Progreso sa High-Resolution atomic Force mikroskopya (AFM) Imaging

Paksa sakop

Panimula

High-resolution imaging ay ang pangunahing tampok na umaakit ng mga mananaliksik ng pansin sa pag-scan ng probe mikroskopya (SPM), pa doon ay pa rin ng isang bilang ng mga natitirang mga katanungan tungkol sa ang function na ito ng pag-scan ng mga tunneling microscopes (STM) at atomic lakas microscopes (AFM). Ang ilang mga kaugnay na isyu, na nagsisimula sa AFM imaging ng layer sa grapayt ng alkane, ay direksiyon dito.

Paglalarawan ng Alkanes

Normal alkanes (chemical formula: C _n H _{2n +2)} ay linear molecule na may isang katig na tulad paliku-liko _ng-CH 2 - group. Ang kanilang _terminal-CH 3 group ay bahagyang mas malaki kaysa sa _- CH 2 - group, ngunit mas mobile. Sa paligid na mga kondisyon, alkanes sa n = 18 at mas mataas ay matatag na kristal (ang pagtunaw ng temperatura _ng C ₁₈ H 38 ay 28 ° C) na may chains oriented halos vertical sa paggalang sa sa mas malaking mga mukha ng ang kristal. Makipag-ugnay sa mode AFM mga imahe ng tulad ng isang ibabaw ng isang C ₃₆ kristal H ₇₄ (na kung saan ay binuo ng CH ₃ group) ay ipinahayag na ang paulit-ulit na pag-aayos ng mga grupo [1 ].

Mahaba Ito ay kilala na sa ibabaw ng grapayt ang mga alkane molecule ay binuo sa mga flat-namamalagi lamellar kaayusan kung saan ang ganap na pinalawig molecule ay oriented kasama ang tatlong pangunahing mga direksyon grapayt (tingnan ang Larawan 1). Ito molecular order ay characterized sa pamamagitan ng isang bilang ng mga periodicities: 0.13nm spacing sa pagitan ng mga kalapit atoms ng carbon, _0.25nm spacing sa pagitan ng-CH 2 - group kasama ang chain sa paliku-liko ang tulad, 0.5nm magpanday-panday na layo sa loob ng ang lamellae, at ang lapad ng lamellar - haba ng pinalawig C _n H Molekyul _{2n +2.} Huli Ang ay nag-iiba-iba mula _sa 2.3 _nm para sa C 18 H _{38-49.5 nm} para sa C 390 H 782 ( ang pinakamahabang alkane synthesized).

Figure 1. Krokis na nagpapakita ng lamellar at molekular pagkakasunod-sunod ng normal alkane sa grapayt.

AFM Imaging ng Alkane Layer sa grapayt

Alkane adsorbates sa grapayt ay unang napagmasdan sa STM [2]. Sa ganoong mga eksperimento, ang isang maliit na patak ng puspos alkane solusyon ay deposited sa isang grapayt ibabaw. Ang isang metal tip penetrates ito maliit na patak, pati na rin bilang isang molecular adsorbate sa likido-solid interface, hanggang nakita nito ang isang tunneling kasalukuyang. Sa mga kondisyon na ito, tip sa pag-scan sa paglipas ng iniutos ng molecular layer sa agarang paligid ng substrate. STM ng mga imahe ng mga normal alkanes sa grapayt (tulad ng isa na kopyahin mula sa [3] at ipinakita sa Figure 2) ay malinaw na nagpapakita ng mga ang pinong detalye ng molecular arrangement, tulad ng mga lamellar gilid, ang mga indibidwal na mga chains sa loob ng lamellae, at ang mga paliku-liko tulad ng alkane chains.

Figure 2. STM imahe ng C ₃₆ H ₇₄ alkanes sa grapayt.

Sa STM imaging sa likido-solid interface, ang probe ay napapalibutan ng alkane-lunod solusyon. Anumang karupukan ng imaging at ang paggamit ng mababang tunneling agwat sa paglaban ay sanhi ng makina pinsala sa alkane ang pagkakasunod-sunod, at probe ay maaaring-record ng isang imahe ng batayan grapayt. Kung ang agwat ay nadagdagan muli, ang alkane order ay ibalik dahil sa isang pool ng mga alkane molecule. Ito ay halos imposible upang makakuha ng mga imahe ng STM ng "tuyo" layer alkane sa grapayt dahil ang paminsan-minsang pag-pinsala sa ang layer ay di-maaaring kumpunihin.

Mga Pag-aaral ng mga tuyo layer alkane sa grapayt ay maaaring maisagawa sa AFM, ngunit kaya ngayon ang "STM" na resolution ng lamellae ang pag-aayos ay hindi pa nakakamit. Una, lamellar adsorbates ng C ₆₀ H ₁₂₂ sa grapayt ay napagmasdan sa malawak modulasyon mode at spacing ng 7.6 nm sa ibang lamellar eroplano at multilayered kaayusan ay malinaw na nakikita sa nanggagaling imahe [4] . Sa kawalan ng mga pamantayan para sa hanay ng "ilang nanometers", ang mga paulit-ulit na mga kaayusan ay maaaring trabaho para sa X-at Y-axis pagkakalibrate ng scanners. Kahit na dating ginagamit bilang isang paraan upang patunayan ang mataas na resolution imaging mga kakayahan ng isang partikular na pag-scan probe mikroskopyo, visualization ng 7.6nm strips ay hindi na itinuturing na hamon. Ngayon, ang kakayahan upang makakuha ng mga imahe ng mga mas maliit na lamellar na kaayusan _(eg, C 36 H 74 sa _{4.5nm spacing,} C 18 H 38 sa 2.3nm spacing) ay nagbibigay ng isang mas mahusay na sukatan ng pagganap ng mikroskopyo at karanasan ng operator.

Ang karaniwang mga imahe ng _AFM ng _C 18 H _{38, C} 36 H _74, at _C 60 H 122 lamellae sa grapayt na natamo ng isang Agilent 5500 atomic lakas mikroskopyo ay ipinapakita sa Figure 3. Ang mga lamellar gilid ay malinaw na nalutas sa mga imaheng ito. Ang pinagmulan ng kaibahan ay ang pagkakaiba sa pagitan ng epektibong higpit ng lamellar core (-CH ₂ - sequences) at ang mga gilid (-CH ₃ at malapit-CH ₂ - group). Ang kumplikadong pattern ng C ₃₆ H ₇₄ lamellae nakikita sa ang "350 nm" na imahe ay sanhi ng ng mga haspe ng substrate na ang pati na rin ang peculiarities ng ang pagkakasunod-sunod ng chain sa loob ng lamellae. Sa ilang sample ng mga paghahanda, ang mga kalapit chains ay shifted sa mas mahusay _na mapaunlakan ang malaki-CH 3 group ng pagtatapos, na humahantong sa 'ikiling ang chains sa paggalang sa lamellar gilid. Samakatuwid, ang mga indibidwal na mga lamellar lapad ay maaaring maging mas maliit kaysa sa ang haba ng alkane chains.

Figure 3. AFM na mga imahe ng mga normal alkanes sa grapayt nakuha sa malawak modulasyon mode.

Pagpapanatiling sa isip ang mga imahe ng STM ng normal alkanes sa grapayt, sa halip na interesante sa isip-isip ng kung tulad resolution ay nakamit sa pamamagitan ng AFM, alinman sa makipag-ugnay sa o oscillatory (malawak modulasyon, dalas modulasyon) mode. Nagkaroon ng tiyak na progreso sa paggalang, tulad ng ipinapakita sa pamamagitan ng mga imahe ng AFM ng tatlong _magkakaibang alkanes _(C 18 _{H 38,} C 242 H _{486, at} C 390 H 782) sa grapayt na nakuha sa makipag-ugnay sa mode (tingnan ang mga numero 4 at 5). Ang espasyo, na kung saan ay may kaugnayan sa lamellae at ang mga indibidwal na mga chains, ay discernable sa imahe _ng C 18 _lamellae H 38 (Figure 4 ). Ang paliku-liko pattern kasama ang malapit nakaimpake alkane chains ay nakikita sa imahe ng ultralong alkane, C ₃₉₀ H ₇₈₂ (Figure 4). Ilang bahagyang baluktot lamellae ay nakita sa mga larawan ng C ₂₄₂ H ₄₈₆ (Figure 5). Sa ang "100 nm" na imahe, ang isang bilang ng mga linear na depekto na sanhi ng nawawalang chains o sa kanilang mga bahagi ay maaaring maliwanagan. Indibidwal alkane chains, na kung saan ay pinalawak na sa pagitan ng ang mga dulo ng lamellae, ay makikita rin sa "55 nm" imahe.

Figure 4. AFM mga imahe ng _C 18 _H 38 at _C 390 _H 782 lamellae sa grapayt nakuha sa mode ng contact.

Figure 5. AFM imahe ng C ₂₄₂ H ₄₈₆ lamellae sa grapayt na nakuha sa makipag-ugnay sa mode .

Ang isang mataas na-density na imahe na naglalaman ng isang bilang ng mga pixels mula sa 1K sa 4k ay dapat na nakolekta upang obserbahan ang lamellar gilid at mga indibidwal na mga chains ng mahaba alkanes sa loob ng parehong imahe. Ganitong imaging ay tumatagal ng oras at nangangailangan ng isang instrumento na may mababang thermal naaanod na. Ang ipinapakita na visualization ng molecular spacing down sa 0.25 nm sa mga nag-aalok ng mode ng contact umaasa na ang mga katulad na mga obserbasyon ay maaaring nakakamit sa oscillatory malawak modulasyon (AM) at oscillatory dalas modulasyon (FM) mode kapag inilapat sa paligid na mga kondisyon o sa ilalim ng likido. Visualization na may 0.25nm resolution ng molekular istraktura ng pentacene ay nai-nakakamit sa FM na mga eksperimento sa UHV at sa mga mababa ang temperatura [5].

Imaging sa AM at FM mode

Para sa isang bilang ng mga taon, pag-unlad sa AFM ay sa ilang mga bahagi na may kaugnayan sa developments at mga aplikasyon ng FM mode. Itong pamamaraan, na kung saan ito ay orihinal na trabaho sa UHV bilang isang kahalili sa AM mode para sa detection ng mga tip-sample pakikipag-ugnayan ng puwersa at pag-scan, ay ngayon ginagamit din para sa mataas na resolution imaging sa hangin at sa ilalim ng likido. High-resolution na imahe ng mika, sa sarili assemblies ng alkanethiols, at polydiacetylene (PDA) na mga kristal ay maitatala sa FM mode gamit ang "lutongbahay" setup [6, 7]. Mga paulit-ulit kaayusan na ito ay characterized sa pamamagitan ng spacing mas kaysa sa 0.5 nm. Sa ilang mga kaso, ang mga indibidwal na depekto na-scale sa molecular ay sinusunod. Katulad na mga natuklasan ay iniulat paggamit ng AM mode [8]. Maraming mga high-resolution na imahe na nakuha sa AM mode sa isang Agilent 5500 atomic lakas mikroskopyo ay ipinapakita sa mga numero 6-8.

Paggamit AM mode sa hangin, ng isang bilang ng mga molecular-resolution na imahe ay nakuha ng ibabaw ng isang PDA na kristal. Pagkatapos ng kristal ay cleaved, nito pinakamalaking atomically makinis mukha (sa ilang mga linear na depekto) ay ang pinaka-angkop para sa molecular-scale imaging (tingnan ang Figure 6, itaas sa kanan). Sa mas mataas na parangal, ang paulit-ulit na pattern ng paggaya sa ang mala-kristal na istraktura ng BC-eroplano ay maaaring makuha (Figure 6, kanang tuktok at ibaba).

Figure 6. AFM mga imahe ng isang polydiacetylene kristal na nakuha sa malawak modulasyon mode sa hangin. Ang isang pulang parihaba ay nagpapahiwatig ng crystallographic sala-sala sa ang BC-eroplano ng kristal na ito.

Sala-sala na ito, na may orthogonal spacing ng 0.5 nm (ang layo ng ulitin kasama ang c-axis) at 0.7 nm (kalahati ng distansya ng ulitin kasama ang b-axis), ay din nakita gamit ang iba't ibang mga probes (tingnan ang Figure 7). Sa kabila ng pagkakapareho ng mga ang mga pattern ng imahe na nakuha sa iba't ibang mga probes, ang imahen na mga pagkakaiba-iba ay kapansin-pansin. May tiyak na isang kakulangan ng mataas na resolution ng mga tampok sa pinong atomic-scale. Ito ay isang pangkaraniwang katangian ng mga imahe na nakuha sa AM at FM na mga mode sa hangin at sa ilalim ng likido, na kung saan ang spacing mas mababa kaysa sa 0.5 nm ay mahina malutas.

Figure 7. AFM mga imahe ng isang polydiacetylene kristal na nakuha sa malawak modulasyon mode sa hangin. Probe na ito ay naiiba mula sa isa na ginagamit sa eksperimento na yielded ang mga imahe na ipinapakita sa Figure 6.

Ang kalagayan ay lamang bahagyang mas mahusay para sa mga imahe sa mode ng contact, kung saan sa karagdagan sa visualization ng isang ibabaw ng mika, _ang mga lattices ng buwan 2 at grapayt sinusunod. Makipag-ugnay sa mode na imahe ng mga layered materyales ay ipinapakita sa Figure 8.

Figure 8 Top hilera:. Topographiya ang mga imahe ng tatlong layered ba ay kristal na nakuha sa makipag-ugnay sa AFM mode. Contours ng topographiya kasama ang mga imaheng ito ay iniharap direkta sa ibaba ng mga ito, sa gitna hilera. Ika-hilera: 3D na representasyon ng crystallographic ibabaw ng istraktura ng carbon, Se, at potasa mga atoms.

Ang orihinal na imahe ay masyadong maingay, ngunit ang mga pahayagan lattices ay maaaring pinahusay na sa pamamagitan ng isang pamamaraan ng FFT na leads sa perpektong heksagunal pattern (na naka-embed sa tuktok na bahagi ng mga imahe). Bakas ng topographiya kasama ang mga imahe ay itinanghal direkta sa ibaba ng mga ito, ang mga bakas na ito ipakita na ang corrugations ibabaw dagdagan mula 40 pm (grapayt) sa 300 pm (mika). Samakatuwid, ang molecular-scale imaging ng mika ay mas mababa hinihingi dahil sa nito ng mas malaki corrugations at interatomic separations, na itinatanghal sa 3D sketches ng atomic istraktura ibabaw ng kristal (Figure 8, hilera sa ibaba).

Konklusyon

Sa buod, ang kasalukuyang katayuan ng atomic-scale na imaging sa AFM ay hindi kasiya-siya - may kuwarto para sa karagdagang pagpapabuti. Ang pag-unlad ng mataas na resolution imaging sa AM at FM mode ay partikular na kanais-nais; parehong oscillatory mode maaaring ilapat sa isang magkano ang mas malawak na hanay ng mga materyales (kasama ang mga malambot na bagay) kumpara sa makipag-ugnay sa mode AFM. Hinaharap progreso ay nakasalalay sa nakatulong pagpapabuti tulad ng mga mas mahusay na signal-to-ingay katangian, mas mababa thermal takbo, at pinahusay na detection at kontrol ng mga tip-sample na mga pwersa, pati na rin ang paggamit ng mga matalim probes.