Vooruitgang in High-Resolution AtoomWeergave van de Microscopie (AFM) van de Kracht

Gesponsord door Keysight Technologies

Besproken Onderwerpen

Inleiding
Beschrijving van Alkanes
Weergave AFM van Alkane Lagen op Grafiet
Weergave binnen AM en van FM Wijzen
Conclusies
Verwijzingen
Ongeveer Technologieën Keysight

Inleiding

High-resolution weergave is de primaire eigenschap die onderzoekers' aandacht aan de microscopie van de aftastensonde aantrekt, (SPM) nog daar is nog een aantal onopgeloste vragen betreffende deze functie van aftasten een tunnel gravende microscopen en (STM) atoomkrachtmicroscopen geweest (AFM). Een paar verwante kwesties, om te beginnen met weergave AFM van alkane lagen op grafiet, zullen hier worden behandeld.

Beschrijving van Alkanes

Normale alkanes (chemische formule: CHn2n+2) zijn lineaire molecules met een preferentiële zigzagbouw van - de groepen2 van CH. Hun terminal - de groepen3 van CH zijn lichtjes groter dan hun - de groepen2 van CH, maar mobieler. Bij omringende voorwaarden, zijn alkanes met n=18 en hoger stevige kristallen (de het smelten temperatuur van CH1838 is 28° C) met kettingen georiënteerde praktisch verticaal wat betreft de grotere gezichten van de kristallen. De de wijzeAFM beelden van het Contact van zulk een oppervlakte van een kristal3674 van CH (dat van - de groepen van CH3 ) wordt gevormd hebben de periodieke regeling van deze groepen [1] geopenbaard.

Men heeft lang geweten dat op de oppervlakte van grafiet de alkane molecules in flat-lying gelamelleerde structuren worden geassembleerd waarin de volledig uitgebreide molecules langs drie belangrijke grafietrichtingen (zie Figuur 1) georiënteerd zijn. Deze moleculaire orde wordt gekenmerkt door een aantal periodiciteit: 0.13nm die tussen naburige koolstofatomen uit elkaar plaatsen, 0.25nm die tussen - de groepen van CH2 langs de ketting in de zigzagbouw, 0.5nm interchainafstand binnen de lamellen, en de gelamelleerde breedte uit elkaar plaatsen - de lengte van de uitgebreide moleculen2n+2 van CH. De laatstgenoemde varieert van 2.3 NM voor CH1838 aan 49.5 NM voor CH390782 (langste samengesteld alkane).

Figuur 1. Schets die gelamelleerde en moleculaire orde van normale alkane op grafiet tonen.

Weergave AFM van Alkane Lagen op Grafiet

Alkane adsorbates op grafiet werden eerst onderzocht met STM [2]. In dergelijke experimenten, wordt een druppeltje van verzadigde alkane oplossing gedeponeerd op een grafietoppervlakte. Een metaaluiteinde doordringt dit druppeltje, evenals moleculaire adsorbate bij de vloeibaar-vast lichaamsinterface, tot het een een tunnel gravende stroom ontdekt. Bij deze voorwaarden, tast het uiteinde meer dan de bevolen moleculaire laag in de directe nabijheid van het substraat af. De beelden van STM van normale alkanes op grafiet (zoals gereproduceerd van [3] en voorgesteld in Figuur 2) tonen duidelijk de fijne details van de moleculaire regeling, zoals gelamelleerde randen aan, ketent het individu binnen de lamellen, en de zigzagbouw van de alkane kettingen.

Figuur 2. Het beeld van STM van alkanes3674 van CH op grafiet.

In de weergave van STM bij de vloeibaar-vast lichaamsinterface, wordt de sonde omringd door alkane-verzadigde oplossing. Om Het Even Welke instabiliteit van de weergave en het gebruik van lage het een tunnel graven hiaatweerstand zal mechanische schade aan de alkane orde veroorzaken, en de sonde zou een beeld van het onderliggende grafiet kunnen registreren. Als het hiaat opnieuw wordt verhoogd, zal de alkane orde wegens een pool van alkane molecules worden hersteld. Het is praktisch onmogelijk om de beelden van STM van „droge“ alkane lagen op grafiet te verkrijgen omdat de occasionele schade aan de lagen onherstelbaar is.

De Studies van droge alkane lagen op grafiet kunnen met AFM worden uitgevoerd, maar tot zover is de resolutie van „STM“ van de lamellenregeling niet bereikt. Aanvankelijk, gelamelleerde werden adsorbates van CH60122 op grafiet onderzocht in de wijze van de omvangmodulatie en het uit elkaar plaatsen van 7.6 NM op verschillende gelamelleerde vliegtuigen en multilayered structuren konden duidelijk in resulterende beelden [4] worden gezien. Bij gebrek aan normen voor de „weinig nanometers“ waaier, kunnen deze periodieke structuren voor van X en y-As kaliberbepaling van scanners worden aangewend. Hoewel vroeger gebruikt als manier om high-resolution weergave te bewijzen sonderen de mogelijkheden van een bepaald aftasten microscoop, wordt de visualisatie van de 7.6nm stroken niet meer overwogen uitdaging. Vandaag, verstrekt de capaciteit om beelden van kleinere gelamelleerde structuren (b.v., CH met3674 4.5nm die, CH met 2.3nm die1838 uit elkaar plaatsen uit elkaar plaatsen) te verkrijgen een betere maat van microscoopprestaties en exploitantervaring.

De Typische die beelden AFM van CH1838, CH3674, en de lamellen60122 van CH op grafiet met een Keysight 5500 worden atoomkrachtmicroscoop wordt verkregen getoond in Figuur 3. De gelamelleerde randen worden duidelijk opgelost in deze beelden. De oorsprong van het contrast is het verschil tussen de efficiënte stijfheid van de gelamelleerde kern (- de opeenvolgingen2 van CH) en zijn randen (- CH3 en dichtbij - de groepen2 van CH). Het complexe die patroon van de lamellen3674 van CH in het „350 NM“ beeld worden gezien wordt veroorzaakt door de korrels van het substraat evenals de eigenaardigheden van de kettingsorde binnen de lamellen. In sommige steekproefvoorbereidingen, worden de naburige kettingen verplaatst om omvangrijk beter aan te passen - het eind3 groepen van CH, die tot de kettingen' schuine stand leiden wat betreft de gelamelleerde randen. Daarom zouden de individuele gelamelleerde breedten kleiner kunnen zijn dan de lengte van de alkane kettingen.

Figuur 3. Beelden AFM van normale die alkanes op grafiet op de wijze van de omvangmodulatie worden verkregen.

Houdend in mening de beelden van STM van normale alkanes op grafiet, is het eerder interessant om te speculeren over de vraag of dergelijke resolutie via AFM, of op contact of oscillerende (omvangmodulatie, frequentiemodulatie) wijzen kan worden bereikt. Er is in dit opzicht welomlijnde vooruitgang geweest, zoals aangetoond door AFM beelden van drie verschillende die alkanes (CH1838, CH242486, en CH390782) op grafiet op contactwijze (zie Figuren 4 en 5) wordt verkregen. Uit elkaar plaatsen, die met de lamellen en de individuele kettingen verwant is, is discernable in het beeld van de lamellen1838 van CH (Figuur 4). Het zigzagpatroon langs de dicht ingepakte alkane kettingen wordt gezien in het beeld van ultralongalkane, CH390782 (Figuur 4). Verscheidene lichtjes verdraaide lamellen werden ontdekt in de beelden van CH242486 (Figuur 5). In het „100 NM“ beeld, zijn een aantal lineaire die tekorten door ontbrekende kettingen worden veroorzaakt of hun delen te onderscheiden. De Individuele alkane kettingen, die tussen de randen van de lamellen worden uitgebreid, zijn ook zichtbaar in het „55 NM“ beeld.

Figuur 4. De beelden AFM van CH1838 en de lamellen390782 van CH op grafiet verkregen op contactwijze.

Figuur 5. Beelden AFM van de lamellen242486 van CH op grafiet op contactwijze die worden verkregen.

Een high-density beeld die een aantal pixel bevatten van 1k aan 4k moet worden verzameld om de gelamelleerde randen en de individuele kettingen van lange alkanes binnen het zelfde beeld waar te nemen. Dergelijke weergave vergt tijd en vereist een instrument met lage thermische afwijking. De aangetoonde visualisatie van het moleculaire uit elkaar plaatsen neer aan 0.25 NM in de aanbiedingen van de contactwijze hoopt dat de gelijkaardige observaties op oscillerende omvangmodulatie en de oscillerende (AM) wijzen van de frequentiemodulatie kunnen (FM) worden bereikt wanneer toegepast in omringende voorwaarden of onder vloeistof. De Visualisatie met 0.25nm resolutie van de moleculaire structuur van pentacene is reeds bereikt in de experimenten van FM in UHV en bij lage temperaturen [5].

Weergave binnen AM en van FM Wijzen

een aantal jaren, is de vooruitgang in AFM in één of ander deel met betrekking tot de ontwikkelingen en de toepassingen van de wijze van FM geweest. Deze techniek, die oorspronkelijk in UHV als alternatief voor AM wijze voor de opsporing van uiteinde-steekproef krachtinteractie en aftasten werd aangewend, wordt nu ook gebruikt voor high-resolution weergave in lucht en onder vloeistof. High-resolution beelden van mica, zelf-assemblage van alkanethiols, en polydiacetylene (PDA) zijn kristallen geregistreerd met de wijze van FM gebruikend „eigengemaakte“ opstellingen [6, 7]. Deze periodieke structuren worden gekenmerkt door groter uit elkaar te plaatsen dan 0.5 NM. In sommige gevallen, zijn de moleculair-schaal individuele tekorten waargenomen. De Gelijkaardige bevindingen zijn gemeld gebruikend AM wijze [8]. Verscheidene high-resolution beelden verkregen AM binnen wijze met een Keysight 5500 atoomkrachtmicroscoop in Cijfers 6-8 worden getoond.

Gebruikend AM wijze in lucht, zijn een aantal moleculair-resolutiebeelden verkregen van de oppervlakte van een kristal van PDA. Nadat een kristal wordt gespleten, is zijn grootste atomically vlot gezicht (met weinig lineaire tekorten) het meest geschikt voor moleculair-schaalweergave (zie Figuur 6, hoogste recht). Bij hogere vergroting, kan het periodieke patroon die de kristallijne structuur van het BC-vliegtuig nabootsen worden verkregen (Figuur 6, hoogste recht en bodem).

Figuur 6. De beelden AFM van een polydiacetylenekristal verkregen op de wijze van de omvangmodulatie in lucht. Een rode rechthoek wijst op het kristallografische rooster op het BC-vliegtuig van dit kristal.

Dit rooster, met het orthogonal uit elkaar plaatsen van 0.5 NM (de herhalingsafstand langs de c-as) en 0.7 NM (de helft van de herhalingsafstand langs de B-as) werd, ook ontdekt gebruikend verschillende sondes (zie Figuur 7). Ondanks de gelijkenis van de beeldpatronen met verschillende sondes worden verkregen, zijn de beeldvariaties die merkbaar. Er is absoluut een gebrek aan hoge resolutie van fijne atoom-schaaleigenschappen. Dit is een gemeenschappelijk kenmerk van beelden de verkregen binnen AM en wijzen van FM in lucht en onder vloeistof, waar het uit elkaar plaatsen van minder dan 0.5 NM slecht vastbesloten is.

Figuur 7. De beelden AFM van een polydiacetylenekristal verkregen op de wijze van de omvangmodulatie in lucht. Deze sonde was verschillend van gebruikt die in het experiment dat de beelden opbracht in Figuur 6 worden getoond.

De situatie is slechts beter lichtjes voor beelden op contactwijze, waar naast visualisatie van een micaoppervlakte, de roosters van MoS2 en grafiet kunnen worden waargenomen. De de wijzebeelden van het Contact van deze gelaagde materialen worden getoond in Figuur 8.

Figuur 8. Hoogste rij: topografie beelden van drie gelaagde die kristallen op contactAFM wijze worden verkregen. De contouren van de Topografie langs deze beelden worden voorgesteld direct onder hen, in de middenrij. De rij van de Bodem: 3D vertegenwoordiging van de kristallografische oppervlaktestructuur van koolstof, Se, en kaliumatomen.

De originele beelden zijn vrij lawaaierig, maar de periodieke roosters kunnen via een procedure worden verbeterd FFT die tot perfecte hexagonale patronen leidt (ingebed in het hoogste gedeelte beelden). De sporen van de Topografie langs de beelden worden voorgesteld direct onder hen; deze sporen tonen aan dat de oppervlakteplooiingen van 40 p.m. (grafiet) tot 300 p.m. (mica) stijgen. Daarom is de moleculair-schaalweergave van mica minder eisen wegens zijn grotere plooiingen en interatomic scheidingen, zoals die in 3D schetsen van de atoomoppervlaktestructuur wordt afgeschilderd van de kristallen (Figuur 8, bodemrij).

Conclusies

Samengevat, is het huidige statuut van atoom-schaalweergave in AFM niet bevredigend - er is ruimte voor verdere verbetering. De vooruitgang van high-resolution weergave binnen AM en van FM wijzen is bijzonder wenselijk; beide oscillerende wijzen kunnen op een veel bredere waaier van materialen (met inbegrip van zachte voorwerpen) vergeleken met contactwijze AFM worden toegepast. De Toekomstige vooruitgang baseert zich op instrumentale verbeteringen zoals betere signal-to-noise kenmerken, lagere thermische afwijking, en betere opsporing en controle van uiteinde-steekproef krachten, evenals het gebruik van scherpe sondes.

Een Andere kritieke kwestie is verwant met het verkrijgen van beter inzicht van de aard van atoom-schaalresolutie in AFM, een onderwerp dat onder behandeling sinds de eerste succesvolle visualisatie van atoom en moleculair-schaalroosters op contactwijze is geweest. De Enige atoom-schaaltekorten zijn nooit praktisch geregistreerd op contactwijze. Daarom verstrekt dergelijke weergave slechts roosterresolutie - in tegenstelling tot ware atoomresolutie waar de opsporing van dergelijke tekorten wordt verwacht. De Weergave van periodieke roosters met tekorten is aangetoond in FM en GEWEEST beelden (eerst in UHV en later in omringende voorwaarden), maar de resultaten van computersimulatie hebben geopenbaard dat de visualisatie van de tekorten betekent noodzakelijk niet dat de omringende moleculaire orde correct in de beelden [9, 10] wordt gereproduceerd. Deze bevindingen benadrukken een behoefte aan uitvoerige interactie tussen experiment en theorie in de analyse van atoom-schaalgegevens.

Verwijzingen

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

[2] G.C. McGonigal, RECHTS Bernhardt, en D.J. Thomson, Appl. Phys. Lett. 1990, 57, 28.

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

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

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

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

[10] S. Belikov en S. Magonov, Proc. Amer. Soc. van de Controle, St.Louis, 2009, 979.

Ongeveer Technologieën Keysight

Keysight is een globale elektronische van de metingstechnologie en markt leider die de metingservaring van zijn klanten door innovatie helpen om te zetten in draadloze, modulaire, en softwareoplossingen. Keysight verleent elektronische metingsinstrumenten en systemen en verwante die software, van het softwareontwerp hulpmiddelen en de diensten in het ontwerp, de ontwikkeling, de vervaardiging, de installatie, de plaatsing en de verrichting van elektronische apparatuur worden gebruikt. De Informatie over Keysight is beschikbaar in www.keysight.com.

Bron: De Technologieën van Keysight

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Technologieën Keysight

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

Last Update: 16. December 2014 07:32

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit