Progreso en Proyección De Imagen Atómica De Alta Resolución de la Microscopia (AFM) de la Fuerza

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Temas Revestidos

Introducción
Descripción de Alcanos
Proyección De Imagen del AFM de las Capas del Alcano en el Grafito
Proyección De Imagen hacia adentro Modos de la y de FM
Conclusiones
Referencias
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Introducción

La proyección de imagen De Alta Resolución ha sido la característica primaria que atrae atención a los investigadores' a la microscopia de exploración de la antena (SPM), con todo todavía hay varias preguntas excepcionales con respecto a esta función de los microscopios el hacer un túnel de la exploración (STM) y de los microscopios atómicos de la fuerza (AFM). Algunos temas relacionados, empezando por la proyección de imagen del AFM del alcano acodan en el grafito, serán dirigidos aquí.

Descripción de Alcanos

Alcanos Normales (fórmula química: El CHn2n+2) es moléculas lineales con una conformación preferencial del zigzag - de los grupos2 CH. Su terminal - grupos3 del CH sea ligeramente más grande que su - grupos2 CH, pero más movible. En las condiciones ambiente, los alcanos con n=18 y más arriba son cristales sólidos (la temperatura que funde del CH1838 es 28° C) con los encadenamientos orientó prácticamente vertical por lo que se refiere a las superficies más grandes de los cristales. Las imágenes del AFM del modo de Contacto de tal superficie de un cristal3674 del CH (del cual se forma - grupos3 del CH) han revelado la ordenación periódica de estos grupos [1].

Se ha sabido de largo que en la superficie del grafito las moléculas del alcano están ensambladas en las estructuras laminares echadas en las cuales las moléculas completo extendidas se orientan a lo largo de tres direcciones principales del grafito (véase el Cuadro 1). Esta orden molecular es caracterizada por varias periodicidades: 0.13nm separación entre los átomos de carbón vecinos, separación 0.25nm en medio - grupos2 CH a lo largo del encadenamiento en la distancia de la conformación, del interchain 0.5nm dentro de las laminillas, y el ancho laminar del zigzag - la longitud de la molécula extendidan2n+2 del CH. Este último varía a partir del 2,3 nanómetro para el CH1838 a 49,5 nanómetro para CH390782 (el alcano más largo sintetizado).

Cuadro 1. Esbozo que muestra orden laminar y molecular del alcano normal en el grafito.

Proyección De Imagen del AFM de las Capas del Alcano en el Grafito

Los adsorbatos del Alcano en el grafito primero fueron examinados con STM [2]. En tales experimentos, una gotita de la solución saturada del alcano se deposita en una superficie del grafito. Una punta metálica penetra esta gotita, así como un adsorbato molecular en el interfaz líquido-sólido, hasta que detecte una corriente el hacer un túnel. En estas condiciones, la punta está explorando sobre la capa molecular pedida en la vecindad inmediata del substrato. Imágenes de STM de alcanos normales en el grafito (tal como el se reprodujo de [3] y presentó en el Cuadro 2) demuestran sin obstrucción los detalles finos de la ordenación molecular, tales como bordes laminares, encadenamientos individuales dentro de las laminillas, y la conformación del zigzag de los encadenamientos del alcano.

Cuadro 2. imagen de STM de los alcanos3674 del CH en el grafito.

En la proyección de imagen de STM en el interfaz líquido-sólido, la antena es rodeada por la solución alcano-saturada. Cualquier inestabilidad de la proyección de imagen y el uso de la resistencia inferior de la separación el hacer un túnel causarán daño mecánico a la orden del alcano, y la antena pudo registrar una imagen del grafito subyacente. Si la separación se aumenta otra vez, la orden del alcano será restablecido debido a un centro común de las moléculas del alcano. Es prácticamente imposible obtener las imágenes de STM de “seca” capas del alcano en el grafito porque el daño ocasional a las capas es irreparable.

Los Estudios de las capas secas del alcano en el grafito se pueden realizar con el AFM, pero hasta el momento la resolución de “STM” de la ordenación de las laminillas no se ha logrado. Inicialmente, los adsorbatos laminares del CH60122 en el grafito fueron examinados en modo de la modulación de amplitud y la separación de 7,6 nanómetro en diversos aviones laminares y las estructuras de varias capas se podría considerar sin obstrucción en las imágenes resultantes [4]. En ausencia de los patrones para los “pocos nanómetros” coloque, estas estructuras periódicas se pueden emplear para la calibración del X y de Y-AXIS de analizadores. Aunque esté utilizado antes como manera de probar las capacidades de alta resolución de la proyección de imagen de una exploración determinada sonde el microscopio, visualización de las cintas 7.6nm se considere no más el desafiar. Hoy, la capacidad de obtener imágenes de estructuras laminares más pequeñas (e.g., CH con3674 la separación 4.5nm, CH con1838 la separación 2.3nm) proporciona a un mejor indicador de la experiencia del funcionamiento y del operador del microscopio.

Las imágenes Típicas del AFM de las laminillas1838 del CH,3674 del CH, y60122 del CH en el grafito obtuvieron con un Keysight 5500 que el microscopio atómico de la fuerza se muestra en el Cuadro 3. Los bordes laminares son sin obstrucción resueltos en estas imágenes. El origen del contraste es la diferencia entre la rigidez efectiva de la base laminar (- las series2 CH) y sus bordes (- CH3 y cerca - los grupos2 CH). El modelo complejo de las laminillas3674 del CH consideradas en la imagen de “350 nanómetro” es causado por los granos del substrato así como las particularidades de la orden de cadena dentro de las laminillas. En algunas preparaciones de la muestra, los encadenamientos vecinos se desvían para acomodar mejor el abultado - los grupos3 del extremo del CH, llevando inclinación a los encadenamientos' por lo que se refiere a los bordes laminares. Por Lo Tanto, los anchos laminares individuales pudieron ser más pequeños que la longitud de los encadenamientos del alcano.

Cuadro 3. imágenes del AFM de alcanos normales en el grafito obtenido en modo de la modulación de amplitud.

Teniendo presente las imágenes de STM de alcanos normales en el grafito, es bastante interesante especular si tal resolución se puede lograr vía el AFM, en contacto o (modulación de amplitud, modulación de frecuencia) modos oscilatorios. Ha habido cierto adelanto a este respecto, según lo demostrado por imágenes del AFM de tres diversos alcanos (CH1838, CH242486, y CH390782) en el grafito obtenido en modo de contacto (véase los Cuadros 4 y 5). La separación, que se relaciona con las laminillas y los encadenamientos del individuo, es discernable en la imagen de las laminillas1838 del CH (Cuadro 4). El modelo de zigzag a lo largo de los encadenamientos de cerca pila de discos del alcano se considera en la imagen del alcano del ultralong, CH390782 (Cuadro 4). Varias laminillas ligeramente torcidas fueron detectadas en las imágenes de CH242486 (Cuadro 5). En la imagen de “100 nanómetro”, varios defectos lineales causados por los encadenamientos faltantes o sus piezas son distinguibles. Los encadenamientos Individuales del alcano, que son extendidos entre los bordes de las laminillas, son también visibles en la imagen de “55 nanómetro”.

Cuadro 4. imágenes del AFM de las laminillas1838 del CH y390782 del CH en el grafito obtenido en modo de contacto.

Cuadro 5. imágenes del AFM de las laminillas242486 del CH en el grafito obtenido en modo de contacto.

Una imagen de alta densidad que contiene varios pixeles de 1k a 4k se debe cerco para observar los bordes laminares y los encadenamientos individuales de alcanos largos dentro de la misma imagen. Tal proyección de imagen toma tiempo y requiere un instrumento con la desviación térmica inferior. La visualización demostrada del espaciamiento molecular hacia abajo a 0,25 nanómetros en modo de contacto ofrece esperanza que las observaciones similares se pueden lograr en la modulación de amplitud oscilatoria (AM) y modos oscilatorios de la modulación (FM) de frecuencia cuando están aplicadas en condiciones ambiente o bajo líquido. La Visualización con la resolución 0.25nm de la estructura molecular del pentacene se ha logrado ya en los experimentos de FM en UHV y en las bajas temperaturas [5].

Proyección De Imagen hacia adentro Modos de la y de FM

Para un cierto número de años, el progreso en el AFM ha estado en una cierta parte relacionada con los progresos y las aplicaciones del modo de FM. Esta técnica, que fue empleada originalmente en UHV como opción al modo de la para la detección de las acciones recíprocas y de la exploración de la fuerza de la punta-muestra, ahora también se utiliza para la proyección de imagen de alta resolución en aire y bajo líquido. Las imágenes De Alta Resolución de la mica, de los uno mismo-ensamblajes de alcanetioles, y de los cristales del polydiacetylene (PDA) se han registrado con el modo de FM usando los ajustes “hechos en casa” [6, 7]. Estas estructuras periódicas son caracterizadas espaciando mayor de 0,5 nanómetros. En algunos casos, se han observado los defectos individuales de la molecular-escala. Las conclusión Similares han estado señaladas que utilizaban el modo de la [8]. Varias imágenes de alta resolución obtuvieron hacia adentro modo de la con un Keysight 5500 que el microscopio atómico de la fuerza se muestra en Cuadros 6-8.

Usando modo de la en aire, varias imágenes de la molecular-resolución se han obtenido de la superficie de un cristal de PDA. Después De Que se hienda un cristal, su superficie atómico lisa más grande (con pocos defectos lineales) es la más conveniente para la proyección de imagen de la molecular-escala (véase el Cuadro 6, superior derecho). En una magnificación más alta, el modelo periódico que imita la estructura cristalina del a.C.-avión puede ser obtenido (el Cuadro 6, superior derecho y parte inferior).

Cuadro 6. imágenes del AFM de un cristal del polydiacetylene obtenido en modo de la modulación de amplitud en aire. Un rectángulo rojo indica el cedazo cristalográfico en el a.C.-avión de este cristal.

Este cedazo, con la separación ortogonal de 0,5 nanómetros (la distancia de la repetición a lo largo de c-AXIS) y de 0,7 nanómetros (mitad de la distancia de la repetición a lo largo de b-AXIS), también fue detectado usando diversas antenas (véase el Cuadro 7). A Pesar De la semejanza de los modelos de la imagen obtenidos con diversas antenas, las variaciones de la imagen son sensibles. Hay definitivamente una falta de alta resolución de las características finas de la atómico-escala. Ésta es una característica común hacia adentro de los modos obtenidos las imágenes de la y de FM en aire y bajo líquido, donde está mal resuelto el espaciamiento de menos de 0,5 nanómetros.

Cuadro 7. imágenes del AFM de un cristal del polydiacetylene obtenido en modo de la modulación de amplitud en aire. Esta antena era diferente de la que está usada en el experimento que rindió las imágenes mostradas en el Cuadro 6.

La situación es ligeramente mejor para las imágenes en el modo de contacto, donde además de la visualización de una superficie de la mica, los cedazos del MOS2 y el grafito pueden ser observados. Las imágenes del modo de Contacto de estos materiales acodados se muestran en el Cuadro 8.

Cuadro 8. Fila Superior: las imágenes de la topografía de tres acodaron los cristales obtenidos en modo del AFM del contacto. Los contornos de la Topografía a lo largo de estas imágenes se presentan directamente debajo de ellas, en la fila central. Fila Inferior: representaciones 3D de la estructura superficial cristalográfica del carbón, del SE, y de los átomos del potasio.

Las imágenes originales son muy ruidosas, pero los cedazos periódicos se pueden aumentar vía un procedimiento de FFT que ése lleva para perfeccionar los modelos hexagonales (embutidos en la porción superior de las imágenes). Los trazos de la Topografía a lo largo de las imágenes se presentan directamente debajo de ellas; estos trazos muestran que los corrugaciones superficiales aumentan a partir del 40 P.M. (grafito) a 300 P.M. (mica). Por Lo Tanto, la proyección de imagen de la molecular-escala de la mica es el menos exigir debido a sus corrugaciones más grandes y separaciones interatómicas, según lo representado en los esbozos 3D de la estructura superficial atómica de los cristales (Cuadro 8, fila inferior).

Conclusiones

En resumen, el estado actual de la proyección de imagen de la atómico-escala en el AFM no es satisfactorio - hay sitio para la mejoría adicional. El progreso de la proyección de imagen de alta resolución hacia adentro los modos de la y de FM es determinado deseable; ambos modos oscilatorios se pueden aplicar a un rango mucho más amplio de materiales (objetos suaves incluyendo) con respecto al modo de contacto AFM. El progreso Futuro confía en mejorías instrumentales tales como mejores características de relación señal/ruído, una desviación térmica más inferior, y detección y mando mejorado de las fuerzas de la punta-muestra, así como el uso de antenas sostenidas.

Otro asunto crítico se relaciona con la adquisición de una mejor comprensión de la naturaleza de la resolución en el AFM, un tema de la atómico-escala que ha estado bajo discusión desde la primera visualización acertada de los cedazos atómicos y de la molecular-escala en modo de contacto. Los Únicos defectos de la atómico-escala nunca se han registrado prácticamente en modo de contacto. Por Lo Tanto, tal proyección de imagen proporciona solamente a la resolución del cedazo - en contraste con la resolución atómica verdadera donde la detección de tales defectos se prevee. La Proyección De Imagen de cedazos periódicos con defectos se ha demostrado en las imágenes de FM y de la (primero en UHV y más adelante en condiciones ambiente), pero los resultados de la simulación por ordenador han revelado que la visualización de los defectos no significa necesariamente que la orden molecular circundante está reproducida correctamente en las imágenes [9, 10]. Estas conclusión acentúan una necesidad de la interacción completa entre el experimento y la teoría en el análisis de los datos de la atómico-escala.

Referencias

[1] W. Hogar Mecánico y otros, Polym. Boletín 1991, 26, 215-222.

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

[3] W. Liang y otros, Adv. Mater. 1993, 5, 817-821.

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

[5] L. Gane En Total y otros, la Ciencia 2009, 324, 142.

[6] T. Fukuma y otros, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 193108.

[7] T. Fukuma y otros, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 034103.

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

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

[10] S. Belikov y S. Magonov, Proc. Amer. Controle el Soc., St. Louis, 2009, 979.

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Fuente: Tecnologías de Keysight

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

Last Update: 16. December 2014 07:36

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