEM のために汚れる化学薬品のような複雑化を、含みます。 TappingMode 段階イメージ投射を使うと、 AFM は未処理の薄い fi lm の包囲された状態で得られる画像からの microphase の分離パターンの視覚化を直接提供できます。 図 2 は PS b 鉛 b PS triblock の共重合体 (PS のポリスチレンの二相画像を示します; 鉛、ポリブタジエン)。 チャネルは両方ともはっきり期待されたワームのような microphase の分離パターンを示します。 microphase の領域は ~ 35nm の幅を表わします。 より堅い PS の薄板は両方、地形 (より高い機能を意味する) および段階に明るいようです (正の相の角度を意味する)。 材料の粘弾性または係数の相違を反映する段階の画像のため材料を突き通す AFM のプローブの必要性。 tipsample の相互作用が興味の層からの物質的な特性によって影響を及ぼされることもっと正確に、 suffi を突き通すプローブの必要性 ciently ずっとそのような物。 PS b 鉛b PS fi lm の無定形の、鉛富ませたトップ層の場合には通常現在です。 従って、柔らかい片持梁の組合せ (例えば、 FESP のライト叩く状態の k の ~ 2-5N/m) は microphase の分離パターンの覆いを取りません。 図 2 で示されているそれらのような画像は通常堅い叩く条件、セット・ポイント振幅へのすなわち、自由な振幅のかなり高い比率と得られます。 適当な振幅で調整するプローブ (入力利得の設定の ~ 8) および、高い比例したフィードバック利得と共に実行した上の片持梁駆動機構の振幅の顕著な増加は、望ましい結果をもたらします。

図 1. 5µm (残っている) および 500nm (PS b 鉛 b PS triblock の共重合体の右の) 段階の画像。 十分に懸命に叩く条件は両方のチャネルではっきり見ることができるようにワームのような microphase の分離パターンがある表面下の層へのプローブの浸透を保障しました。 クローズド・ループ能動態と得られる画像。

段階イメージ投射は機械特性のローカル変化に敏感であるので、合成サンプルのコンポーネントの分布をマップするための効率的な平均をできることができます。 図 3 交差区分された多層ポリエチレンのショー地形はおよび段階の画像、互い違いの高低の密度の層で構成されて見本抽出します。 地形の画像は大規模、交差区分に cryomicrotoming によって外見上起因した低周波の高さの波動によって支配されます。 段階の画像にはっきり補足情報を提供する全く異なる出現が、あります。 段階の画像は明らかに物質的な特性およびこうして構成の層の求められた交替を表す交互になる一組の縞によって、支配されます。 さらに、地勢良い機能は、老化のサンプル表面を明記するしぶきのような明らかです。 しぶきははっきり任意に配られません。 むしろ、それらはライン、 microtoming プロセスによってサンプルで与えられる推定上小さいスクラッチに沿って形作るようです。

図 2. 地形 (残っている) および cryo-microtomed 多層ポリエチレンのサンプルの段階の画像 (右の)。 地形が大規模な波動によって支配される間、段階は層状構造のきれいな概観を提供します。 追加微細構造は小さいしぶきの存在を示します。 画像のサイズ 55µm。

図 3 の段階の画像が交互になる密度のコンポーネントの特にきれいなマップを提供する間、相違の物質的な特性はまたイメージ投射モード、片持梁および他の要因の選択によって観察された AFM の地形に対する効果を、もたらすことができます。

microphase の分離の合成マップおよび視覚化は別として、段階イメージ投射は微細構造の検出を援助できます。 図 4 はアイソタクチックポリプロピレン、別名微小孔のある膜 Celgard の方向づけられたフィルムの AFM の画像を示します。 両方とも、地形はおよびショーをこのサンプルに独特である方向づけられた fi の brillar 構造のパターンはっきり段階的に行ないます。 大きい変化によって支配されて全高スケール (~ 200nm) が微細構造は地形データで明白ではないです。 それに対して、段階の画像ははっきり fi の ner、原繊維の列の間の部分的に方向づけられた薄板構造 (広の ~ 20nm) を明らかにします。 段階のシグナルはセット・ポイント振幅からの振動の振幅の偏差に敏感であるので端線検出の技術として役立つことができ、こうして地形チャネルで容易に見落されるそのような微細構造を強調します。

図 3. 地形 (残っている) および Celgard の段階の画像 (右の)。 方向づけられた fi の brillar 構造が地形で明白な間、段階の画像はその上に薄板 fi ne の構造を明らかにします。 画像のサイズ 3.5µm。

段階の画像の微細構造の出現は物質的な特性にしか感度を補足しません。 合成サンプルのコンポーネントの識別によって、合成イメージ投射の段階の画像の援助の微細構造の出現。 図 5 は熱可塑性の vulcanizate の地形および段階の画像、アイソタクチックポリプロピレンからの多成分に物質的な成、ゴムおよびカーボンブラックの注入口を示します。

図 4. 地形 (残っている) および熱可塑性の vulcanizate の段階の画像 (右の)。 段階の画像はこの領域ではっきりポリプロピレンのコンポーネントの強化を明記する薄板の微細構造を示します。 画像のサイズ 7.6µm。

薄板の微細構造は地形の画像で検知することができ、この領域がポリプロピレンのコンポーネントで富むことを示す段階に大いにもっとはっきり見られます。 他の AFM イメージ投射モードはこの合成サンプルについての追加情報を得るのを助けることができます。 特に、電気力の顕微鏡検査は表面の近くでカーボンブラックの充填材の分布の覆いを取ることができます。

2 つの慣習的な AFM の走査方式 - 接触モードおよび無接触モードはさまざまな成功としばらくの間使用されてしまいました。 それぞれに包囲された条件でイメージ投射敏感なサンプルのための限定が、特にあります。

接触モード AFM は最も簡単な映像技術を表します。 サンプルはプローブに関連してプローブが表面を渡って引張られることそのような物単に横に移動されます。 この技術は多くのサンプルのために正常な間、深刻な欠点に応じてあります。 要するに、付着力の先端表面力と結合される人工物を画像で作成し、頻繁に解像度をひどく低下させる実質損害およびサンプルに厳密に調べるためにプローブの抗力動きは導く場合があります。

周囲の空気の状態の下で、ほとんどの表面は水他の汚染物で普通厚く複数のナノメーターであるおよび構成される流動層カバーされます。 この層に触れる AFM の先端によりメニスカスは形作ります、表面張力は表面に先端を引っ張ります。 追加粘着力は引っ掛けられた充電から起こることができます (図 6) を見て下さい。

先端サンプル力は片持梁 defl の ection が明記したようであろうよりこうして大きいです。 同様に、接触モードイメージ投射の間の側面動きは弱く区切られた表面の吸着質の厳しい先端またはサンプル損傷か不本意な変位に終ってより大きい側面力と、関連付けられます。 毛管力は完全に液体のサンプルそしてプローブの先端を submersing によって除去することができます。 ただし、サンプル表面は頻繁に液体でより少なく強かったり (例えば、吸着質はより弱く区切られます) または液体の環境と全然互換性がありません。

図 6。 接触モード AFM では、吸着された流動層からの静電気および/または表面張力力は有害な側面せん断力の原因となります。 アプリケーションノート AN04 から、 TappingMode イメージ投射アプリケーションおよび技術。 無接触モードは接触モードと関連付けられる有害な先端表面力を克服する試みを表します。 残念ながら、周囲の空気の状態は無接触 AFM イメージ投射をまれに促しません。

無接触モードは先端の間にあり、表面の上の少数のナノメーターを見本抽出する van 弱く魅力的な der Waals 力の検出に基づいています。 流動層がない超高真空の操作と比較されたとき流動層が包囲された条件で部分的に保護するこれらの力を示すで、大部分の有用な範囲を、すなわち占めますことに注意することは重要。 van あらゆる残りの der Waals 力の限られた範囲が原因で、検出は非常に小さい振動の振幅を要します。 同時に、非常に小さい振幅で作動する片持梁は流動層の中で容易に触れれば、引っ掛かります。

従って最適な場合、操作は流動層の外に - サンプル表面からの複数のナノメーター残り。 結果は大幅にローカル機械特性の変化をマップする低下させた解像度 (TappingMode と比較して) および無力です。 実際には、プローブはそこに引っ掛かるサンプル表面および残物に頻繁にスキャンの動きが進む間、引かれ、接触モードによって引き起こされるそれに類似した使用不可能なデータおよびサンプル損傷に導きます。