Caracterização Avançada de Nanoscale de Materiais de Polímero Usando a Imagem Lactente da Fase com o Innova de Bruker

Por AZoNano

Fundo
Exemplos de Aplicação
Copolímeros de Bloco
Módulo do Viscoelasticity e do Material
Propriedades Mecânicas
Contraste Material e Informação Topográfica
Sumário

Fundo

A imagem lactente de TappingMode provou ser o modo o mais versátil de microscopia atômica da força (AFM) nas circunstâncias ambientais onde a presença de uma camada fluida (vapor de água condensado e outros contaminadores) limita severamente a aplicabilidade de ambos, modo de contacto e técnicas do não-contacto. Superando os desafios levantados pela fricção, a adesão, e outras edições, TappingMode forneceram meios extremamente de estender aplicações do AFM. A Imagem Lactente da Fase é uma extensão importante da imagem lactente de TappingMode.

Traçando para fora a fase do modilhão de oscilação, a imagem lactente da fase vai além do traço topográfico simples. Ser sensível às variações na adesão e no viscoelasticity, imagem lactente da fase pode fornecer a informação sobre a composição da amostra e a separação do microphase.

O desempenho de alta resolução da Primeira classe é crítico para tomar a vantagem completa da imagem lactente da fase de TappingMode. Com seus estábulo, plataforma da baixo-tracção, controle de varredura ultralow do laço fechado do ruído, e controle de força excelente o Innova novo SPM (veja Figura 1) é um instrumento ideal para a imagem lactente de alta resolução de amostras delicadas. Além, o Innova combina este desempenho proeminente do núcleo com a largura de faixa por aquisição de dados generosa e o acesso fácil do sinal, assim permitindo uma vasta gama de aplicações de exigência da pesquisa.

 

Figura 1. O Innova novo

Exemplos de Aplicação

Copolímeros de Bloco

A imagem lactente da Fase pode revelar as separações do microphase que ocorrem em copolímeros de bloco. Obter esta informação com técnicas alternativas envolve complicações, tais como o produto químico que mancha para TEM. Com imagem lactente da fase de TappingMode, o AFM pode fornecer o visualização do teste padrão da separação do microphase directamente das imagens obtidas em condições ambientais de um filme fino não tratado. Figura 2 mostra imagens da topografia e da fase de um copolímero do triblock Picosegundo-b-PB-B-PICOSEGUNDO (PICOSEGUNDO, poliestireno; PB, polybutadiene). Ambos Os canais mostram claramente esperado sem-fim-como o teste padrão da separação do microphase. Os domínios do microphase exibem uma largura do ~ 35nm.

 

Figura 2. Topografia (deixada) e imagem da fase (direita) do copolímero do triblock Picosegundo-b-PB-B-PICOSEGUNDO. As circunstâncias Suficientemente duramente de batida asseguraram a penetração da ponta de prova na camada subsuperficial, onde um teste padrão wormlike da separação do microphase esta presente como pode ser visto claramente em ambos os canais. Tamanho 2.0ìm da Imagem. Active do laço Fechado.

Isto pode ser visto o mais claramente no 2-D Fourier Transforma mostrado em Figura 3. Note que o máximo da intensidade é perfeitamente circular, porque deve ser dado a isotropia total sem a orientação preferida do bloco e a nenhuma dependência da largura do bloco no ângulo azimuthal. Estas imagens foram adquiridas usando o controle de varredura do circuito fechado, assegurar calibrada, medidas sem distorsão.

 

A Figura 3. 2-D Fourier transforma dos dados da fase mostrados em Figura 2. O máximo circular da intensidade indica que o teste padrão da separação de fase é isotropic com uma distância bem definida da repetição de r=35nm como indicado na parte inferior do diálogo e como esperado para este copolímero do triblock.

Módulo do Viscoelasticity e do Material

Para Que uma imagem da fase reflicta diferenças no viscoelasticity ou no módulo de um material, as necessidades da ponta de prova do AFM de penetrar o material. Mais precisamente, as necessidades da ponta de prova de penetrar suficientemente distante tais que as interacções do tipsample estão influenciadas por propriedades materiais da camada de interesse. No caso de um Picosegundo-b-PB-b PICOSEGUNDO fi lm, uma parte-camada amorfa, PB-enriquecida está geralmente actual. Assim, a combinação de um modilhão macio (por exemplo, FESP, ~ de k 2-5N/m) com circunstâncias de batida muito claras não descobriu o teste padrão da separação do microphase.

As Imagens tais como aquelas mostradas em Figura 2 são obtidas geralmente com circunstâncias de batida razoavelmente duras, isto é, relações razoavelmente altas da amplitude livre à amplitude setpoint. Em Innova, a ponta de prova que ajusta na amplitude moderado (~ 8 ou 10 do ajuste do ganho da entrada) e no aumento do cant do signifi da amplitude da movimentação do modilhão em cima do contrato renderá o resultado desejado.

Propriedades Mecânicas

Porque a imagem lactente da fase é sensível às variações locais em propriedades mecânicas, pode ter recursos para meios eficientes para traçar para fora a distribuição dos componentes em amostras do composto. A Figura 4 imagens da topografia e da fase das mostras de um polietileno multilayer cruz-seccionado prova, compor de camadas alternativas da densidade do alto e baixo. A imagem da topografia é dominada pela grande escala, o undulation de baixa frequência da altura que resultou aparentemente da cruz-secção cryo-microtoming. A imagem da fase tem uma aparência diferente, fornecendo claramente a informação complementar. É dominada por um grupo alterno de listras, representando obviamente procurado após a alternação em propriedades materiais e assim em camadas componentes. Além, a imagem da fase revela as características finas topográficas que são muito menos aparentes na imagem da altura. Em particular, as gotas pequenas podem ser distinguidas com o contraste bem definido da fase que indica propriedades mecânicas locais distintas. A formação e a coalescência de gotas pequenas em amostras microtomed do polietileno indicam uma superfície do envelhecimento. Note que as gotas não estão distribuídas aleatòria. Um Pouco, alguns delas parecem formar ao longo das linhas, riscos presumivelmente pequenos dados na amostra pelo processo microtoming.

 

Figura 4. Topografia (deixada) e imagem da fase (direita) de uma amostra multilayer cryo-microtomed do polietileno. Quando a topografia for dominada por undulations em grande escala, a fase fornece uma ideia limpa da estrutura mergulhada. A estrutura Adicional do ne do fi mostra a presença de gotas pequenas. Tamanho 35ìm da Imagem. Active do laço Fechado.

Contraste Material e Informação Topográfica

Em ambos, Figuras 2 e 4, a imagem da fase trazem para fora o contraste material o mais claramente e separam-no da informação sobre a informação topográfica da grande escala. Contudo, em ambos os casos, o contraste material parece ser contido igualmente em parte na imagem topográfica. As partes da amostra que aparece com contraste brilhante na imagem da fase parecem aumentadas na imagem topográfica. Isto pode ser racionalizado como uma reflexão da rigidez material. Sob circunstâncias de batida duras, a ponta de prova penetra no material. As regiões que parecem brilhantes na imagem da fase são mais duras, conduzindo menos penetração da ponta de prova e assim uma topografia levantada relativo às peças mais macias na força alta. Uma explicação mais completa deste efeito tem que incluir a natureza do feedback no modo de batida. Os deslocamentos de fase positivo Fortes em circunstâncias de batida duras indicam upshifts significativos na freqüência da ressonância do modilhão - quando setpoint da freqüência e da amplitude da movimentação escolhidos para o feedback permanecerem constante e foram escolhidos na freqüência da ressonância do modilhão livre. Nas regiões com o deslocamento de fase o mais positivo, a freqüência da ressonância desloca eficazmente mais longe da freqüência da movimentação.

Sendo a fora-ressonância a mais adicional, o modilhão está sendo conduzido menos eficientemente (quando a amplitude setpoint permanecer inalterada), conduzindo eficazmente a uma batida mais clara, que contribua à aparência de um perfil levantado. Com exceção do traço compositivo e do visualização de separações do microphase, a imagem lactente da fase pode ajudar na detecção de estruturas finas. No caso da amostra de MLPE mostrada em Figura 4, a estrutura fina interessante pode ser observada em umas imagens mais de alta resolução dos limites da camada quando umas circunstâncias de batida ligeira mais claras são empregadas. Como pode ser visto em Figura 5, cabelo-como estruturas pareça estender do limite na camada que aparece com contraste mais escuro da fase. Uma inspecção Mais Próxima de Figura 5 revela estruturas lamelosas durante todo o visível componente mais baixo da densidade (fase mais escura) na metade direita da imagem e em uma perda gradual de alinhamento com distância crescente da relação.

 

Figura imagem de 5. Fases de uma amostra multilayer cryo-microtomed do polietileno. Cabelo-Como a estrutura fina pode ser visto perto da camada-relação. Tamanho 5ìm da Imagem. Active do laço Fechado.

Figura 6 mostra imagens do AFM de um filme orientado do polipropileno isotactic, igualmente conhecido como a membrana microporous Celgard. Ambos, a topografia e põem em fase claramente a mostra o teste padrão de estruturas fibrillar orientadas que é característico desta amostra. Com a escala da altura total (~ 200nm) dominada por grandes variações, umas estruturas mais finas não são evidentes nos dados da topografia. Ao contrário, as exibições da imagem da fase muito claras e o well-defi ned características adicionais. As estruturas lamelosas Finas (somente ~ 20nm largamente) são consideradas estam presente entre as fileiras das fibrilas. As estruturas lamelosas são consideradas para ser perpendicular orientada às estruturas fibrillar maiores. Porque o sinal da fase é sensível aos desvios da amplitude da oscilação da amplitude setpoint, pode servir como uma técnica da detecção de borda e destaca assim tais estruturas finas que são negligenciadas facilmente no canal da topografia. A imagem lactente exacta de estruturas finas nesta amostra delicada tira proveito extremamente da combinação de Innova de controle de força excelente e de controle de varredura de baixo nível de ruído do circuito fechado.

 

Figura 6. Topografia (deixada) e imagem da fase (direita) de Celgard. Quando as estruturas fibrillar orientadas forem evidentes na topografia, a imagem da fase revela adicionalmente a estrutura fina lamelosa. Tamanho 2.5ìm da Imagem. Active do laço Fechado.

A aparência da estrutura fina em imagens da fase complementa a sensibilidade às propriedades materiais. Identificando componentes em amostras do composto, a aparência da estrutura fina em auxílios das imagens da fase na imagem lactente compositiva. Mesmo umas imagens mais de alta resolução da fase podem revelar as escalas do comprimento associadas com o auto-conjunto de moléculas individuais em filmes do monolayer e seu relacionamento à carcaça. Figura 7 mostra imagens da topografia e da fase de um monolayer auto-montado de moléculas60122 do alkane do CH em uma carcaça da grafite pyrolytic alto-orientada (HOPG).

 

Figura 7. Topografia (deixada) e imagem da fase (direita) de um monolayer60122 do CH auto-montado na grafite. Ambas As imagens mostram claramente domínios auto-montados, cada qual é compor de linhas paralelas. Tamanho 1.5ìm da Imagem. Active do laço Fechado.

Ambas As imagens mostram claramente a presença de correcções de programa (domínios) separadas por beiras (na maior parte rectas) afiadas. Uma inspecção Mais Próxima revela um teste padrão de linhas rectas dentro de cada domínio. Este teste padrão lameloso é muito mais óbvio na imagem mais de alta resolução da fase mostrada em Figura 8. Os lamellae são vistos para ter um afastamento bem definido assim como uns sentidos preferidos. Isto é confirmado em Figura 9, que mostra que o Fourier Transforma da imagem da fase mostrada em Figura 7. O Fourier Transforma mostras muito claramente a simetria sextavada do teste padrão do auto-conjunto que reflecte a simetria sextavada da carcaça subjacente da grafite. Ao formar monolayers auto-montados, o alkane60122 do CH retem um relacionamento fixo aos machados altos da simetria da grafite.

 

Figura imagem de 8. Fases de um monolayer60122 do CH selfassembled na grafite que mostra claramente a estrutura fina lamelosa associada com o auto-conjunto. Tamanho 390nm da Imagem. Active do laço Fechado.

O relacionamento especial da estrutura do adsorbate com a carcaça da grafite é consistente com a suposição, de que que a camada sondada aqui é realmente a camada molecular que está no contacto directo com a carcaça. A pergunta elevara porque a preparação da amostra60122 do alkane do CH não pode ser supor para conduzir a uma única camada molecular. Certamente, a escolha judiciosa e o controle excelente de forças de batida são exigidos para revelar as estruturas mostradas aqui. A ponta de prova tem que penetrar com os multilayers parcialmente desorganizado, macios do adsorbate sem destruir que a “primeira” camada molecular que é no contacto directo com a carcaça e é desse modo sujeita à estabilização adicional.

Como indicado em Figura 9, a periodicidade espacial é considerada para ser sobre 7.5nm. O alkane60122 do CH é sabido auto-para montar na grafite tais que cada molécula supor uma conformação todo-transporte prolongada com sua espinha dorsal paralela à carcaça e à perpendicular à linha central do lamella. Conseqüentemente, a largura do lamella iguala o comprimento de uma única molécula60122 do alkane do CH, que seja sobre 7.5nm.

 

A Figura 9. 2-D Fourier Transforma da imagem da fase mostrada em Figura 7. A simetria sextavada é claramente visível. Como mostrado perto da parte inferior, a periodicidade é medida para ser r=.5nm.

A interrogação do auto-conjunto nos monolayers no fl em carcaças depende crìtica do bom controle de força para a imagem lactente nondestructive, conjuntamente com a estabilidade alta e a baixa tracção da fase para permitir o desempenho de alta resolução exigido. Obviamente, a análise apresentada acima igualmente exige a calibração correcta do varredor. O controle de varredura do Circuito Fechado pode assegurar a calibração correcta mas é associado frequentemente com os níveis de ruído excessivo. Não assim em Innova. De facto, todas as imagens apresentadas nesta nota de aplicação (que inclui a imagem 390nm mostrada em Figura 8) foram adquiridas em Innova com active do controle de circuito fechado, assim assegurando medidas exactas.

Sumário

Com imagem lactente da fase de TappingMode, o sistema de Innova podem eficientemente e nondestructively as variações do mapa em propriedades da amostra no mais de alta resolução. Porque TappingMode é frequentemente o modo preferido da imagem lactente para amostras delicadas, a imagem lactente da fase pode complementar outros modos tais como a modulação da força e a microscopia da força lateral, frequentemente com detalhe superior da imagem. As aplicações da imagem lactente da Fase incluem a caracterização de materiais compostos, do traço das variações na adesão e do viscoelasticity, e a identificação da contaminação de superfície. As imagens As mais de alta resolução da fase abrem a porta aos estudos de molecular selfassembly. A combinação de imagem lactente do desempenho e da fase de alta resolução excelentes de TappingMode faz a Innova uma ferramenta poderosa para o estudo de propriedades materiais na escala do nanômetro.

Esta informação foi originária, revista e adaptada dos materiais fornecidos por Superfícies Nano de Bruker.

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Superfícies Nano de Bruker.

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

Last Update: 23. January 2014 11:25

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