התקדמות ברזולוציה גבוהה מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM) הדמיה

נושאים שידונו

הקדמה

הדמיה ברזולוציה גבוהה כבר את התכונה העיקרית שמושך את תשומת הלב של החוקרים מיקרוסקופיית (SPM), אך ישנם עדיין מספר שאלות לגבי מצטיינים זה פונקציה של סריקת מיקרוסקופ מינהור (STM) ואת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) . סוגיות הקשורות כמה, החל AFM הדמיה של שכבות alkane על גרפיט, יטופלו כאן.

תיאור של אלקאנים

אלקאנים רגיל (נוסחה כימית: C _n H _{2n +2)} הם מולקולות ליניארי עם קונפורמציה זיגזג מועדף של _CH-2 - קבוצות. מסוף-CH ₃ הקבוצות שלהם הם קצת יותר גדולה שלהם - CH ₂ - קבוצות, אך יותר ניידים. באותו תנאי הסביבה, אלקאנים עם n = 18 ומעלה הם גבישים מוצקים (את טמפרטורת ההתכה של C ₁₈ H ₃₈ היא 28 ° C) עם שרשראות אוריינטציה אנכי כמעט ביחס הפנים גדול יותר של הגבישים. צור מצב תמונות AFM משטח כזה של גביש C ₃₆ H ₇₄ (אשר נוצר of-CH ₃ קבוצות) חשפו את ההסדר העת של קבוצות אלה [1].

זה כבר זמן רב ידוע כי על פני השטח של גרפיט מולקולות alkane הם התאספו שטוח שוכב מבנים lamellar שבו מולקולות המורחבת מלא מכוונים לאורך גרפיט משלושה כיוונים עיקריים (ראו תרשים 1). צו זה מולקולרית מאופיין במספר periodicities: 0.13nm המרווח בין אטומי פחמן שכנים, המרווח בין 0.25nm-CH ₂ - קבוצות לאורך שרשרת ב קונפורמציה זיגזג, מרחק interchain 0.5nm בתוך lamellae, ואת רוחב lamellar - אורכה של המולקולה המורחבת C _n H _{2n 2.} האחרון משתנה 2.3 nm עבור C ₁₈ H _38-49.5 C ₃₉₀ nm עבור H ₇₈₂ (alkane הארוך מסונתז).

באיור 1. סקיצה כדי להראות lamellar מולקולרית של alkane רגיל על גרפיט.

AFM הדמיה של שכבות Alkane על גרפיט

Alkane adsorbates על גרפיט נבדקו תחילה עם STM [2]. בניסויים כאלה, אגל של פתרון alkane רווי מופקד על משטח גרפיט. טיפ מתכתי חודר זה טיפה, כמו גם ספח מולקולרית בבית ממשק נוזל מוצק, עד שהוא מזהה זרם המנהור. בתנאים האלה, קצה היא סריקה מעל השכבה המולקולרית הורה בסביבה הקרובה של המצע. תמונות STM של אלקאנים רגיל על גרפיט (כמו זה מועתק מ [3] ומוצגים איור 2) בבירור להדגים את הפרטים הקטנים של ההסדר מולקולרית, כגון קצוות lamellar, שרשראות הפרט בתוך lamellae, ואת קונפורמציה של זיגזג alkane רשתות.

2. STM איור דמותו של C ₃₆ H ₇₄ אלקאנים על גרפיט.

בשנת הדמיה STM בממשק נוזל מוצק, החללית מוקף פתרון alkane רווי. כל חוסר היציבות של הדמיה ושימוש התנגדות נמוכה הפער מנהור יגרום נזק מכני סדר alkane, וכן בדיקה עשוי שיא דימוי של גרפיט הבסיסית. אם הפער גדל שוב, סדר alkane ישוחזר בשל מאגר של מולקולות alkane. זה כמעט בלתי אפשרי להשיג תמונות STM שכבות "יבש" alkane על גרפיט כי הנזק מדי פעם את השכבות הוא לא לתיקון.

מחקרים של שכבות alkane יבש על גרפיט ניתן לבצע עם AFM, אך עד כה את "STM" ברזולוציה של ההסדר lamellae לא הושגה. בתחילה, adsorbates lamellar של C ₆₀ H ₁₂₂ על גרפיט נבדקו במצב אפנון משרעת או רווחים של 7.6 ננומטר במטוסים lamellar שונים ומבנים multilayered אפשר לראות בבירור בתמונות כתוצאה [4]. בהעדר תקנים טווח "ננומטרים ספורים", מבנים אלה העת יכול להיות מועסק על כיול ה-X ו-Y ציר סורקים. למרות ששימש בעבר כדרך להוכיח את ברזולוציה גבוהה יכולות הדמיה של מיקרוסקופ החללית מסוים סריקה, להדמיה של רצועות 7.6nm נחשב כבר לא מאתגר. כיום, את היכולת להשיג תמונות של מבנים lamellar קטנים (למשל, C ₃₆ H ₇₄ עם 4.5nm המרווח, C ₁₈ H ₃₈ עם ריווח 2.3nm) מספק מדד טוב יותר של ביצועים מיקרוסקופ וניסיון המפעיל.

תמונות אופייניות AFM של C ₁₈ H _38, C ₃₆ H _74, ו-C ₆₀ H ₁₂₂ lamellae על גרפיט שהושגו עם מיקרוסקופ כוח Agilent 5500 אטומי מוצגים באיור 3. הקצוות lamellar נפתרות בבירור בתמונות אלה. מקורו של הניגוד ההבדל בין קשיחות יעיל של הליבה lamellar (-CH ₂ - רצפים) ואת הקצוות שלה (-CH ₃ ובסמוך-CH ₂ - קבוצות). התבנית מורכבת של C ₃₆ H ₇₄ lamellae לראות את התמונה "350 ננומטר" נגרמת על ידי גרגירי המצע, כמו גם את המוזרויות של הסדר בתוך שרשרת lamellae. בחלק ההכנות מדגם, רשתות שכנות הם מוזז כדי להכיל את מגושם-CH ₃ קבוצות בסוף, המוביל להטות את "רשתות ביחס לקצוות lamellar. לכן, רוחב lamellar הפרט עשוי להיות קטן יותר מאורך של הרשתות alkane.

איור 3. AFM תמונות של אלקאנים רגיל על גרפיט שהושגו במצב אפנון משרעת.

נזכור את התמונות STM של אלקאנים רגיל על גרפיט, זה די מעניין לשער, האם החלטה כזו יכולה להיות מושגת באמצעות AFM, או במגע או oscillatory (משרעת אפנון, אפנון תדר) מצבים. יש כבר התקדמות ברורה בעניין זה, כפי שהוכח על ידי AFM תמונות של שלושה אלקאנים שונים (C ₁₈ H _38, C ₂₄₂ H _486, ו-C ₃₉₀ H ₇₈₂₎ על גרפיט שהושגו במצב מגע (ראה איורים 4 ו -5). המרווח, אשר קשורה lamellae לבין רשתות בודדים, היא להבחין בדמותו של lamellae C ₁₈ H ₃₈ (איור 4). דפוס זיגזג לאורך שרשראות alkane בצפיפות נתפסת דמותו של alkane ultralong, C ₃₉₀ H ₇₈₂ (איור 4). Lamellae מעוות מעט אחדים התגלו תמונות של C ₂₄₂ H ₄₈₆ (איור 5). ב את התמונה "100 ננומטר", מספר פגמים ליניארי הנגרמת על ידי רשתות חסר או חלקים שלהם וניתן להבחין בהם. שרשראות alkane הפרט, אשר הוארך בין הקצוות של lamellae, הם גם נראים את התמונה "55 ננומטר".

איור 4. AFM תמונות של C ₁₈ H ₃₈ ו-C ₃₉₀ H ₇₈₂ lamellae על גרפיט שהושגו במצב ליצירת קשר.

איור 5. AFM תמונות של C ₂₄₂ H ₄₈₆ lamellae על גרפיט שהושגו במצב ליצירת קשר.

תמונה צפיפות גבוהה המכיל מספר הפיקסלים מ 1k כדי 4k יש לאסוף על מנת לצפות את הקצוות lamellar ורשתות בודדים של אלקאנים ארוך בתוך אותה תמונה. הדמיה כזו לוקח זמן ודורש מכשיר עם סחיפה תרמית נמוכה. להדמיה מולקולרית של המרווח הוכיח עד 0.25 ננומטר מציעה מצב הקשר מקווים כי התצפיות דומה ניתן להשיג oscillatory אפנון משרעת (AM) ו oscillatory אפנון תדר (FM) מצבי כאשר חלים בתנאי הסביבה או תחת נוזלי. ויזואליזציה עם רזולוציה 0.25nm של המבנה המולקולרי של pentacene שכבר הושג בניסויים FM ב UHV ו בטמפרטורות נמוכות [5].

הדמיה של מצבי AM ו-FM

במשך מספר שנים, ההתקדמות AFM כבר בחלק הקשור להתפתחויות ויישומים של מצב FM. טכניקה זו, אשר הועסק במקור כחלופה ב UHV אל AM מצב לצורך זיהוי של קצה מדגם אינטראקציות כוח סריקה, עכשיו הוא משמש גם עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה באוויר ומתחת נוזלי. תמונות ברזולוציה גבוהה של מיקה, עצמי מכלולים של alkanethiols, ו (PDA) גבישים polydiacetylene נרשמו FM עם מצב משתמש "תוצרת בית" setups [6, 7]. מבנים אלה מאופיינים העת המרווח גדול יותר 0.5 ננומטר. במקרים מסוימים, בקנה מידה מולקולרי ליקויים בודדים נצפו. ממצאים דומים דווחו ניצול מצב AM [8]. כמה תמונות ברזולוציה גבוהה שהושגו AM מצב עם מיקרוסקופ כוח Agilent 5500 אטומי מוצגים איורים 6-8.

השימוש AM מצב באוויר, מספר ברזולוציה מולקולרית תמונות הושגו על פני השטח של גביש PDA. לאחר גביש הוא ביקע, הפנים הגדול שלו חלקה אטומית (עם כמה פגמים ליניארי) הוא המתאים ביותר עבור הדמיה מולקולרית בקנה מידה (ראה איור 6, הימנית העליונה). בהגדלה גבוהה, דפוס עת מחקה את המבנה הגבישי של המטוס-BC ניתן להשיג (איור 6, למטה מימין למעלה).

איור 6. AFM תמונות של גביש polydiacetylene שהושגו במצב אפנון משרעת באוויר. מלבן אדום מצביע על הסריג קריסטלוגרפיים במטוס-BC של הגביש הזה.

סריג זה, עם ריווח אורתוגונליים של 0.5 ננומטר (המרחק לחזור לאורך ציר ג) ו - 0.7 ננומטר (מחצית המרחק לחזור לאורך ציר ה-b), זוהה גם באמצעות בדיקות שונות (ראה איור 7). למרות הדמיון של תבניות תמונה שהושג עם בדיקות שונות, וריאציות תמונה ניכרים. יש בהחלט חוסר ברזולוציה גבוהה בקנה מידה אטומי תכונות בסדר. זהו מאפיין משותף של דימויים שהושגו AM ו-FM מצבי באוויר ומתחת נוזלי, איפה המרווח פחות מ -0.5 ננומטר נפתרה גרוע.

איור 7. AFM תמונות של גביש polydiacetylene שהושגו במצב אפנון משרעת באוויר. בדיקה זו היתה שונה מזו המשמשת בניסוי זה הניב את התמונות שמוצג באיור 6.

המצב הוא רק במעט טוב יותר תמונות במצב קשר, שם בנוסף להדמיה של משטח מיקה, סריגי של MOS ₂ ו גרפיט ניתן לצפות. מצב יצירת דימויים של חומרים אלה שכבתית מוצגות באיור 8.

איור 8 שורה עליונה:. תמונות הטופוגרפיה של שלוש שכבות גבישים שהושגו במצב AFM קשר. קווי המתאר טופוגרפיה יחד דימויים אלה מוצגים ישירות מתחת להם, בשורה האמצעית. שורה תחתונה: ייצוגים 3D של מבנה השטח קריסטלוגרפיים של פחמן, Se, אטומי אשלגן.

התמונות המקוריות רועש למדי, אבל סריגי עת ניתן לשפר באמצעות הליך FFT שמוביל דפוסי משושה מושלם (מוטבע בחלק העליון של התמונות). עקבות לאורך טופוגרפיה התמונות מוצגות ישירות מתחת להם; עקבות אלה מראים כי הקפלולים משטח להגדיל החל מהשעה 40 (גרפיט) ​​עד השעה 300 (מיקה). לפיכך, הדמיה מולקולרית בהיקף של מיקה היא פחות תובענית בשל תלמים גדול שלה הפרדות interatomic, כמתואר סקיצות 3D של מבנה אטומי פני השטח של הגבישים (איור 8, השורה התחתונה).

מסקנות

לסיכום, המצב הנוכחי של הדמיה בקנה מידה אטומי ב AFM אינו משביע רצון - יש מקום לשיפור נוסף. התקדמות הדמיה ברזולוציה גבוהה במצבי AM ו-FM רצוי במיוחד, הן מצבי oscillatory יכול להיות מיושם על מגוון רחב הרבה יותר של חומרים (כולל חפצים רכים) בהשוואה קשר למצב AFM. התקדמות לעתיד מסתמך על שיפורים אינסטרומנטלי כגון אות לרעש מאפיינים טובים יותר, סחיפה תרמית נמוכה, זיהוי משופרת ושליטה על קצה מדגם כוחות, כמו גם את השימוש של בדיקות חדות.

בעיה נוספת קשורה קריטי בהשגת הבנה טובה יותר של מהות ההחלטה בקנה מידה אטומי ב AFM, נושא זה כבר הנדונה מאז להדמיה המוצלח הראשון של סריגי אטומית ומולקולרית בקנה מידה במצב ליצירת קשר. סינגל בקנה מידה אטומי פגמים לא נרשמו כמעט במצב ליצירת קשר. לפיכך, הדמיה כגון מספק רק ברזולוציה סריג - בניגוד ברזולוציה אטומית האמיתי שבו גילוי פגמים כאלה צפוי. הדמיה של סריגי העת עם מומים הודגמה FM ותמונות בבוקר (ראשון UHV ומאוחר יותר לתנאי הסביבה), אך את תוצאות הדמיית מחשב חשפו כי ויזואליזציה של הפגמים לא בהכרח אומר כי צו מולקולרית שמסביב לשכפל נכונה בתמונות [9, 10]. ממצאים אלה מדגישים את הצורך מקיף הגומלין בין הניסוי לבין התיאוריה בניתוח נתונים בקנה מידה אטומי.

הפניות

[1] שטקר W. et al. Polym. בול. 1991, 26, 215-222.

[2] GC McGonigal, RH ברנהרדט, ו DJ תומסון, Appl. Phys. לט. 1990, 57, 28.

[3] וו ליאנג et al. עו"ד. מאטר. 1993, 5, 817-821.

[4] SN Magonov ו NA Yerina, לאנגמיור 2003, 19, 500-504.

[5] ל 'גרוס et al. Science 2009, 324, 142.

[6] ט Fukuma et al. Appl. Phys. לט. 2005, 86, 193108.

[7] ט Fukuma et al. Appl. Phys. לט. 2005, 86, 034103.

[8] ד קלינוב וס Magonov, Appl. Phys. לט. 2004, 84, 2697.

[9] ס Belikov וס Magonov, יפני. Jour. Appl. Phys. 2006, 45, 2158.

[10] ס Belikov וס Magonov, Proc. עאמר. בקרת לסוציולוגיה., סנט לואיס, 2009, 979.

אודות Agilent Technologies

Agilent Technologies מכשירים ננוטכנולוגיה לתת לך תמונה, מניפולציות, ולאפיין מגוון רחב של ננו התנהגויות, חשמל, כימית, ביולוגית, מולקולרית, ו האטומית. אוסף גדל והולך שלנו של מכשירים ננוטכנולוגיה, אביזרים, שירותי תוכנה מתכלים יכול לגלות רמזים אתם צריכים להבין את העולם הננומטרי.

Agilent Technologies מציעה מגוון רחב של דיוק גבוהה מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) כדי לענות על הצרכים הייחודיים שלך מחקר. Agilent של מכשירים מאוד להגדרה מאפשרים לך להרחיב את היכולות של המערכת לצרכים שלך כמו להתרחש. הטיפול של Agilent המובילים הסביבה / מערכות טמפרטורה נוזל מאפשר נוזל מעולה רך הדמיה חומרים. היישומים כוללים מדעי החומר, אלקטרוכימיה, פולימר חיים במדע יישומי.

מקור: Agilent Technologies

לקבלת מידע נוסף על מקור זה בקר Agilent Technologies