Fortschritt in der Hochauflösenden AtomKraft-Mikroskopie- (AFM)Darstellung

Gefördert durch Keysight-Technologien

Themen Umfaßt

Einleitung
Beschreibung von Alkanen
FLUGHANDBUCH-Darstellung von Alkan-Schichten auf Graphit
Darstellung herein MORGENS und FM-Modi
Schlussfolgerungen
Bezüge
Über Keysight-Technologien

Einleitung

Hochauflösende Darstellung ist das wesentliche Merkmal gewesen, das Forscher' Aufmerksamkeit zu scannender Fühlermikroskopie anzieht (SPM), dennoch gibt es noch einige hervorragende Fragen betreffend diese Funktion von Scannentunnelbaumikroskopen (STM) und von Atomkraftmikroskopen (AFM). Einige damit verbunden Probleme, beginnend mit FLUGHANDBUCH-Darstellung des Alkans überlagert auf Graphit, werden adressiert hier.

Beschreibung von Alkanen

Normale Alkane (chemische Formel: CHn2n+2) sind lineare Moleküle mit einer bevorzugten Zickzackanpassung von - Gruppen2 CH. Ihr Endstück - CH-3 Gruppen seien Sie etwas größer als ihr - Gruppen2 CH, aber beweglicheres. An den Umgebungsbedingungen sind Alkane mit n=18 und höher feste Kristalle (die Schmelztemperatur von CH1838 ist 28° C) mit Ketten orientierte praktisch vertikales in Bezug auf die größeren Gesichter der Kristalle. Kontaktmodus FLUGHANDBUCH-Bilder solch einer Oberfläche eines CH-3674 Kristalles (dem von gebildet wird - CH-3 Gruppen) haben die periodische Anordnung für diese Gruppen [1] aufgedeckt.

Es ist lang gewusst worden, dass auf der Oberfläche des Graphits die Alkanmoleküle in flach-liegenden Lamellenzellen zusammengebaut werden, in denen die völlig erweiterten Moleküle entlang drei Hauptgraphitrichtungen orientiert werden (siehe Abbildung 1). Diese molekulare Ordnung wird durch einige Periodizitäten gekennzeichnet: 0.13nm Abstand zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen, Abstand 0.25nm zwischen - Gruppen2 CH entlang der Kette im Zickzackanpassungs-, -interchain0.5nm Abstand innerhalb der Lamellen und Lamellen-breite - die Länge des erweiterten CH-n2n+2 Moleküls. Das letztere schwankt von 2,3 nm für CH1838 bis 49,5 nm für CH390782 (das längste Alkan synthetisiert).

Abbildung 1. Skizze, die Lamellen- und molekulare Ordnung des normalen Alkans auf Graphit zeigt.

FLUGHANDBUCH-Darstellung von Alkan-Schichten auf Graphit

Alkanadsorbate auf Graphit wurden zuerst mit STM [2] geprüft. In solchen Experimenten wird ein Tröpfchen der gesättigten Alkanlösung auf einer Graphitoberfläche abgegeben. Eine metallische Spitze dringt dieses Tröpfchen sowie ein molekulares Adsorbat an der Flüssigkeit-festen Schnittstelle ein, bis sie einen Tunnelbaustrom entdeckt. An diesen Bedingungen scannt die Spitze über der bestellten molekularen Schicht in der nächsten Umgebung der Substratfläche. STM-Bilder von normalen Alkanen auf Graphit (wie dem reproduzierte von [3] und stellte sich in Abbildung 2) demonstrieren offenbar die feinen Details der molekularen Anordnung, wie Lamellenränder, einzelne Ketten innerhalb der Lamellen und die Zickzackanpassung der Alkanketten dar.

Abbildung 2. STM-Bild von CH-3674 Alkanen auf Graphit.

In STM-Darstellung an der Flüssigkeit-festen Schnittstelle, wird der Fühler durch Alkan-gesättigte Lösung umgeben. Jede Mögliche Instabilität der Darstellung und der Gebrauch von niedrigem Tunnelbauabstandswiderstand verursachen mechanischen Schaden der Alkanordnung, und der Fühler zeichnete möglicherweise ein Bild des zugrunde liegenden Graphits auf. Wenn der Abstand wieder vergrößert wird, liegt die Alkanordnung an einem Pool von Alkanmolekülen zurückgestelltes. Es ist praktisch unmöglich, STM-Bilder von zu erhalten „trocknet“ Alkanschichten auf Graphit, weil gelegentlicher Schaden der Schichten irreparabel ist.

Studien von trockenen Alkanschichten auf Graphit können mit FLUGHANDBUCH durchgeführt werden, aber bis jetzt ist die „STM-“ Auflösung der Lamellenanordnung nicht erzielt worden. Zuerst wurden Lamellenadsorbate von60122 CH auf Graphit im Amplitudenmodulationsmodus geprüft und Abstand von 7,6 nm auf verschiedenen Lamellenflugzeugen und mehrschichtigen Zellen könnte in den resultierenden Bildern [4] offenbar gesehen werden. In Ermangelung der Standards für die „wenigen nm“ erstrecken Sie sich, können diese periodischen Zellen für X- und O-Schwerpunktskalibrierung von Scannern eingesetzt werden. Obgleich früher verwendet als Methode, die hochauflösenden Darstellungsfähigkeiten eines bestimmten Scannens zu prüfen, prüfen Sie Mikroskop, Sichtbarmachung der Streifen 7.6nm wird betrachtet nicht mehr Herausforderung. Heute liefert die Fähigkeit, Bilder von kleineren Lamellenzellen (z.B., CH mit3674 Abstand 4.5nm, CH mit1838 Abstand 2.3nm) zu erhalten ein besseres Anzeigeinstrument der Mikroskopleistungs- und -operatorerfahrung.

Typische FLUGHANDBUCH-Bilder von CH-1838, CH-3674 und CH-60122 Lamellen auf Graphit erreichten mit einem Keysight, 5500, die Atomkraftmikroskop in Abbildung 3. gezeigt werden. Die Lamellenränder werden offenbar in diesen Bildern gelöst. Der Ursprung des Kontrastes ist der Unterschied zwischen der effektiven Steifheit des Lamellenkernes (- Reihenfolgen2 CH) und seinen Rändern (- CH3 und in der Nähe - Gruppen2 CH). Das komplexe Muster von CH-3674 Lamellen, die im „350 nm“ Bild gesehen werden, wird durch die Körner der Substratfläche sowie die Eigenheiten der Kettenordnung innerhalb der Lamellen verursacht. In einigen Probenaufbereitungen werden benachbarte Ketten verschoben, um das sperrige besser anzupassen - die CH-3 Endengruppen und führen Neigung zu der Ketten' in Bezug auf die Lamellenränder. Deshalb wären möglicherweise einzelne Lamellenbreiten kleiner als die Länge der Alkanketten.

Abbildung 3. FLUGHANDBUCH-Bilder von normalen Alkanen auf dem Graphit erhalten im Amplitudenmodulationsmodus.

Die STM-Bilder von normalen Alkanen auf Graphit Beachtend, ist es ziemlich interessant, zu spekulieren, ob solche Auflösung über FLUGHANDBUCH, entweder im Kontakt oder in den Schwingungs (Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation) Modi erzielt werden kann. Es hat bestimmten Fortschritt in dieser Hinsicht gegeben, wie durch FLUGHANDBUCH-Bilder von drei verschiedenen Alkanen (CH,1838 CH242486 und CH)390782 auf dem Graphit gezeigt, der im Kontaktmodus erhalten wird (siehe Abbildungen 4 und 5). Der Abstand, der mit den Lamellen und den Einzelpersonenketten zusammenhängt, ist im Bild von CH-Lamellen1838 discernable (Abbildung 4). Das Zickzackmuster entlang den nah gepackten Alkanketten wird im Bild des ultralong Alkans, CH gesehen390782 (Abbildung 4). Einige etwas verdrehte Lamellen wurden in den Bildern von CH entdeckt242486 (Abbildung 5). Im „100 nm“ Bild sind einige lineare Defekte, die durch fehlende Ketten verursacht werden oder ihre Teile unterscheidbar. Einzelne Alkanketten, die zwischen den Rändern der Lamellen erweitert sind, sind auch im „55 nm“ Bild sichtbar.

Abbildung 4. FLUGHANDBUCH-Bilder von CH-1838 und CH-390782 Lamellen auf dem Graphit erhalten im Kontaktmodus.

Abbildung 5. FLUGHANDBUCH-Bilder von CH-242486 Lamellen auf dem Graphit erhalten im Kontaktmodus.

Ein Bild mit hoher Schreibdichte, das einige Pixel von 1k zu 4k enthält, muss montiert werden, um die Lamellenränder und die einzelnen Ketten von langen Alkanen innerhalb des gleichen Bildes zu beobachten. Solche Darstellung nimmt Zeit und benötigt ein Instrument mit niedrigem thermischem Antrieb. Die demonstrierte Sichtbarmachung von molekularem unten sperren zu 0,25 nm im Kontaktmodus bietet Hoffnung an, dass ähnliche Beobachtungen in der Schwingungsamplitudenmodulation und in den Schwingungs (AM)frequenzmodulationsmodi erzielt werden (FM) können, wenn sie in den Umgebungsbedingungen oder unter Flüssigkeit zugetroffen werden. Sichtbarmachung mit Auflösung 0.25nm der Molekülstruktur von pentacene ist bereits in FM-Experimenten in UHV und bei den niedrigen Temperaturen [5] erzielt worden.

Darstellung herein MORGENS und FM-Modi

Für einige Jahre ist Fortschritt in FLUGHANDBUCH in irgendeinem Teil gewesen, das auf den Entwicklungen und den Anwendungen von FM-Modus in Verbindung gestanden wird. Diese Technik, die ursprünglich in UHV als Alternative zu MORGENS-Modus für den Befund von Spitzeprobe Kraftinteraktionen und -scannen eingesetzt wurde, wird jetzt auch für hochauflösende Darstellung in einer Luft und unter Flüssigkeit verwendet. Hochauflösende Bilder des Glimmers, der Selbstbauten von Alkanethiols und polydiacetylene (PDA) der Kristalle sind mit FM-Modus unter Verwendung „der selbst gemachten“ Installationen [6, 7] aufgezeichnet worden. Diese periodischen Zellen werden gekennzeichnet, indem man größer als 0,5 nm sperrt. In einigen Fällen Molekularschuppe sind einzelne Defekte beobachtet worden. Die Ähnlichen Ergebnisse sind MORGENS-Modus [8] verwendend berichtet worden. Einige hochauflösende Bilder erhielten herein MORGENS-Modus mit einem Keysight, 5500, die Atomkraftmikroskop in den Abbildungen 6-8 gezeigt werden.

Mit MORGENS-Modus in einer Luft, sind einige Molekularauflösung Bilder von der Oberfläche eines PDA-Kristalles erhalten worden. Nachdem ein Kristall zerspaltet ist, ist sein größtes atomar glattes Gesicht (mit wenigen linearen Defekten) für Molekularschuppe Darstellung das geeignetste (siehe Abbildung 6, äußerste Rechte). An der höheren Vergrößerung kann das periodische Muster, welches die kristallene Zelle des Bcflugzeuges nachahmt, erhalten werden (Abbildung 6, äußerste Rechte und Unterseite).

Abbildung 6. FLUGHANDBUCH-Bilder eines polydiacetylene Kristalles erreicht im Amplitudenmodulationsmodus in einer Luft. Ein rotes Rechteck zeigt das kristallographische Gitter auf dem Bcflugzeug dieses Kristalles an.

Dieses Gitter, mit orthogonalem Abstand von 0,5 nm (der Wiederholungsabstand entlang dem Cschwerpunkt) und von 0,7 nm (Hälfte des Wiederholungsabstandes entlang dem Bschwerpunkt), wurde auch unter Verwendung der verschiedenen Fühler entdeckt (siehe Abbildung 7). Trotz der Ähnlichkeit der Bildmuster, die mit verschiedenen Fühlern erhalten werden, sind Bildvarianten wahrnehmbar. Es gibt bestimmt einen Mangel an hoher Auflösung von feinen Atom-schuppe Merkmalen. Dieses ist eine geläufige Eigenschaft von Bilder erhaltenen herein MORGENS- und FM-Modi in einer Luft und unter Flüssigkeit, in der, weniger als 0,5 nm zu sperren schlecht entschlossen ist.

Abbildung 7. FLUGHANDBUCH-Bilder eines polydiacetylene Kristalles erreicht im Amplitudenmodulationsmodus in einer Luft. Dieser Fühler war zu dem unterschiedlich, der im Experiment verwendet wurde, das die Bilder erbrachte, die in Abbildung 6. gezeigt wurden.

Die Situation ist nur leicht für Bilder im Kontaktmodus besser, in dem zusätzlich zur Sichtbarmachung einer Glimmeroberfläche, die Gitter von MOS2 und der Graphit beobachtet werden können. Kontaktmodusbilder dieser überlagerten Materialien werden in Abbildung 8. gezeigt.

Abbildung 8. Obere Reihe: Topographiebilder von drei überlagerten die Kristalle, die in Kontakt FLUGHANDBUCH-Modus erreicht wurden. Topographiekonturen entlang diesen Bildern werden direkt unterhalb sie, in der mittleren Reihe dargestellt. Untere Reihe: Darstellungen 3D der kristallographischen Oberflächenzelle des Kohlenstoffes, des SEs und der Kaliumatome.

Die Ausgangsbilder sind ziemlich laut, aber die periodischen Gitter können über eine FFT-Prozedur erhöht werden, die das führt, um die sechseckigen Muster zu vervollkommnen (eingebettet im Spitzenteil der Bilder). Topographiespuren entlang den Bildern werden direkt unterhalb sie dargestellt; diese Spuren zeigen, dass die Oberflächenfurchungen von 40 P.M. (Graphit) bis 300 P.M. (Glimmer) erhöhen. Deshalb ist Molekularschuppe Darstellung des Glimmers weniger Verlangen wegen seiner größeren Furchungen und interatomic Trennungen, wie in den Skizzen 3D der Atomoberflächenzelle der Kristalle dargestellt (Abbildung 8, untere Reihe).

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend ist der aktuelle Status von Atom-schuppe Darstellung in FLUGHANDBUCH nicht zufrieden stellend - es gibt Raum für weitere Verbesserung. Der Fortschritt der hochauflösenden Darstellung herein MORGENS- und FM-Modi ist besonders wünschenswert; beide Schwingungsmodi können an einer viel breiteren Reichweite der Materialien (einschließlich weiche Nachrichten) verglichen mit Kontaktmodus FLUGHANDBUCH angewendet werden. Zukünftiger Fortschritt beruht auf instrumentellen Verbesserungen wie besseren störsignalisierenden Eigenschaften, unterer thermischer Antrieb und verbesserter Befund und Regelung von Spitzeprobe Kräften sowie der Gebrauch von scharfen Fühlern.

Eine Andere entscheidende Frage hängt mit der Gewinnung eines besseren Verständnisses der Art von Atom-schuppe Auflösung in FLUGHANDBUCH, ein Thema zusammen, das unter Diskussion seit der ersten erfolgreichen Sichtbarmachung von Atom- und Molekularschuppe Gittern im Kontaktmodus gewesen ist. Einzelne Atom-schuppe Defekte sind nie praktisch im Kontaktmodus aufgezeichnet worden. Deshalb stellt solche Darstellung nur Gitterauflösung - im Gegensatz zu wahrer Atomauflösung zur verfügung, in der der Befund solcher Defekte erwartet wird. Darstellung von periodischen Gittern mit Defekten ist in FM- und MORGENS-Bildern (zuerst in UHV und später in den Umgebungsbedingungen) demonstriert worden, aber die Ergebnisse der Computersimulation haben aufgedeckt, dass Sichtbarmachung der Defekte nicht notwendigerweise bedeutet, dass die umgebende molekulare Ordnung richtig in den Bildern [9, 10] reproduziert wird. Diese Ergebnisse heben einen Bedarf an der umfassenden Wechselwirkung zwischen Experiment und Theorie in der Analyse von Atom-schuppe Daten hervor.

Bezüge

[1] W. Stocker et al., Polym. Bull. 1991, 26, 215-222.

[2] G.C. McGonigal, R.H. Bernhardt und D.J. Thomson, Appl. Phys. Lett. 1990, 57, 28.

[3] W. Liang et al., Adv. Mater. 1993, 5, 817-821.

[4] S.N. Magonov und N.A. Yerina, Langmuir 2003, 19, 500-504.

[5] L. Verdienen Sie et al., Wissenschaft 2009, 324, 142.

[6] T. Fukuma et al., Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 193108.

[7] T. Fukuma et al., Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 034103.

[8] D. Klinov und S. Magonov, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 2697.

[9] S. Belikov und S. Magonov, Jap. Jour. Appl. Phys. 2006, 45, 2158.

[10] S. Belikov und S. Magonov, Proc. Amer. Steuern Sie Soc., St. Louis, 2009, 979.

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Quelle: Keysight-Technologien

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Date Added: May 11, 2011 | Updated: Dec 16, 2014

Last Update: 16. December 2014 07:33

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