Прогресс в области высокого разрешения атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображений

Рассматриваемые вопросы

Введение

Высокое разрешение изображения было Главной особенностью, которая привлекает внимание исследователей к сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), но Есть еще ряд нерешенных вопросов, касающихся этой функции сканирующего туннельного микроскопа (STM) и атомно-силовых микроскопов (АСМ) . Несколько вопросов, связанных, начиная с АСМ изображений слоев алканов на графите, будут рассматриваться здесь.

Описание Алканы

Нормальные алканы (химическая формула: C _N H _{2n +2)} линейные молекулы с льготным конформации зигзаг-CH ₂ - группами. Их терминал-CH ₃ группы чуть больше, чем их - CH ₂ - группами, но более мобильными. В условиях окружающей среды, алканы с п = 18 и выше твердых кристаллов (температура плавления C ₁₈ H _38, 28 ° C) с цепями ориентированных практически вертикальной по отношению к большей лица кристаллов. Контактном режиме АСМ изображения такого поверхности C ₃₆ H ₇₄ кристалла (который формируется из-CH ₃ группы) показали периодическое расположение этих групп [1].

Давно известно, что на поверхности графита алканов молекул собираются в пологих пластинчатые структуры, в которых полностью вытянутой молекулы ориентированы по трем основным направлениям графита (см. рисунок 1). Этот молекулярный порядок характеризуется числом периодичности: 0.13nm расстояние между соседними атомами углерода, 0.25nm расстояние между-CH ₂ - группами вдоль цепи в конформации зигзаг, 0,5 нм межцепочечного расстояния внутри ламели, и пластинчатые ширина - Длина расширенной _С П H _{2n +2} молекулы. Последний варьируется от 2,3 нм для C ₁₈ H ₃₈ до 49,5 нм для C ₃₉₀ H ₇₈₂ (длинная алканов синтезированных).

Рисунок 1. Эскиз показывает пластинчатые и молекулярной порядка нормальных алканов на графите.

АСМ изображения слоев алканов на графит

Алканы адсорбатов на графите были впервые рассмотрены с СТМ [2]. В таких экспериментах капли насыщенного раствора алканов осаждается на поверхности графита. Металлический наконечник проникает эта капля, а также молекулярные адсорбата в жидкой и твердой интерфейс, пока не обнаружит туннельного тока. В этих условиях, наконечник сканирования более упорядоченных молекулярных слоев в непосредственной близости от подложки. СТМ-изображений нормальных алканов на графите (например, один воспроизведены из [3] и представлены на рисунке 2) наглядно демонстрируют тонкие детали молекулярного договоренности, такие, как пластинчатые ребра, отдельных цепей внутри ламели, и зигзаг конформации алкана цепей.

Рисунок 2. СТМ изображение C ₃₆ H ₇₄ алканов на графите.

В СТМ изображений на жидкость-твердое тело интерфейс, зонд окружен алкан-насыщенного раствора. Любая нестабильность изображения и использование низких туннельного сопротивления разрыв будет привести к механическому повреждению порядке алкана, и датчик может регистрировать образ лежащий в основе графита. Если разрыв вновь увеличился, порядок алканов будут восстановлены за счет пула алканов молекул. Это практически невозможно получить СТМ-изображений «сухих» алканов слоев графита, поскольку случайные повреждения слоев невосстанавливаемых.

Исследования сухие слои алканов на графит может быть выполнена с АСМ, но пока "СТМ" разрешение ламели договоренность не была достигнута. Первоначально, пластинчатая адсорбатов С ₆₀ Н ₁₂₂ на графите были рассмотрены в амплитуде режиме модуляции и расстояние в 7,6 нм на разных пластинчатые самолетов и многослойных структур был ясно виден в результирующее изображение [4]. В отсутствие стандартов для "несколько нанометров" диапазона, таких периодических структур могут быть использованы для Х-и Y-оси калибровки сканеров. Хотя ранее использовались как способ доказать, изображений с высоким разрешением возможности частности сканирующий зондовый микроскоп, визуализация 7.6nm полосы больше не считается сложной задачей. Сегодня, возможность получения изображения меньшего пластинчатых структур (например, C ₃₆ H ₇₄ с 4.5nm интервал, C ₁₈ H ₃₈ с 2.3nm интервал) обеспечивает лучше оценить микроскопа производительности и оператора опыт.

Типичное АСМ-изображений С ₁₈ H _38, C ₃₆ H ₇₄ и C ₆₀ H ₁₂₂ ламели на графите, полученные с Agilent 5500 атомно-силового микроскопа , показаны на рисунке 3. Пластинчатые ребра четко решен в эти образы. Происхождение отличие заключается разница между эффективной жесткостью пластинчатые ядро (-CH ₂ - последовательности) и ее края (-CH ₃ и около-CH ₂ - группами). Сложный характер C ₃₆ H ₇₄ ламелей увидеть в "350 нм" образ вызван зернах подложки, а также особенностей цепи порядок внутри пластинки. В некоторых образцов препаратов, соседних цепочках смещены для более полного учета громоздких-CH ₃ группы конца, что приводит к наклона цепи "по отношению к пластинчатые ребра. Таким образом, отдельные пластинчатые ширина может быть меньше, чем длина алканов цепей.

Рисунок 3. АСМ изображения нормальных алканов на графите, полученные в режиме амплитудной модуляции.

Имея в виду, СТМ-изображений нормальных алканов на графите, это довольно интересно предположить, являются ли такие резолюции может быть достигнуто с помощью АСМ, либо в контакте или колебательное (амплитудной модуляции, частотной модуляции) режимах. Там был определенный прогресс в этом отношении, как показали АСМ-изображений из трех различных алканов (C ₁₈ H _38, C ₂₄₂ H ₄₈₆ и C ₃₉₀ H ₇₈₂₎ на графите получить в контактном режиме (см. рисунки 4 и 5). Интервал, который связан с ламелями и отдельных цепей, является заметной в образе C ₁₈ H ₃₈ пластинок (рис. 4). Зигзагами вдоль плотно упакованных алканов цепи проявляется в образе сверхдлинных алканов, C ₃₉₀ H ₇₈₂ (рис. 4). Несколько слегка витой ламели были обнаружены в образах C ₂₄₂ H ₄₈₆ (рис. 5). В "100 нм" изображения, число линейных дефектов, вызванных отсутствует цепей или их частей различимы. Отдельные цепочки алканов, которые распространяются между краями ламели, также видны в "55-нм" изображение.

Рисунок 4. АСМ изображения C ₁₈ H ₃₈ и C ₃₉₀ H ₇₈₂ ламели на графите получить в контактном режиме.

Рисунок 5. АСМ изображения C ₂₄₂ H ₄₈₆ ламели на графите получить в контактном режиме.

Высокой плотности изображения, содержащего количество пикселей от 1k до 4k должна быть собрана для того, чтобы наблюдать пластинчатые ребра и отдельные цепи длинных алканов в пределах одного изображения. Такое изображение требует времени и инструмент с низкой тепловой дрейф. Продемонстрировали визуализации молекулярных расстояния до 0,25 нм в контактном режиме предлагает надежду, что подобные наблюдения могут быть достигнуты в колебательный амплитудной модуляции (AM) и колебательные частоты модуляции (FM) режимы при нанесении в условиях окружающей среды или в жидкости. Визуализация с 0.25nm разрешение молекулярную структуру пентацена уже было достигнуто в FM экспериментов в сверхвысоком вакууме и при низких температурах [5].

Изображений в AM и FM Режимы

В течение ряда лет, прогресс в АСМ была в какой-то части, связанные с развитием и применения FM-режиме. Этот метод, который был первоначально занятых в сверхвысоком вакууме в качестве альтернативы режиме АМ для обнаружения зонд-образец силовых взаимодействий и сканирования, в настоящее время также используется для изображений с высоким разрешением на воздухе и под жидким. Изображения с высоким разрешением из слюды, самостоятельно собрания alkanethiols и полидиацетилена (PDA) кристаллов были сделаны с помощью FM-режиме с использованием "домашних" установки [6, 7]. Эти периодические структуры характеризуются расстоянием более 0,5 нм. В некоторых случаях, молекулярного масштаба отдельных дефектов не наблюдается. Аналогичные результаты были зарегистрированы использованием режиме АМ [8]. Несколько изображений с высоким разрешением, полученные в режиме АМ с Agilent 5500 атомно-силового микроскопа показаны на рисунках 6-8.

Использование режима в воздухе, ряд молекулярных разрешением изображения были получены от поверхности КПК кристалла. После кристалл расщепляется, его крупнейшим атомно-гладкой поверхности (с несколькими линейными дефектами) является наиболее подходящим для молекулярного масштаба изображения (рис. 6, справа вверху). При более высоком увеличении, периодические картины имитации кристаллической структуры BC-самолет может быть получен (рис. 6, вверху справа и снизу).

Рисунок 6. АСМ изображения полидиацетилена кристаллов, полученных в режиме амплитудной модуляции в воздухе. Красный прямоугольник указывает кристаллографической решетки на BC-плоскости этого кристалла.

Эта решетка, с ортогональными расстояние в 0,5 нм (повторить расстояние вдоль оси с) и 0,7 нм (половина повторить расстояние вдоль оси б), был также обнаружен с помощью различных датчиков (см. рисунок 7). Несмотря на схожесть изображений, полученных с различных датчиков, изображение изменения заметны. Существует, безусловно, отсутствие высокого разрешения прекрасно атомного масштаба особенности. Это общая характеристика изображений, полученных в AM и FM-режимов в воздухе и под жидким, где расстояние менее 0,5 нм плохо решена.

Рисунок 7. АСМ изображения полидиацетилена кристаллов, полученных в режиме амплитудной модуляции в воздухе. Этот датчик отличается от той, которая используется в эксперименте, который привел изображения показан на рисунке 6.

Ситуация только чуть лучше для изображений в контактном режиме, где в дополнение к визуализации поверхности слюды, решетки MoS ₂ и графита можно наблюдать. Контакт режиме образы этих слоистых материалов показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 Верхний ряд:. Рельеф изображения трех слоистых кристаллов, полученных в режиме АСМ. Топография контуры вдоль этих изображениях представлены непосредственно под ними, в среднем ряду. Нижний ряд: 3D представления кристаллографической структуры поверхности углеродных, Se, и атомы калия.

Оригинальные изображения довольно шумно, но периодические решетки могут быть расширены с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье, что приводит к идеальной гексагональной шаблонов (встроенных в верхней части изображения). Топография следы вдоль изображения представлены непосредственно под ними; эти следы показывают, что поверхность рифлений увеличится с 40 мкм (графит) до 300 часов (слюды). Таким образом, молекулярного масштаба изображения слюды менее требователен из-за его больших рифлений и межатомных расстояний, как показано в 3D эскизы атомной структуры поверхности кристаллов (рис. 8, нижний ряд).

Выводы

В целом, текущее состояние атомного масштаба изображения в АСМ не является удовлетворительным - есть возможности для дальнейшего совершенствования. Прогресс изображений с высоким разрешением в AM и FM режимах особенно желательно, обе колебательные режимы могут быть применены к гораздо более широкий спектр материалов (в том числе мягких объектов) по сравнению с контактном режиме АСМ. Дальнейший прогресс зависит от инструментальных усовершенствований, таких как лучше сигнал-шумовых характеристик, снижения температурного дрейфа, а также улучшение выявления и контроля между зондом и образцом силы, а также используются острые зонды.

Другой важный вопрос связан с лучше понять природу атомного масштаба разрешение в АСМ, тема, которая обсуждается с первой успешной визуализации атомного и молекулярного масштаба решеток в контактном режиме. Одноместный атомного масштаба дефекты никогда не были записаны практически в контактном режиме. Поэтому такие изображения обеспечивает лишь решетки разрешение - в отличие от истинно атомным разрешением, где обнаружения таких дефектов, как ожидается. Визуализация периодических решеток с дефектами была продемонстрирована в FM и АМ изображения (сначала в сверхвысоком вакууме, а затем в условиях окружающей среды), но результаты компьютерного моделирования показали, что визуализация дефектов не обязательно означает, что окружающие молекулярной порядке, правильно воспроизведен в образах [9, 10]. Эти результаты подчеркивают необходимость всестороннего взаимодействия между экспериментом и теорией в анализе на атомарном уровне данных.

Ссылки

[1] В. Стокер и соавт., Polym. Bull. 1991, 26, 215-222.

[2] ГК McGonigal, RH Бернар, и ди-джей Томсон, Appl. Phys. Lett. 1990, 57, 28.

[3] В. Лян и соавт., Adv. Матер. 1993, 5, 817-821.

[4] С. Магонов и Н. А. Yerina, Ленгмюра 2003, 19, 500-504.

[5] Л. Валовой и соавт., 2009 Науки, 324, 142.

[6] Т. Fukuma и соавт., Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 193108.

[7] Т. Fukuma и соавт., Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 034103.

[8] Д. Клинов и С. Магонов, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 2697.

[9] С. Беликов, С. Магонов, яп. Jour. Appl. Phys. 2006, 45, 2158.

[10] С. Беликов, С. Магонов, Proc. Амер. Управление Soc., Сент-Луис, 2009, 979.

О компании Agilent Technologies

Компания Agilent Technologies инструментов нанотехнологии позволяют изображения, управлять и характеризуют широкий спектр поведений наноразмерных-электрические, химические, биологические, молекулярной и атомной. Наша растущая коллекция нанотехнологии инструменты, аксессуары, программное обеспечение, услуги и расходные материалы могут выявить ключи вы должны понимать, наноразмерных мире.

Компания Agilent Technologies предлагает широкий диапазон высокоточных атомно-силовых микроскопов (АСМ) в соответствии с вашими уникальными потребностями исследования. компании Agilent настраиваемый инструментов позволит Вам расширить возможности системы, как ваши потребности происходят. Agilent в отрасли охраны окружающей среды / температура системы и работы с жидкостями помогает получать превосходные жидкости и мягких материалов изображений. Приложения включают материаловедения, электрохимии, полимерные и жизнь-научных приложений.

Источник: Agilent Technologies

Для получения дополнительной информации на этот источник сайте компании Agilent Technologies