高解像の原子力の顕微鏡検査イメージ投射の (AFM)進歩

カバーされるトピック

導入
アルカンの記述
グラファイトのアルカン層の AFM イメージ投射
イメージ投射 AM および FM のモード
結論
参照
Agilent の技術について

導入

ずっと高解像イメージ投射は研究者の」スキャンのプローブの顕微鏡検査への注意引き付ける、けれども今でも (SPM)スキャンのトンネルを掘る顕微鏡および原子力の顕微鏡のこの機能に関するいくつかの顕著な質問があります (STM)一次機能です (AFM)。 アルカンの AFM イメージ投射にはじまって少数の関連問題は、グラファイトで、ここでアドレス指定されます層になります。

アルカンの記述

正常なアルカン (化学式: CH はn2n+2) - CH のグループの優先ジグザグ形の構造の線形分子2です。 ターミナル - CH の3 グループ彼等のよりわずかに大きくであって下さい - CH の2グループ、しかし移動式。 包囲された条件で、 n=18 のアルカンはより高く固体水晶であり、 (CH の溶ける温度は1838 水晶の太字に関して鎖との 28° C) 方向づけました事実上縦をです。 形作られる CH の水晶 (- CH のグループ3674 ) のそのような表面の接触モード3 AFM の画像はこれらのグループ [1] の定期的な整理を明らかにしました。

グラファイトの表面でアルカン分子が十分に拡張分子が 3 つの主要なグラファイトの方向に沿って方向づけられる平らある薄板構造でアセンブルされることが長く知られてしまいました (図 1) を見て下さい。 この分子順序はいくつかの周律によって特徴付けられます: 近隣の炭素原子間の 0.13nm 間隔、その間 0.25nm 間隔 -2 薄板の中のジグザグ形の構造、 0.5nm interchain 間隔の鎖に沿う CH のグループ、および薄板の幅 - 拡張 CH の分子のn2n+2 長さ。 後者は CH のための 2.3 nm から CH1838 (総合される最も長いアルカン390782 ) のための 49.5 nm に変わります。

正常なアルカンの薄板および分子順序を示すグラファイトの図 1. スケッチ。

グラファイトのアルカン層の AFM イメージ投射

グラファイトのアルカン吸着質は STM [2] と最初に検査されました。 そのような実験では、飽和させたアルカン解決のしぶきはグラファイトの表面で沈殿します。 金属先端は液体固体インターフェイスでトンネルを掘る流れを検出するまで、このしぶき、また分子吸着質を突き通します。 これらの条件で、先端は基板の即時近辺の発注された分子層にスキャンしています。 グラファイトの正常なアルカンの STM の画像 (もののようなから [3] 再生し、図 2) ではっきり示します薄板の中の薄板の端、個々の鎖、およびアルカン鎖のジグザグ形の構造のような分子配列の良い細部を、示しました。

グラファイトの図 2. CH のアルカン3674 の STM の画像。

液体固体インターフェイスの STM イメージ投射では、プローブはアルカン飽和させた解決によって囲まれます。 イメージ投射のどの不安定な状態でもおよび低いトンネルを掘るギャップの抵抗の使用はアルカン順序への機械損害を与え、プローブは根本的なグラファイトの画像を記録するかもしれません。 ギャップが再度高められれば、アルカン順序はアルカン分子のプールが復元された原因です。 層への臨時の損傷が修理不能であるので STM の画像をの 「得ることはほとんど不可能乾燥します」グラファイトのアルカン層をです。

グラファイトの乾燥したアルカン層の調査は AFM と行うことができますがこれまでに薄板の整理の 「STM」の解像度は達成されませんでした。 最初に、グラファイトの CH の60122 薄板の吸着質は振幅変調のモードで検査され、異なった薄板の平面および多層の構造の 7.6 nm の間隔は結果として生じる画像 [4] ではっきり見ることができます。 「少数のナノメーター」のための標準がない時及んで下さい、これらの定期的な構造はスキャンナーの X- および Y軸の口径測定のために用いることができます。 特定のスキャンの高解像イメージ投射機能を証明する方法として以前使用されてが顕微鏡、 7.6nm ストリップの視覚化をもはや考慮されます挑戦厳密に調べないで下さい。 現在、より小さい薄板構造 (2.3nm 間隔の 4.5nm 間隔の例えば、 CH、3674 CH) の画像を得る1838 機能は顕微鏡パフォーマンスおよびオペレータ経験のよりよいゲージを提供します。

グラファイトの CH、 CH1838 および3674 CH の薄板の60122 典型的な AFM の画像は Agilent 5500 原子力の顕微鏡が図 3. とで示されている得ました。 薄板の端はこれらの画像ではっきり解決されます。 対照の起源は薄板のコアの有効な剛さ (- CH シーケンス) と2端の違いです (- CH3 および近くに - CH の2グループ)。 「350 nm」の3674 画像で見られる基板の穀物、また薄板の中のチェーン順序の特性によって CH の薄板の複雑なパターンは引き起こされます。 あるサンプル準備ではよりよく扱いにくいの取り扱うために、近隣の鎖は - 鎖の3 に」導く CH の端のグループ薄板の端に関する傾き移ります。 従って、個々の薄板の幅はアルカン鎖の長さより小さいかもしれません。

振幅変調のモードで得られるグラファイトの図 3. 正常なアルカンの AFM の画像。

グラファイトの正常なアルカンの STM の画像に留意して、そのような解像度を接触または振動性 (振幅変調、周波数変調) モードの AFM によって、達成することができるかどうかについて推測することは幾分興味深いです。 接触モードで得られるグラファイトの 3 つのアルカン (CH、 CH および CH) の1838 AFM の画像242486によって示されるように390782確定進歩がこの点で、ずっとあります (図 4 および 5) を見て下さい。 薄板および個人の鎖と関連している間隔は CH の薄板 (図 4) の1838 画像で認識されます。 密接に詰められたアルカン鎖に沿うジグザグパターンは ultralong のアルカンの画像、 CH (図 4)390782 で見られます。 複数のわずかにツイスト薄板は CH (図 5) の画像242486 で検出されました。 「100 nm」の画像では、抜けた鎖によって引き起こされるいくつかの線形欠陥か部品は区別可能です。 薄板の端間で拡張の個々のアルカン鎖は 「55 nm」の画像でまた目に見えます。

接触モードで得られるグラファイトの1838 図 4.390782 CH および CH の薄板の AFM の画像。

接触モードで得られるグラファイトの242486 図 5. CH の薄板の AFM の画像。

1k からの 4k にいくつかのピクセルを含んでいる高密度画像は同じ画像内の長いアルカンの薄板の端そして個々の鎖を観察するために集められなければなりません。 そのようなイメージ投射は時間をかけ、低い熱ドリフトが付いている器械を必要とします。 分子に間隔をあけることの示された視覚化は接触モードの 0.25 nm に適用されたとき同じような観察を包囲された条件のまたは液体の下の振動性 (AM)振幅変調そして振動性 (FM)周波数変調のモードでことができるという希望を提供します達成する。 pentacene の分子構造の 0.25nm 解像度の視覚化は UHV のそして低温 [5] の FM の実験で既に達成されてしまいました。

イメージ投射 AM および FM のモード

数年間、 AFM の進歩は FM のモードの開発そしてアプリケーションと関連している部分にありました。 先端サンプル力の相互作用およびスキャンの検出のための AM のモードへの代わりとして UHV で最初に用いられたこの技術はまた空気でそして液体の下で高解像イメージ投射のために今使用されます。 alkanethiols の雲母、自己アセンブリ、および polydiacetylene (PDA) の水晶の高解像の画像は 「手製の」セットアップ [6、 7] を使用して FM のモードと記録されました。 これらの定期的な構造は非常により 0.5 nm の間隔をあけることによって特徴付けられます。 場合によっては、分子スケールの個々の欠陥は観察されました。 AM のモード [8] 利用する同じような調査結果は報告されました。 複数の高解像の画像は Agilent 5500 原子力の顕微鏡が図で 6-8 の AM のモードを示されている得ました。

空気の AM のモードを使用して、いくつかの分子解像度の画像は PDA の水晶の表面の得られました。 水晶が裂かれた後、最も大きい原子的にスムーズな表面は (少数の線形欠陥と) 分子スケールイメージ投射のための最も適しています (図 6 の右上を見て下さい)。 より高い拡大で、 BC 平面の結晶の構造をまねる定期的なパターンは得ることができます (図 6、右上および底)。

図 6. 空気の振幅変調のモードで得られる polydiacetylene の水晶の AFM の画像。 赤い長方形はこの水晶の BC 平面の結晶学の格子を明記します。

0.5 nm (c 軸線に沿う繰り返しの間隔) および 0.7 nm (b 軸線に沿う繰り返しの間隔の半分) の直角間隔のこの格子は、また異なったプローブを使用して、検出されました (図 7) を見て下さい。 異なったプローブと得られる画像パターンの類似にもかかわらず画像の変化は顕著です。 確定的に良い原子スケール機能の高リゾリューションの欠乏があります。 これは空気のそしてより少しにより 0.5 nm の間隔をあけることが不完全に解決する液体の下の画像によって得られる AM および FM のモードの共通の特性です。

図 7. 空気の振幅変調のモードで得られる polydiacetylene の水晶の AFM の画像。 このプローブは図 6. で示されている画像をもたらした実験で使用されたものと異なっていました。

状態は雲母の表面の視覚化に加えて、 MoS の格子およびグラファイトが観察することができる接触モードの画像2 のためにほんの少しだけよりよいです。 これらの層にされた材料の接触モードの画像は図 8. で示されています。

図 8。 上の列: 3 の地形の画像は接触 AFM のモードで得られた水晶を層にしました。 これらの画像に沿う地形の輪郭は中間の列のそれらの下で直接、示されます。 最下の列: カーボン、 Se およびカリウム原子の結晶学の表面の構造の 3D 表示。

元の画像はかなり騒々しいですが、定期的な格子は六角形パターンを導く FFT プロシージャによって高めることができます (画像の上の部分で埋め込まれる) 完成するためにそれが。 画像に沿う地形トレースはそれらの下で直接示されます; これらのトレースは表面の波形が 40 pm (グラファイト) から 300 pm (雲母) に増加することを示します。 従って、雲母の分子スケールイメージ投射は水晶 (図 8 の最下の列) の原子表面の構造の 3D スケッチに示すようにより大きい波形および interatomic 分離に、よるより少ない要求です。

結論

要約すると、 AFM の原子スケールイメージ投射の現状は満足ではないです - それ以上の改善のための部屋があります。 高解像イメージ投射 AM の進歩はおよび FM のモード特に好ましいです; 振動性モードは両方とも材料の大いにより広い範囲に接触モード AFM と比較して (を含む柔らかい目的) 適用することができます。 未来の進歩は先端サンプル力のよりよい SN 特性のような器械の改善に、より低い熱ドリフトおよび改善された検出および制御、また鋭いプローブの使用頼ります。

別の深刻な問題は AFM の原子スケールの解像度、接触モードの原子および分子スケールの格子の最初の正常な視覚化以来の議論の下にあったトピックの性質のよりよい理解を得ることと関連しています。 単一の原子スケールの欠陥は接触モードに決して事実上記録されませんでした。 従って、そのようなイメージ投射は - そのような欠陥の検出が期待される本当の原子解像度と対照をなして…格子解像度だけ提供します。 欠陥の定期的な格子のイメージ投射は FM および AM の画像で (最初にの UHV と後で包囲された条件) 示されましたが、周囲の分子順序が画像 [9、 10] で正しく再生されることを欠陥の視覚化が必ずしも意味しないことを計算機シミュレーションの結果は明らかにしました。 これらの調査結果は原子スケールデータの分析の実験と理論間の広範囲の相互作用のための必要性を強調します。

参照

[1] W. 等食肉牛、 Polym。 Bull。 1991 年、 26、 215-222。

[2] G.C. McGonigal、 R.H. Bernhardt、および D.J. トムソン、 Appl。 Phys。 Lett。 1990 年、 57、 28。

[3] W. 等梁、 ADV。 Mater。 1993 年、 5、 817-821。

[4] S.N. Magonov および N.A. Yerina、 Langmuir 2003 年、 19、 500-504。

[5] L.、科学 2009 年、 324、 142 等儲けて下さい。

[6] T. 等 Fukuma、 Appl。 Phys。 Lett。 2005 年、 86、 193108。

[7] T. 等 Fukuma、 Appl。 Phys。 Lett。 2005 年、 86、 034103。

[8] D. Klinov および S. Magonov、 Appl。 Phys。 Lett。 2004 年、 84、 2697。

[9] S. Belikov および S. Magonov、 Jap。 Jour。 Appl. Phys。 2006 年、 45、 2158。

[10] S. Belikov および S. Magonov、 Proc。 アメル。 Soc.、セントルイス 2009 年、 979 を制御して下さい。

Agilent の技術について

Agilent の技術のナノテクノロジーの器械は画像可能にし、処理し、そして動作電気、化学、生物的、分子、および原子いろいろ nanoscale を特徴付けます。 ナノテクノロジーの器械、アクセサリ、ソフトウェア、サービスおよび消耗品の私達の成長するコレクションはあなたが nanoscale の世界を理解する必要がある糸口を明らかにすることができます。

Agilent の技術は一義的な研究の必要性を満たすために高精度の原子力の顕微鏡 (AFM)の広い範囲を提供します。 Agilent の非常に設定可能な器械は必要性が発生すると同時にシステム・ケイパビリティを拡大することを可能にします。 Agilent の工業一流の環境の温度システムおよび流動処理は優秀な液体および柔らかい材料イメージ投射を可能にします。 アプリケーションは物質科学、電気化学、ポリマーおよび人生の科学アプリケーションを含んでいます。

ソース: Agilent の技術

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

Last Update: 14. June 2013 07:02

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