Edistyminen korkearesoluutioinen atomivoimamikroskooppi (AFM) Imaging

Aiheet

Johdanto

Korkean kuvantamispalvelut on ensisijainen ominaisuus, joka houkuttelee tutkijoita huomio skannaus koetin mikroskopia (SPM), mutta on vielä useita avoimia kysymyksiä tästä funktio skannaus tunnelointi mikroskoopit (STM) ja atomivoima mikroskoopit (AFM) . Muutama liittyviä kysymyksiä, alkaen atomivoimamikroskoopilla on alkaani kerrosta grafiittia, käsitellään täällä.

Kuvaus Alkaanit

Normaali alkaaneilla (kemiallinen kaava C _n H _{2n +2)} on lineaarinen molekyylien etuuskohteluun siksak lihakkuuden-CH ₂ - ryhmät. Heidän terminaali-CH _{3 ryhmää} ovat hieman suurempia kuin niiden - CH ₂ - ryhmät, mutta liikkuvampia. Ympäristön olosuhteet, alkaanit N = 18 ja suuremmat ovat kiinteitä kiteitä (sulamislämpötila C ₁₈ H ₃₈ on 28 ° C) ketjuilla suuntautunut lähes pystysuorassa suhteessa suurempi kasvot kiteitä. Yhteystiedot tilassa AFM kuvien tällaisen pinnan C ₃₆ H ₇₄ kristalli (joka muodostuu-CH _{3 ryhmää)} ovat paljastaneet määräajoin järjestely näiden ryhmien [1].

Jo kauan on tiedetty, että pinnalla grafiitti alkaani molekyylejä on koottu flat-makaa lamellivalurauta rakenteita, joissa täysin ulkona molekyylit ovat suuntautuneet pitkin kolme grafiitti suuntaan (ks. kuva 1). Tämä molekyyli järjestys on tunnusomaista joukko periodicities: 0.13nm välit naapurimaiden hiiliatomia, 0.25nm väli-CH ₂ - ryhmät pitkin ketju siksak rakenne, 0.5nm interchain etäisyyden sisällä lamellit, ja lamellitiiviste leveys - pituus laajennettu C _n H _{2n +2} molekyyli. Jälkimmäinen vaihtelee 2,3 nm C ₁₈ H _38-49.5 Nm C ₃₉₀ H ₇₈₂ (pisin alkaani syntetisoitu).

Kuva 1. Sketch Näytetään lamellisesta ja molekyylitason järjestys normaali alkaani grafiittiin.

Atomivoimamikroskoopilla ja alkaani kerrosta Grafiitti

Alkaani adsorbates grafiittiin oli ensin tutkinut STM [2]. Näissä kokeissa pisara tyydyttyneitä alkaani ratkaisu on talletettu grafiitin pinnalle. Metallinen kärki tunkeutuu tämä pisaran sekä molekyyli adsorbate on neste-kiinteä liitäntä, kunnes se havaitsee tunnelointi nykyisestä. Näissä olosuhteissa, kärki skannaa yli tilannut molekyylikerroksella välittömässä läheisyydessä alustan. STM kuvia normaalia alkaanit grafiittiin (kuten yhden jäljentää alkaen [3] ja kuvassa 2) osoittavat selkeästi hienoja yksityiskohtia molekyyli järjestelyn, kuten lamellitiiviste reunat, yksittäisten ketjujen sisällä lamellit, ja siksak lihakkuuden alkaani ketjut.

Kuva 2.. STM Kuva C ₃₆ H ₇₄ alkaanit grafiittiin.

STM kuvantaminen neste-kiinteä liitäntä, anturi ympäröi alkaani-kylläistä. Kaikki epävakaus kuvantamisen ja käytetään matalia tunnelointi kuilu vastus aiheuttaa mekaanisen vaurion alkaani järjestyksessä, ja luotain voi tallentaa kuvan taustalla grafiitti. Jos kuilu on kasvanut jälleen, alkaani järjestys palautetaan johtuen pooli alkaani molekyylejä. On melkein mahdotonta saada STM kuvia "kuivaa" alkaani kerrosta grafiittia koska satunnaista vahinkoa kerrokset on ei-korjattavissa.

Tutkimukset kuiva alkaani kerrosta grafiittia voidaan suorittaa AFM, mutta toistaiseksi "STM" päätöslauselman lamellit järjestely ei ole saavutettu. Aluksi lamellaarisia adsorbates C ₆₀ H ₁₂₂ grafiittiin tutkittiin amplitudimodulaatiota tilassa ja väli 7,6 nm eri lamellisesta lentokoneissa ja monikerroksinen rakenteita voitaisiin selvästi nähdä tuloksena kuvia [4]. Ilman standardeja "muutaman nanometrin" valikoima, nämä määräajoin rakenteet voidaan työllistää X-ja Y-akselin kalibrointi skannereita. Vaikka aiemmin käytetty tapa todistaa korkean kuvantamispalvelut ominaisuuksia erityisesti skannaus koetin mikroskoopilla, visualisointi 7.6nm nauhat ei enää pidetä haastavaa. Tänään, kyky saada kuvia pienempiä lamellivalurauta rakenteita (esim. C ₃₆ H ₇₄ kanssa 4.5nm välit, C ₁₈ H ₃₈ kanssa 2.3nm etäisyys) tarjoaa parempi mittari mikroskoopin suorituskyky ja operaattori kokemus.

Tyypillisiä AFM kuvia C ₁₈ H _38, C ₃₆ H _74, ja C ₆₀ H ₁₂₂ lamellit grafiittiin saatu Agilent 5500 atomivoimamikroskooppi ovat kuvassa 3. Lamellivalurauta reunat ovat selvästi ratkaistaan ​​näitä kuvia. Alkuperä Kontrasti ero tehokkaasti jäykkyyttä lamellivalurauta ydin (-CH ₂ - sekvenssit) ja sen reunat (-CH ₃ ja lähellä-CH ₂ - ryhmät). Monimutkainen kuvio C ₃₆ H ₇₄ lamellit nähty "350 nm" kuva johtuu jyvät alustan sekä erityispiirteet ketjun jotta sisällä lamelleja. Joissakin näyte valmisteita, naapurimaiden ketjut siirretään paremmin mahtuu iso-CH ₃ vuoden ryhmään, johtaa ketjujen kallistuksen suhteen lamellien reunat. Näin ollen yksittäiset lamellitiiviste leveydet voi olla pienempi kuin pituus alkaani ketjut.

Kuva 3. AFM kuvia normaalia alkaanit grafiittiin saatu amplitudimodulaatiota tilassa.

Pitäen mielessä STM kuvia normaalin alkaanit grafiittiin, se on aika mielenkiintoista spekuloida sillä, onko tällainen tarkkuus voidaan saavuttaa AFM joko yhteyttä tai oscillatory (amplitudimodulaatiota, taajuusmodulaatio) tiloissa. On ollut selvää edistystä tässä suhteessa, mistä on osoituksena AFM kuvia kolmesta eri alkaanit (C ₁₈ H _38, C ₂₄₂ H _486, ja C ₃₉₀ H ₇₈₂₎ grafiittiin saatu yhteyttä (katso kuvat 4 ja 5). Väli, joka liittyy lamellit ja yksittäisten ketjujen, on havaittavissa kuvassa C ₁₈ H ₃₈ lamelleja (kuvio 4). Siksak kuvio pitkin tiiviisti pakattu alkaani ketjuja näkyy kuva ultralong alkaani, C ₃₉₀ H ₇₈₂ (kuvio 4). Useat hieman kierretty lamellit havaittiin kuvat C ₂₄₂ H ₄₈₆ (kuva 5). Kun "100 nm" kuva, useita lineaarista vikoja aiheutuvat puuttuvista ketjut tai niiden osat ovat erotettavissa. Yksittäiset alkaani ketjut, jotka ovat laajennettu reunojen välissä lamellit, näkyy myös "55 nm" kuva.

Kuva 4. AFM kuvia C ₁₈ H ₃₈ ja C ₃₉₀ H ₇₈₂ lamellit grafiittiin saatu yhteyttä tilassa.

Kuva 5. AFM kuvia C ₂₄₂ H ₄₈₆ lamellit grafiittiin saatu yhteyttä tilassa.

High-density image sisältää useita pikseleitä 1k 4k on kerättävä, jotta tarkkailla lamellisesta reunat ja yksittäisten ketjujen pitkän alkaanit saman kuvan. Tällainen kuvantaminen vie aikaa ja vaatii väline alhainen Lämpöryömintä. Osoittanut visualisointi molekyyli välit alas 0,25 nm contact mode toivoa siitä, että samanlaisia ​​havaintoja voidaan saavuttaa oscillatory amplitudimodulaatiota (AM) ja oscillatory taajuus (FM) tilat käytettynä ympäristön olosuhteiden tai nestettä. Visualisointi kanssa 0.25nm päätöslauselman molekyylirakenteen pentacene on jo saavutettu FM kokeiluja UHV ja alhaisissa lämpötiloissa [5].

Imaging AM ja FM-tilat

Useiden vuosien kehitys AFM on joissakin osa liittyy kehitystä ja sovelluksia FM-tilassa. Tämä tekniikka, joka alun perin työskentelee UHV vaihtoehtona AM tila havaitsemiseen kärki-näytteen voima vuorovaikutusta ja skannaus, nyt käytetään myös korkean erotuskyvyn kuvantaminen ilmassa ja alle nestettä. Korkearesoluutioisia kuvia kiillettä, itse kokoonpanoja alkanethiols, ja polydiacetylene (PDA) kiteet on äänitetty FM käyttäen "kotitekoinen" asetelmia [6, 7]. Nämä säännölliset rakenteet ovat ominaisia ​​etäisyys on suurempi kuin 0,5 nm. Joissakin tapauksissa, molekyyli-asteikko yksittäisiä vikoja on havaittu. Samanlaisia ​​tuloksia on raportoitu hyödyntäen AM mode [8]. Useat korkean resoluution kuvia saatu AM tilassa Agilent 5500 atomivoimamikroskooppi on esitetty kuvissa 6-8.

Käyttämällä AM tilassa ilmassa, joukko molekyylitason kuvia on saatu pinnan PDA kristalli. Kun kristalli on hajonnut, sen suurin atomisesti sileä pinta (harvoja lineaarinen vikoja) on sopivin molekyylitason mittakaavan kuvantaminen (ks. kuva 6, ylhäällä oikealla). Suuremmilla suurennus, määräajoin kuvion jäljittelemällä kiderakenne BC-kone saa (Kuva 6, ylhäällä oikealla ja alhaalla).

Kuva 6. AFM kuvia polydiacetylene kristalli saatu amplitudimodulaatiota tilassa ilmassa. Punainen suorakulmio osoittaa kiteisiä Ikkunoiden BC-plane tämän kristalli.

Tämä ristikko, jossa ortogonaaliset väli on 0,5 nm (toista matkan varrella C-akseli) ja 0,7 nm (puolet toista matkan varrella b-akseli), havaittiin myös käyttäen erilaisia ​​antureita (ks. kuva 7). Huolimatta samankaltaisuudesta Rasterikuviot saatu eri anturia, kuva vaihtelut ovat huomattavia. On varmasti puute korkea resoluutio on hieno atomitason ominaisuudet. Tämä on yleinen ominaisuus kuvien saatu AM ja FM-tilat ilmassa ja alla neste, jossa etäisyys on alle 0,5 nm on huonosti ratkaistu.

Kuva 7. AFM kuvia polydiacetylene kristalli saatu amplitudimodulaatiota tilassa ilmassa. Tämä luotain oli erilainen kuin kokeessa käytettävät joka tuotti kuvat kuvassa 6.

Tilanne on vain hieman parempi kuvia contact mode, jossa lisäksi visualisoinnin kiille pinnalla, ristikoita Merten moottoritiet ₂ ja grafiitti voidaan havaita. Yhteystiedot tilassa kuvia näistä kerroksittain materiaalit on esitetty kuvassa 8.

Kuva 8. Ylärivi: topografia kuvia kolmen kerroksinen kiteet saatu yhteyttä AFM tilassa. Topografia ääriviivoja pitkin nämä kuvat on esitetty suoraan niiden alle, keskirivissä. Alarivi: 3D esityksiä kiteisiä pintarakenne hiiltä, ​​SE ja kaliumia atomeja.

Alkuperäiset kuvat ovat melko meluisa, mutta määräajoin ristikoita voidaan parantaa kautta FFT menettely, joka johtaa täydellisen kuusikulmainen kuvioita (upotettu yläosassa kuvat). Topografia jälkiä pitkin kuvat esitetään suoraan niiden alapuolella, nämä jäljet ​​osoittavat, että pinta poimun nousee 40 pm (grafiitti) 300 pm (kiilteestä). Siksi molekyyli-asteikko kuvantaminen kiillettä on vähemmän vaativa, koska sen suurempia poimun ja interatomic erotteluja, kuten kuvattu 3D luonnoksia atomi pintarakenne kiteet (Kuva 8, alarivissä).

Johtopäätökset

Yhteenvetona nykytilasta atomitason kuvantaminen AFM ei ole tyydyttävä - on parantamisen varaa. Edistyminen korkean kuvantamispalvelut AM ja FM-tilat on erityisen toivottavaa, että oscillatory tilat voidaan soveltaa paljon laajempi valikoima materiaaleja (kuten pehmeitä objekteja) verrattuna contact mode AFM. Tulevaisuuden kehitys riippuu instrumentaali parannuksia, kuten parempi signaali-kohina-ominaisuuksia, alempi Lämpöryömintä ja parannettu havaitseminen ja valvonta kärki-näyte voimat sekä teräviä anturit.

Toinen kriittinen kysymys liittyy parantaa tietämystä luonteesta atomitason resoluutio AFM, aihe, että on keskusteltu, koska ensimmäisen onnistuneen visualisoinnin atomi-ja molekyylitason mittakaavan ristikoita kosketuksiin tilassa. Single atomitason vikoja ei ole koskaan käytännössä kirjattu contact mode. Siksi tällainen kuvantaminen tarjoaa vain hilan tarkkuus - toisin kuin totta atomi päätöslauselma Kun paljastunut tällaisia ​​vikoja on odotettavissa. Imaging määräajoin ristikoita vikoja on osoitettu FM ja AM kuvia (ensin UHV ja myöhemmin ympäristöolosuhteet), mutta tulokset Tietokonesimuloinnin ovat osoittaneet, että visualisointi vikoja ei välttämättä tarkoita, että ympäröivä molekyyli tilaus on jäljennetty oikein kuvissa [9, 10]. Nämä tulokset painotetaan tarvetta kattava vuorovaikutus kokeilu ja teoriaa analyysin atomitason tietoja.

Referenssit

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

[2] GC McGonigal, RH Bernhardt, ja DJ Thomson, Appl. Phys. Lett. 1990, 57, 28.

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

[4] SN Magonov ja NA Yerina, Langmuir 2003, 19, 500-504.

[5] L. Gross et al. Science 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 ja S. Magonov, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 2697.

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

[10] S. Belikov ja S. Magonov, proc. Amer. Ohjaus Soc., St. Louis, 2009, 979.

Tietoja Agilent Technologies

Agilent Technologies nanoteknologian välineiden avulla voit kuvan, käsitellä ja kuvata erilaisia ​​nanomittakaavan käyttäytyminen-sähköisiä, kemiallisia, biologisia, molekyyli ja atomi. Kasvava kokoelma nanoteknologian instrumentit, tarvikkeet, ohjelmistot, palvelut ja tavarat voi paljastaa vihjeitä sinun täytyy ymmärtää nanomittakaavan maailmaa.

Agilent Technologies tarjoaa laajan valikoiman korkean tarkkuuden atomivoima mikroskoopit (AFM) vastaamaan ainutlaatuisen tutkimuksen tarpeisiin. Agilentin erittäin muokattava välineiden avulla voit laajentaa järjestelmän ominaisuuksia tarpeittesi esiintyä. Agilent johtavalla ympäristö / lämpötilan mittausjärjestelmät ja nesteenkäsittelyyn mahdollistaa ylivoimaisen neste ja pehmeitä materiaaleja kuvantaminen. Sovelluksia ovat materiaalitieteen, sähkökemia, polymeeri-ja biotieteiden sovellukset.

Lähde: Agilent Technologies

Lisätietoja tästä lähde osoitteessa Agilent Technologies