Caratterizzazione Avanzata di Nanoscale dei Polimeri Facendo Uso di Rappresentazione di Fase con il Innova da Bruker

Da AZoNano

Sfondo
Esempi di Applicazione
Copolimeri di Blocco
Modulo del Materiale e di Viscoelasticità
Beni Meccanici
Contrasto Materiale ed Informazioni Topografiche
Riassunto

Sfondo

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 prestazione di alta risoluzione della Prima classe è critica per trar massimo vantaggio dalla rappresentazione di fase di TappingMode. Con la sui stalla, piattaforma della basso deriva, controllo scansione ultralow del ciclo chiuso di disturbo e controllo di forza eccellente il nuovo Innova SPM (vedi che Figura 1) è uno strumento ideale per la rappresentazione di alta risoluzione dei campioni delicati. Inoltre, il Innova combina questa prestazione eccezionale di memoria con la larghezza di banda dell'acquisizione dei dati generosa e l'accesso facile del segnale, così permettendo a una vasta gamma di applicazioni esigenti della ricerca.

 

Figura 1. Il nuovo Innova

Esempi di Applicazione

Copolimeri di Blocco

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 una pellicola sottile non trattata. Figura 2 mostra le immagini di fase e della topografia 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.

 

Figura 2. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) 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. Dimensioni immagine 2.0ìm. Attivo del ciclo Chiuso.

Ciò può essere veduta il più chiaro nella 2-D Trasformata di fourier come appare Figura 3. Si Noti che il massimo dell'intensità è perfettamente circolare, poichè dovrebbe essere dato l'isotropia globale senza l'orientamento preferito del blocco e nessuna dipendenza della larghezza del blocco dall'angolo azimutale. Queste immagini si sono acquistate facendo uso di controllo scansione del circuito chiuso, assicurarsi calibrata, misure inalterate.

 

Figura 3. 2-D Trasformata di fourier dei dati di fase come appare Figura 2. Il massimo a sezione circolare dell'intensità indica che il reticolo della separazione di fase è isotropo con una distanza ben definita di ripetizione di r=35nm come indicato al fondo del dialogo e come previsto per questo copolimero del triblock.

Modulo del Materiale e di Viscoelasticità

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 sufficiente 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 le circostanze di spillatura molto leggere 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 equo dure, cioè, rapporti equo alti di ampiezza libera ad ampiezza del punto vincente. Su Innova, sonda che sintonizza all'ampiezza moderata (i ~ dell'impostazione di guadagno dell'input aumento della sopraelevazione ferroviaria di 8 o di 10) e di signifi dell'ampiezza a mensola dell'unità sopra l'aggancio daranno il risultato voluto.

Beni Meccanici

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 4 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 cryo-microtoming. L'immagine di fase ha un aspetto differente, fornente chiaramente informazioni complementari. È dominata da un insieme alternante delle bande, rappresentante ovviamente l'alternativa richiesta in beni materiali e così livelli componenti. Inoltre, l'immagine di fase rivela le funzionalità fini topografiche che sono molto meno evidenti nell'immagine di altezza. In particolare, le piccole goccioline possono essere discernute con contrasto ben definito di fase che indica i beni meccanici locali distinti. La formazione e la coalescenza di piccole goccioline sui campioni microtomed del polietilene indicano una superficie di invecchiamento. Si Noti che le goccioline non si distribuiscono a caso. Piuttosto, alcune di loro sembrano formarsi seguendo le righe, graffi presumibilmente piccoli comunicati sul campione tramite il trattamento microtoming.

 

Figura 4. 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 Supplementare del Ne di fi mostra la presenza di piccole goccioline. Dimensioni immagine 35ìm. Attivo del ciclo Chiuso.

Contrasto Materiale ed Informazioni Topografiche

In entrambi, Figure 2 e 4, l'immagine di fase mette in evidenza il più chiaro il contrasto materiale e lo separa da informazioni su informazioni topografiche della larga scala. Tuttavia, in entrambi i casi, il contrasto materiale sembra anche essere contenuto parzialmente nell'immagine topografica. Le parti del campione che compare con il contrasto luminoso nell'immagine di fase sembrano sollevate nell'immagine topografica. Ciò può essere razionalizzata come riflesso di rigidezza materiale. Nelle circostanze di spillatura dure, la sonda penetra nel materiale. Le regioni che sembrano luminose nell'immagine di fase sono più rigide, piombo meno infiltrazione della sonda e così una topografia sollevata riguardante le parti più molli a forza elevata. Una spiegazione più completa di questo effetto deve comprendere la natura del feedback nel modo di spillatura. I Forti sfasamenti positivi nelle circostanze di spillatura dure indicano i upshifts significativi nella frequenza di risonanza della trave a mensola - mentre del punto vincente di frequenza e di ampiezza dell'unità scelti per feedback rimangono costante e sono stati scelti alla frequenza di risonanza della trave a mensola libera. Nelle regioni con di sfasamento più positivo, la frequenza di risonanza efficacemente si sposta il più ulteriormente a partire dalla frequenza dell'unità.

Essendo ulteriore fuori risonanza, la trave a mensola sta guidanda di meno efficientemente (mentre l'ampiezza del punto vincente rimane identicamente), piombo efficacemente alla spillatura più leggera, che contribuisce all'aspetto di un profilo sollevato. Oltre alla mappatura composizionale ed alla visualizzazione delle separazioni di microphase, la rappresentazione di fase può aiutare nella rilevazione delle strutture fini. Nel caso del campione di MLPE come appare Figura 4, la struttura fine interessante può essere osservata nelle immagini più di alta risoluzione dei limiti del livello quando le circostanze di spillatura leggermente più leggere sono impiegate. Può essere veduto nella Figura 5, le strutture del tipo di capelli sembrano estendersi dal limite nel livello che compare con il contrasto più scuro di fase. L'ispezione Più Ravvicinata di Figura 5 rivela le strutture lamellari in tutto il visibile componente più basso di densità (fase più scura) nella metà giusta dell'immagine ed in una perdita graduale di allineamento con l'aumento della distanza dall'interfaccia.

 

Figura un'immagine di 5. Fasi di un campione a più strati cryo-microtomed del polietilene. la struttura fine Del tipo di capelli può essere veduta vicino all'livello-interfaccia. Dimensioni immagine 5ìm. Attivo del ciclo Chiuso.

Figura 6 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 fibrillari orientate 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 esibisce le funzionalità supplementari ned molto chiare e ben--defi. Le strutture lamellari Fini (soltanto ~ 20nm largamente) sono vedute per essere presenti fra le righe delle fibrille. Le strutture lamellari sono vedute per essere perpendicolare orientato alle più grandi strutture fibrillari. 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. La rappresentazione accurata delle strutture fini su questo campione delicato trae giovamento notevolmente dalla combinazione di Innova di controllo di forza eccellente e di controllo scansione a circuito chiuso a basso rumore.

 

Figura 6. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) di Celgard. Mentre le strutture fibrillari orientate sono evidenti in topografia, l'immagine di fase rivela ulteriormente la struttura fine lamellare. Dimensioni immagine 2.5ìm. Attivo del ciclo Chiuso.

L'aspetto della struttura fine nelle immagini di fase 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. Ancora le immagini più di alta risoluzione di fase possono rivelare i disgaggi di lunghezza connessi con l'auto-assembly di diverse molecole in pellicole dello strato monomolecolare e la loro relazione al substrato. Figura 7 mostra le immagini di fase e della topografia di uno strato monomolecolare auto-montato delle molecole60122 dell'alcano di CH su un substrato alla della grafite pirolitica orientata a alta (HOPG).

 

Figura 7. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) di uno strato monomolecolare60122 di CH auto-montato sulla grafite. Entrambe Le immagini mostrano chiaramente i domini auto-montati, di cui ciascuno è composto di righe parallele. Dimensioni immagine 1.5ìm. Attivo del ciclo Chiuso.

Entrambe Le immagini mostrano chiaramente la presenza di toppe (domini) separate dai confini (principalmente diritti) marcati. L'ispezione Più Ravvicinata rivela un reticolo delle linee rette all'interno di ogni dominio. Questo reticolo lamellare è molto più ovvio nell'immagine più di alta risoluzione di fase come appare Figura 8. Le lamelle sono vedute per avere un gioco ben definito come pure le direzioni preferite. Ciò è confermata nella Figura 9, che mostra la Trasformata di fourier dell'immagine di fase come appare Figura 7. La Trasformata di fourier mostra molto chiaro la simmetria esagonale del reticolo dell'auto-assembly che riflette la simmetria esagonale del substrato di fondo della grafite. Nel formare gli strati monomolecolari auto-montati, l'alcano60122 di CH conserva una relazione fissa alle alte asce di simmetria della grafite.

 

Figura un'immagine di 8. Fasi di uno strato monomolecolare60122 di CH selfassembled sulla grafite che mostra chiaramente struttura fine lamellare connessa con l'auto-assembly. Dimensioni immagine 390nm. Attivo del ciclo Chiuso.

La relazione speciale della struttura dell'adsorbato con il substrato della grafite è coerente con il presupposto, quello che il livello sondato qui è realmente il livello molecolare che è in contatto diretto con il substrato. La domanda si pone perché il preparato del campione60122 dell'alcano di CH non può essere presupposto per provocare un singolo livello molecolare. Effettivamente, la scelta giudiziosa ed il controllo eccellente delle forze di spillatura è richiesta per rivelare le strutture indicate qui. La sonda deve penetrare con i multilayers parzialmente disordinati e morbidi dell'adsorbato senza distruggere che “primo„ livello molecolare che è in contatto diretto con il substrato ed è quindi conforme a stabilizzazione supplementare.

Come indicato in Figura 9, la periodicità spaziale è veduta per essere circa 7.5nm. L'alcano60122 di CH è conosciuto auto-per montare sulla grafite tali che ogni molecola presuppone una conformazione estesa tutto trasporto con la sua spina dorsale parallela al substrato ed al perpendicolare all'asse della lamella. Di Conseguenza, la larghezza della lamella uguaglia la lunghezza di singola molecola60122 dell'alcano di CH, che è circa 7.5nm.

 

Figura 9. 2-D Trasformata di fourier dell'immagine di fase come appare Figura 7. La simmetria esagonale è chiaramente visibile. Come indicato vicino al fondo, la periodicità è misurata per essere r=.5nm.

L'interrogazione di auto-assembly in strati monomolecolari su Florida ai substrati dipende criticamente da buon controllo di forza per la rappresentazione non distruttiva, insieme con l'alta stabilità e la deriva bassa della fase per permettere alla prestazione di alta risoluzione richiesta. Ovviamente, l'analisi presentata sopra egualmente richiede la calibratura corretta dello scanner. Il controllo scansione A Circuito Chiuso può assicurare la calibratura corretta ma spesso è associato con gli eccessivi livelli acustici. Non così su Innova. Infatti, tutte le immagini presentate in questa nota di applicazione (immagine compresa 390nm come appare Figura 8) si è acquistata su Innova con l'attivo di controllo a circuito chiuso, così assicurando le misure accurate.

Riassunto

Con la rappresentazione di fase di TappingMode, il sistema di Innova possono efficientemente e nondestructively le variazioni della mappa nei beni del campione al più di alta risoluzione. Poichè TappingMode è spesso il modo preferito della rappresentazione per i campioni delicati, la rappresentazione di fase può complementare altri modi quali modulazione della forza e microscopia della forza laterale, spesso con il dettaglio d'immagine superiore. Le applicazioni della rappresentazione di Fase comprendono la caratterizzazione dei materiali compositi, di mappatura delle variazioni nell'aderenza e di viscoelasticità e l'identificazione di contaminazione di superficie. Le immagini di fase Più di alta risoluzione aprono la porta agli studi di molecolare selfassembly. La combinazione di rappresentazione di fase di alta risoluzione eccellenti di TappingMode e della prestazione rende a Innova uno strumento potente per lo studio sui beni materiali al disgaggio di nanometro.

Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti dalle Superfici Nane di Bruker.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego le Superfici Nane di Bruker.

Date Added: Apr 3, 2008 | Updated: Jan 23, 2014

Last Update: 23. January 2014 11:14

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