Progresso nella Rappresentazione Atomica Ad Alta Definizione di Microscopia (AFM) della Forza

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Introduzione
Descrizione degli Alcani
Rappresentazione del AFM dei Livelli dell'Alcano sulla Grafite
Rappresentazione dentro Modi di FM e di
Conclusioni
Riferimenti
Circa le Tecnologie di Agilent

Introduzione

La rappresentazione Ad Alta Definizione è stata la funzionalità primaria che attira l'attenzione dei ricercatori' a microscopia di scansione della sonda (SPM), eppure ci sono ancora una serie di domande eccezionali per quanto riguarda questa funzione dei microscopi di traforo di scansione (STM) e dei microscopi atomici della forza (AFM). Alcune emissioni relative, cominciando dalla rappresentazione del AFM dell'alcano mette a strati sulla grafite, saranno indirizzate qui.

Descrizione degli Alcani

Alcani Normali (formula chimica: Il CHn2n+2) è molecole lineari con una conformazione preferenziale di zigzag - dei gruppi2 CH. Il Loro terminale - gruppi3 di CH sia leggermente più grande del loro - gruppi2 CH, ma più mobile. Alle circostanze ambientali, gli alcani con n=18 e più su sono cristalli solidi (la temperatura di fusione del CH1838 è 28° C) con le catene ha orientato praticamente verticale per quanto riguarda le più grandi fronti di taglio dei cristalli. Le immagini del AFM del modo di Contatto di una tal superficie di un cristallo3674 di CH (di cui è formato - gruppi3 di CH) hanno rivelato la disposizione periodica di questi gruppi [1].

Lungamente è stato conosciuto che sulla superficie della grafite le molecole dell'alcano sono montate in strutture lamellari orizzontali in cui le molecole completamente estese sono orientate lungo le tre direzioni principali della grafite (si veda Figura 1). Questo ordine molecolare è caratterizzato da una serie di periodicità: 0.13nm gioco fra gli atomi di carbonio vicini, gioco 0.25nm in mezzo - gruppi2 CH lungo la catena nella distanza di conformazione, del interchain 0.5nm dentro le lamelle e la larghezza lamellare di zigzag - la lunghezza della molecola estesan2n+2 di CH. L'ultimo varia da 2,3 nanometro per il CH1838 a 49,5 nanometro per il CH390782 (l'alcano più lungo sintetizzato).

Figura 1. Schizzo che mostra ordine lamellare e molecolare dell'alcano normale sulla grafite.

Rappresentazione del AFM dei Livelli dell'Alcano sulla Grafite

Gli adsorbati dell'Alcano sulla grafite in primo luogo sono stati esaminati con STM [2]. In tali esperimenti, una gocciolina della soluzione saturata dell'alcano è depositata su una superficie della grafite. Un suggerimento metallico penetra questa gocciolina come pure un adsorbato molecolare all'interfaccia liquido-solida, finché non individui una corrente di traforo. A queste circostanze, il suggerimento sta scandendo sopra il livello molecolare ordinato nelle vicinanze immediate del substrato. Immagini di STM degli alcani normali sulla grafite (come quella si è riprodotto da [3] ed ha presentato nella Figura 2) chiaramente dimostrano i dettagli fini della disposizione molecolare, quali le barriere lamellari, le diverse catene dentro le lamelle e la conformazione di zigzag delle catene dell'alcano.

Figura 2. immagine di STM degli alcani3674 di CH sulla grafite.

Nella rappresentazione di STM all'interfaccia liquido-solida, la sonda è circondata dalla soluzione alcano-saturata. Tutta L'instabilità della rappresentazione e l'uso della resistenza bassa di differenza di traforo danneggieranno meccanico l'ordine dell'alcano e la sonda potrebbe registrare un'immagine della grafite di fondo. Se la differenza è aumentata ancora, l'ordine dell'alcano sarà ripristinato dovuto un raggruppamento delle molecole dell'alcano. È praticamente impossible da ottenere le immagini di STM di “asciuga„ i livelli dell'alcano sulla grafite perché il danneggiamento occasionale dei livelli è irreparabile.

Gli Studi sui livelli asciutti dell'alcano sulla grafite possono essere svolti con il AFM, ma finora la risoluzione “di STM„ della disposizione delle lamelle non è stata raggiunta. Inizialmente, gli adsorbati lamellari del CH60122 sulla grafite sono stati esaminati nel modo di modulazione di ampiezza e un gioco di 7,6 nanometro sugli aerei lamellari differenti e sulle strutture a più strati potrebbe essere veduto chiaramente nelle immagini risultanti [4]. In assenza degli standard per “i pochi nanometri„ vari, queste strutture periodiche possono essere impiegate per la calibratura dell'Asse y e di X degli scanner. Sebbene precedentemente usato come modo provare le capacità ad alta definizione della rappresentazione di uno scansione particolare sondi il microscopio, visualizzazione dei nastri 7.6nm più non è considerato sfidare. Oggi, la capacità di ottenere le immagini di più piccole strutture lamellari (per esempio, CH con3674 gioco 4.5nm, CH con1838 gioco 2.3nm) fornisce un migliore calibro di esperienza della prestazione e dell'operatore del microscopio.

Le immagini Tipiche del AFM delle lamelle1838 di CH,3674 di CH e60122 di CH sulla grafite si sono verificate con un Agilent 5500 che il microscopio atomico della forza è indicato nella Figura 3. Le barriere lamellari sono chiaramente risolte in queste immagini. L'origine del contrasto è la differenza fra l'efficace rigidezza della memoria lamellare (- sequenze2 CH) e le sue barriere (- CH3 e vicino - gruppi2 CH). Il reticolo complesso delle lamelle3674 di CH vedute “nell'immagine di 350 nanometro„ è causato dai granuli del substrato come pure dalle caratteristiche dell'ordine a catena dentro le lamelle. In alcuni preparati del campione, le catene vicine sono spostate per accomodare meglio l'ingombrante - gruppi3 dell'estremità di CH, piombo inclinazione alle catene' per quanto riguarda le barriere lamellari. Di Conseguenza, le diverse larghezze lamellari hanno potuto essere più piccole della lunghezza delle catene dell'alcano.

Figura 3. immagini del AFM degli alcani normali sulla grafite ottenuta in modo di modulazione di ampiezza.

Tenendo presente le immagini di STM degli alcani normali sulla grafite, è piuttosto interessante speculare se tale risoluzione può essere raggiunta via il AFM, in contatto o (modulazione di ampiezza, modulazione di frequenza) modi oscillatori. C'è stato progresso sicuro a tale riguardo, come dimostrato dalle immagini del AFM di tre alcani differenti (CH1838, CH242486 e CH390782) sulla grafite ottenuta in modo di contatto (si vedano Figure 4 e 5). Il gioco, che è collegato con le lamelle e le catene della persona, è discernibile nell'immagine delle lamelle1838 di CH (Figura 4). Il reticolo di zigzag lungo le catene molto attentamente imballate dell'alcano è veduto nell'immagine dell'alcano del ultralong, il CH390782 (Figura 4). Parecchie lamelle leggermente torte sono state individuate nelle immagini del CH242486 (Figura 5). “Nell'immagine di 100 nanometro„, una serie di difetti lineari causati dalle catene mancanti o le loro parti sono distinguibili. Le Diverse catene dell'alcano, che sono estese fra le barriere delle lamelle, sono egualmente visibili “nell'immagine di 55 nanometro„.

Figura 4. immagini del AFM delle lamelle1838 di CH e390782 di CH sulla grafite ottenuta in modo di contatto.

Figura 5. immagini del AFM delle lamelle242486 di CH sulla grafite ottenuta in modo di contatto.

Un'immagine ad alta densità che contiene una serie di pixel da 1k a 4k deve essere raccolta per osservare le barriere lamellari e le diverse catene degli alcani lunghi all'interno della stessa immagine. Tale rappresentazione richiede tempo e richiede uno strumento con deriva termica bassa. La visualizzazione dimostrata di spaziatura molecolare giù a 0,25 nanometri nel modo di contatto offre la speranza che le simili osservazioni possono essere raggiunte nella modulazione di ampiezza oscillatoria (AM) e nei modi oscillatori (FM) di modulazione di frequenza una volta applicate nelle circostanze ambientali o sotto liquido. La Visualizzazione con risoluzione 0.25nm della struttura molecolare di pentacene già è stata raggiunta negli esperimenti di FM in UHV ed alle basse temperature [5].

Rappresentazione dentro Modi di FM e di

Per una serie di anni, il progresso in AFM è stato in una certa parte relativa agli sviluppi ed alle applicazioni del modo di FM. Questa tecnica, che originalmente è stata impiegata in UHV come alternativa al modo di per la rilevazione delle interazioni e dello scansione della forza del suggerimento-campione, ora egualmente è usata per la rappresentazione ad alta definizione in aria e sotto liquido. Le immagini Ad Alta Definizione di mica, di auto-assembly dei alkanethiols e dei cristalli del polydiacetylene (PDA) sono state registrate con il modo di FM facendo uso delle impostazioni “casalinghe„ [6, 7]. Queste strutture periodiche sono caratterizzate dalla spaziatura dei più maggior di 0,5 nanometri. In alcuni casi, i diversi difetti del molecolare-disgaggio sono stati osservati. I Simili risultati sono stati riferiti che utilizzano il modo di [8]. Parecchie immagini ad alta definizione hanno ottenuto dentro il modo di con un Agilent 5500 che il microscopio atomico della forza è indicato nella le Figure 6-8.

Usando il modo di in aria, una serie di immagini di molecolare-risoluzione sono state ottenute della superficie di un cristallo di PDA. Dopo Che un a cristallo è fenduto, la sua più grande fronte di taglio atomico liscia (con pochi difetti lineari) è il più adatto a rappresentazione del molecolare-disgaggio (si veda Figura 6, destra superiore). Ad più alto ingrandimento, il reticolo periodico che imita la struttura cristallina dell'bc-aereo può essere ottenuto (Figura 6, destra superiore e fondo).

Figura 6. immagini del AFM di un cristallo del polydiacetylene ottenuto in modo di modulazione di ampiezza in aria. Un rettangolo rosso indica la grata cristallografica sull'bc-aereo di questo cristallo.

Questa grata, con un gioco ortogonale di 0,5 nanometri (la distanza di ripetizione lungo l'c-asse) e di 0,7 nanometri (metà della distanza di ripetizione lungo l'b-asse), egualmente è stata individuata facendo uso delle sonde differenti (si veda Figura 7). Malgrado la similarità dei reticoli di immagine ottenuti con differenti sonde, le variazioni di immagine sono notevoli. C'è definitivamente una mancanza di alta risoluzione delle funzionalità fini del atomico-disgaggio. Ciò è una caratteristica comune dei modi di FM e di dentro ottenuti immagini in aria e sotto liquido, in cui spaziare meno di 0,5 nanometri è male risolta.

Figura 7. immagini del AFM di un cristallo del polydiacetylene ottenuto in modo di modulazione di ampiezza in aria. Questa sonda era differente da quella utilizzata nell'esperimento che ha reso le immagini come appare Figura 6.

La situazione è soltanto leggermente migliore per le immagini nel modo di contatto, dove oltre a visualizzazione di una superficie della mica, le grate del MOS2 e la grafite possono essere osservate. Le immagini del modo di Contatto di questi materiali stratificati sono indicate nella Figura 8.

Figura 8. Riga Superiore: le immagini della topografia di tre hanno messo a strati i cristalli ottenuti in modo del AFM del contatto. I contorni della Topografia lungo queste immagini sono presentati direttamente sotto loro, nella riga media. Riga Inferiore: rappresentazioni 3D della struttura di superficie cristallografica di carbonio, dell'Esperto In Informatica e degli atomi del potassio.

Le immagini originali sono abbastanza rumorose, ma le grate periodiche possono essere migliorate via una procedura che di FFT quella piombo per perfezionare i reticoli esagonali (inclusi nella parte superiore delle immagini). Le tracce della Topografia lungo le immagini sono presentate direttamente sotto loro; queste tracce indicano che le ondulazioni di superficie aumentano da 40 il pm (grafite) a 300 il pm (mica). Di Conseguenza, la rappresentazione del molecolare-disgaggio di mica è la meno richiesta dovuto le sue ondulazioni più grandi e separazioni interatomiche, come rappresentato negli schizzi 3D della struttura di superficie atomica dei cristalli (Figura 8, riga inferiore).

Conclusioni

Riassumendo, lo stato attuale della rappresentazione del atomico-disgaggio in AFM non è soddisfacente - c'è stanza per ulteriore miglioramento. Il progresso della rappresentazione ad alta definizione dentro i modi di FM e di è particolarmente desiderabile; entrambi i modi oscillatori possono applicarsi ad un intervallo molto più vasto dei materiali (oggetti molli compresi) rispetto al modo di contatto AFM. Il progresso Futuro conta sui miglioramenti strumentali quali le migliori caratteristiche segnali-rumore, deriva termica più bassa e rilevazione e controllo migliore delle forze del suggerimento-campione come pure l'uso delle sonde marcate.

Un'Altra questione critica è collegata con il guadagno della comprensione migliore della natura di risoluzione in AFM, un argomento del atomico-disgaggio che è stato in discussione dalla prima riuscita visualizzazione delle grate del molecolare-disgaggio ed atomiche nel modo di contatto. I Singoli difetti del atomico-disgaggio praticamente non sono stati registrati mai nel modo di contatto. Di Conseguenza, tale rappresentazione fornisce soltanto la risoluzione della grata - contrariamente a vera risoluzione atomica dove la rilevazione di tali diserta è preveduto. La Rappresentazione delle grate periodiche con i difetti è stata dimostrata nelle immagini di e di FM (in primo luogo in UHV e più successivamente nelle circostanze ambientali), ma i risultati di simulazione su elaboratore hanno rivelato che la visualizzazione dei difetti necessariamente non significa che l'ordine molecolare circostante è riprodotto correttamente nelle immagini [9, 10]. Questi risultati sottolineano un'esigenza dell'interazione completa fra l'esperimento e la teoria nell'analisi dei dati del atomico-disgaggio.

Riferimenti

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

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

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

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

[5] L. Incassi et al., Scienza 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 e S. Magonov, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 2697.

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

[10] S. Belikov e S. Magonov, Proc. Amer. Gestisca la Soc, St. Louis, 2009, 979.

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Date Added: May 11, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:59

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