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在高分辨率基本强制显微学想象的 (AFM)进展

主办由 Keysight 技术

包括的事宜

简介
烷的说明
烷层 AFM 想象在石墨的
想象上午和 FM 模式
结论
参考
关于 Keysight 技术

简介

高分辨率想象是吸引对浏览的探测显微学的研究员’注意的主要功能 (SPM),仍有关于扫描挖洞显微镜和基本强制显微镜的此功能的 (STM)一定数量的未清问题 (AFM)。 一些相关问题,从烷开始 AFM 想象在石墨分层堆积,将解决在这儿。

烷的说明

正常烷 (化学式: CHn2n+2) 是与 - CH- 组的优先之字形相应一致的线性分子2。 他们的终端 - CH3 组大于他们轻微 - CH-2 组,但是更加移动。 在四周情况,与 n=18 的烷和更高是固定的水晶 (熔化的温度 CH1838 是与链子的 28° C) 关于水晶的大的面孔安置了实际上垂直。 CH 水晶 (CH 组) 的这样表面的3674 联系模式 AFM 图象被形成3 - 显示了这些 [第1的] 周期性排列组。

长期知道在石墨表面烷分子在充分地延长的分子沿三个主要石墨方向被安置的平伏的层状结构被装配 (参见图 1)。 此分子顺序描绘的是为一定数量的周期: 0.13nm 在相邻的碳原子之间的间隔, 0.25nm 之间间隔 - 沿2链子的 CH- 组在鳞片里面的之字形相应一致、 0.5nm interchain 距离和薄片状宽度 - 延长的 CH 分子的长度n2n+2 。 后者从 2.3 毫微米变化 CH 的1838 到 49.5 毫微米 CH 的390782 (被综合的最长的烷)。

在石墨的图 1. 显示正常烷的薄片状和分子命令草图。

烷层 AFM 想象在石墨的

在石墨的烷被吸附物首先检查与 STM [2]。 在这样实验,小滴饱和的烷解决方法在石墨表面存款。 一个金属技巧击穿此小滴,以及一个分子被吸附物在液体固定的界面,直到它检测挖洞当前。 在这些情况,这个技巧浏览在这个基体的临近地区的被定购的分子层。 正常烷的 STM 图象在石墨的 (例如那个在表 2) 再生产了从 [3] 并且存在了明显地展示分子排布的细致的详细资料,例如薄片状边缘、各自的链子在鳞片里面和烷链子的之字形相应一致。

在石墨的图 2. CH 烷3674 STM 图象。

在液体固定的界面的 STM 想象,探测由烷饱和的解决方法包围。 想象的所有不稳定性和使用低挖洞空白阻力将造成对烷命令的机械故障,并且探测也许记录基础石墨的图象。 如果再增加这个空白,烷命令被恢复的归结于烷分子池。 因为对层的偶尔的故障不能修理,得到 STM 图象 “烘干”在石墨的烷层是几乎不可能的。

干燥烷层的研究在石墨的可以进行与 AFM,但是鳞片排列的 “STM”解决方法至今未达到。 最初, CH 薄片状被吸附物60122 在石墨的在调幅模式下被检查,并且间隔 7.6 毫微米在不同的薄片状飞机和多层的结构上在产生的图象 [4] 可能明显地被看到。 在没有标准时 “少量毫微米”请排列,这些周期性结构可以为扫描程序的 X- 和 Y轴定标被使用。 虽然以前使用作为方式证明特殊扫描的高分辨率想象功能请探查显微镜, 7.6nm 主街上的形象化不再考虑挑战。 今天,这个能力得到更小的层状结构 (即,与 4.5nm 间隔的与3674 2.3nm 间隔的 CH, CH 的1838 ) 图象提供显微镜性能和运算符经验一个更好的测量仪。

CH、 CH 和1838 CH 鳞片的3674典型的 AFM 图象60122 在石墨的获得了与 Keysight 基本强制显微镜在表 3. 显示的 5500。 薄片状边缘在这些图象明显地被解决。 这个对比的始发地是在这个薄片状核心的有效僵硬 (- CH- 顺序)2 和其边缘之间的区别 (- CH3 和附近 - CH-2 组)。 CH 鳞片的复杂模式3674 在 “350 毫微米”图象看见的由这个基体的谷物以及链命令的特异在鳞片里面的造成。 在一些范例准备,相邻的链子被转移更好适应庞大 - CH3 末端组,导致关于薄片状边缘的链子’掀动。 所以,各自的薄片状宽度小于烷链子的长度也许。

在调幅模式下得到的石墨的图 3. 正常烷 AFM 图象。

记住正常烷的 STM 图象在石墨的,推测是相当有趣的至于是否这样解决方法可以通过 AFM 达到,在联络或振动 (调幅,调频) 模式。 有一定的进展对此,如展示由三不同烷 (CH、 CH1838 和 CH242486) 的 AFM 图象390782在联系模式下得到的石墨 (参见图 4 和 5)。 间隔,与鳞片和单个链子有关,是可辩别的在 CH 鳞片 (图1838 4) 的图象。 沿严密地被包装的烷链子的 Z形图案在 ultralong 烷的图象, CH (390782 图 4) 被看到。 几个轻微扭转的鳞片在 CH (图 5) 的242486 图象被检测了。 在 “100 毫微米”图象,缺少链子造成的一定数量的线性缺陷或他们的零件是可区分的。 各自的烷链子,是延长的在鳞片的边缘之间,也是可视的在 “55 毫微米”图象。

在联系模式下得到的石墨的1838 图 4.390782 CH 和 CH 鳞片 AFM 图象。

在联系模式下得到的石墨的242486 图 5. CH 鳞片 AFM 图象。

必须收集包含一定数量的象素从 1k 的一个高密度图象到 4k 为了观察长的烷薄片状边缘和各自的链子在同一个图象内的。 这样想象花费时间并且要求有低热量偏差的一台仪器。 分子空间的被展示的形象化下来对 0.25 毫微米在联系模式下提供希望相似的观察在振动调幅和振动 (AM)调频模式可以 (FM)达到,当适用在四周情况或在液体下。 与 0.25nm pentacene 分子结构的解决方法的形象化在 FM 实验已经达到在 UHV 和在低温 [5]。

想象上午和 FM 模式

几年,在 AFM 的进展在某个部分与 FM 模式的发展和应用有关。 此技术,在 UHV 原来地被使用作为对上午模式的替代技巧范例强制交往和扫描的检测的,为高分辨率想象也现在使用在航空和在液体下。 云母、自集合链烷硫赶和 polydiacetylene (PDA) 水晶的高分辨率图象记录了在 FM 模式下使用 “自创”设置 [6, 7]。 这些周期性结构描绘的是为空间非常地比 0.5 毫微米。 有时,分子缩放比例各自的缺陷被观察了。 报告了使用上午模式 [8 的] 相似的发现。 几个高分辨率图象得到了与 Keysight 基本强制显微镜在表显示 6-8 的 5500 的上午模式。

使用在航空的上午模式,一定数量的分子解决方法图象得到了 PDA 水晶的表面。 在水晶被劈开后,其最大的基本平稳的表面 (以少量线性缺陷) 最适用于分子缩放比例想象 (参见图 6,右上)。 在更高的放大,仿造 BC 飞机的水晶结构的这个周期性模式可以得到 (图 6,右上和底层)。

图 6.在航空的调幅模式下获得的 polydiacetylene 水晶的 AFM 图象。 一个红色长方形指示在此水晶 BC 飞机上的晶体格子。

此格子,与 0.5 毫微米 (沿 c 轴的重复距离) 和 0.7 毫微米 (重复距离的一半正交间隔沿 b 轴的),也被检测了使用不同的探测 (参见图 7)。 尽管图象模式的相似性得到用不同的探测,图象差异是显而易见的。 确实有缺乏细致的基本缩放比例功能的高分辨率。 这是图象得到的上午和 FM 模式的一个公用特性在航空和在液体下,空间少于 0.5 毫微米恶劣解决。

图 7.在航空的调幅模式下获得的 polydiacetylene 水晶的 AFM 图象。 此探测是与用于产生在图显示的图象 6. 上的实验的那个不同。

这种情形为图象是少许好在联系模式下,除云母表面形象化之外, MoS 格子2 和石墨可以被观察。 这些层状材料的联系模式图象在表 8. 显示。

图 8。 顶部行: 地势图象的三分层了堆积在联络 AFM 模式下获得的水晶。 沿这些图象的地势等高直接地在他们下存在,在中间行。 底部行: 3D 碳、 Se 和钾原子晶体表面结构的表示。

原始图象是相当喧闹的,但是那导致完善六角模式的周期性格子可以通过 FFT 程序被提高 (埋置在图象的顶部部分)。 沿图象的地势跟踪直接地在他们下存在; 这些跟踪向显示表面槽纹从下午40点 (石墨) 增加到下午300点 (云母)。 所以,云母分子缩放比例想象是需求由于其更大的槽纹和原子间的分隔,如 3D 水晶 (图 8,底部行) 的基本表面结构的草图所示。

结论

总之,基本缩放比例想象的当前状态在 AFM 的不是令人满意的 - 有进一步改善的空间。 高分辨率想象上午进展和 FM 模式是特别理想的; 两个振动模式可以被运用于材料的一个更加清楚的范围 (包括软的对象) 与联系模式 AFM 比较。 将来的进展依靠有助改善例如更好的信号噪音比的特性、更低的热量偏差和技巧范例强制被改进的检测和控制,以及使用锋利的探测。

另一关键问题与获取对基本缩放比例解决方法,在讨论中从基本和分子缩放比例格子第一成功的形象化在联系模式下的事宜的本质的更好的了解有关在 AFM 的。 唯一基本缩放比例缺陷在联系模式下实际上从未被记录。 所以,这样想象提供仅格子解决方法 - 与检测的这样缺陷预计的真的基本解决方法对比。 周期性格子想象以缺陷在 FM 和上午图象被展示了 (首先在 UHV 和以后在四周情况),但是计算机模拟的结果表示缺陷的形象化不一定意味着周围的分子命令在图象 [9, 10] 正确地被再生产。 这些发现强调对全面互相作用的需要在实验和原理之间在对基本缩放比例数据的分析。

参考

[1] W. 小公牛等, Polym。 粗壮如牛的人 1991年, 26, 215-222。

[2] G.C. McGonigal, R.H. Bernhardt 和 D.J. 汤姆生, Appl。 Phys。 Lett。 1990年, 57, 28。

[3] W. 梁等,副词。 Mater。 1993年, 5, 817-821。

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

[5] L. 总共获利等,科学 2009年, 324, 142。

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

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

[8] D. Klinov 和 S. Magonov, Appl。 Phys。 Lett。 2004年, 84, 2697。

[9] S. Belikov 和 S. Magonov, Jap。 Jour。 Appl. Phys。 2006年, 45, 2158。

[10] S. Belikov 和 S. Magonov, Proc。 阿梅尔。 控制 Soc.,圣路易斯, 2009年, 979。

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