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在高分辨率基本強制顯微學想像的 (AFM)進展

主辦由 Keysight 技術

包括的事宜

簡介
烷的說明
烷層 AFM 想像在石墨的
想像上午和 FM 模式
結論
參考
關於 Keysight 技術

簡介

高分辨率想像是吸引對瀏覽的探測顯微學的研究員』注意的主要功能 (SPM),仍有關於掃描挖洞顯微鏡和基本強制顯微鏡的此功能的 (STM)一定數量的未清問題 (AFM)。 一些相關問題,從烷開始 AFM 想像在石墨分層堆積,將解決在這兒。

烷的說明

正常烷 (化學式: CHn2n+2) 是與 - CH- 組的優先之字形相應一致的線性分子2。 他們的終端 - CH3 組大於他們輕微 - CH-2 組,但是更加移動。 在四周情況,與 n=18 的烷和更高是固定的水晶 (熔化的溫度 CH1838 是與鏈子的 28° C) 關於水晶的大的面孔安置了實際上垂直。 CH 水晶 (CH 組) 的這樣表面的3674 聯繫模式 AFM 圖像被形成3 - 顯示了這些 [第1的] 週期性排列組。

長期知道在石墨表面烷分子在充分地延長的分子沿三個主要石墨方向被安置的平伏的層狀結構被裝配 (參見圖 1)。 此分子順序描繪的是為一定數量的週期: 0.13nm 在相鄰的碳原子之間的間隔, 0.25nm 之間間隔 - 沿2鏈子的 CH- 組在鱗片裡面的之字形相應一致、 0.5nm interchain 距離和薄片狀寬度 - 延長的 CH 分子的長度n2n+2 。 後者從 2.3 毫微米變化 CH 的1838 到 49.5 毫微米 CH 的390782 (被綜合的最長的烷)。

在石墨的圖 1. 顯示正常烷的薄片狀和分子命令草圖。

烷層 AFM 想像在石墨的

在石墨的烷被吸附物首先檢查與 STM [2]。 在這樣實驗,小滴飽和的烷解決方法在石墨表面存款。 一個金屬技巧擊穿此小滴,以及一個分子被吸附物在液體固定的界面,直到它檢測挖洞當前。 在這些情況,這個技巧瀏覽在這個基體的臨近地區的被定購的分子層。 正常烷的 STM 圖像在石墨的 (例如那個在表 2) 再生產了從 [3] 并且存在了明顯地展示分子排布的細致的詳細資料,例如薄片狀邊緣、各自的鏈子在鱗片裡面和烷鏈子的之字形相應一致。

在石墨的圖 2. CH 烷3674 STM 圖像。

在液體固定的界面的 STM 想像,探測由烷飽和的解決方法包圍。 想像的所有不穩定性和使用低挖洞空白阻力將造成對烷命令的機械故障,并且探測也許記錄基礎石墨的圖像。 如果再增加這個空白,烷命令被恢復的歸結於烷分子池。 因為對層的偶爾的故障不能修理,得到 STM 圖像 「烘乾」在石墨的烷層是幾乎不可能的。

乾燥烷層的研究在石墨的可以進行與 AFM,但是鱗片排列的 「STM」解決方法至今未達到。 最初, CH 薄片狀被吸附物60122 在石墨的在調幅模式下被檢查,并且間隔 7.6 毫微米在不同的薄片狀飛機和多層的結構上在產生的圖像 [4] 可能明顯地被看到。 在沒有標準時 「少量毫微米」请排列,這些週期性結構可以為掃描程序的 X- 和 Y軸定標被使用。 雖然以前使用作為方式證明特殊掃描的高分辨率想像功能请探查顯微鏡, 7.6nm 主街上的形象化不再考慮挑戰。 今天,這個能力得到更小的層狀結構 (即,與 4.5nm 間隔的與3674 2.3nm 間隔的 CH, CH 的1838 ) 圖像提供顯微鏡性能和運算符經驗一個更好的測量儀。

CH、 CH 和1838 CH 鱗片的3674典型的 AFM 圖像60122 在石墨的獲得了與 Keysight 基本強制顯微鏡在表 3. 顯示的 5500。 薄片狀邊緣在這些圖像明顯地被解決。 這個對比的始發地是在這個薄片狀核心的有效僵硬 (- CH- 順序)2 和其邊緣之間的區別 (- CH3 和附近 - CH-2 組)。 CH 鱗片的複雜模式3674 在 「350 毫微米」圖像看見的由這個基體的穀物以及鏈命令的特異在鱗片裡面的造成。 在一些範例準備,相鄰的鏈子被轉移更好適應龐大 - CH3 末端組,導致關於薄片狀邊緣的鏈子』掀動。 所以,各自的薄片狀寬度小於烷鏈子的長度也許。

在調幅模式下得到的石墨的圖 3. 正常烷 AFM 圖像。

記住正常烷的 STM 圖像在石墨的,推測是相當有趣的至於是否這樣解決方法可以通過 AFM 達到,在聯絡或振動 (調幅,調頻) 模式。 有一定的進展對此,如展示由三不同烷 (CH、 CH1838 和 CH242486) 的 AFM 圖像390782在聯繫模式下得到的石墨 (參見圖 4 和 5)。 間隔,與鱗片和單個鏈子有關,是可辯別的在 CH 鱗片 (圖1838 4) 的圖像。 沿嚴密地被包裝的烷鏈子的 Z形圖案在 ultralong 烷的圖像, CH (390782 圖 4) 被看到。 幾個輕微扭轉的鱗片在 CH (圖 5) 的242486 圖像被檢測了。 在 「100 毫微米」圖像,缺少鏈子造成的一定數量的線性缺陷或他們的零件是可區分的。 各自的烷鏈子,是延長的在鱗片的邊緣之間,也是可視的在 「55 毫微米」圖像。

在聯繫模式下得到的石墨的1838 圖 4.390782 CH 和 CH 鱗片 AFM 圖像。

在聯繫模式下得到的石墨的242486 圖 5. CH 鱗片 AFM 圖像。

必須收集包含一定數量的像素從 1k 的一個高密度圖像到 4k 為了觀察長的烷薄片狀邊緣和各自的鏈子在同一個圖像內的。 這樣想像花費時間并且要求有低熱量偏差的一臺儀器。 分子空間的被展示的形象化下來對 0.25 毫微米在聯繫模式下提供希望相似的觀察在振動調幅和振動 (AM)調頻模式可以 (FM)達到,當適用在四周情況或在液體下。 與 0.25nm pentacene 分子結構的解決方法的形象化在 FM 實驗已經達到在 UHV 和在低溫 [5]。

想像上午和 FM 模式

幾年,在 AFM 的進展在某個部分與 FM 模式的發展和應用有關。 此技術,在 UHV 原來地被使用作為對上午模式的替代技巧範例強制交往和掃描的檢測的,為高分辨率想像也現在使用在航空和在液體下。 雲母、自集合鏈烷硫趕和 polydiacetylene (PDA) 水晶的高分辨率圖像記錄了在 FM 模式下使用 「自創」設置 [6, 7]。 這些週期性結構描繪的是為空間非常地比 0.5 毫微米。 有時,分子縮放比例各自的缺陷被觀察了。 報告了使用上午模式 [8 的] 相似的發現。 幾個高分辨率圖像得到了與 Keysight 基本強制顯微鏡在表顯示 6-8 的 5500 的上午模式。

使用在航空的上午模式,一定數量的分子解決方法圖像得到了 PDA 水晶的表面。 在水晶被劈開後,其最大的基本平穩的表面 (以少量線性缺陷) 最適用於分子縮放比例想像 (參見圖 6,右上)。 在更高的放大,仿造 BC 飛機的水晶結構的這個週期性模式可以得到 (圖 6,右上和底層)。

圖 6.在航空的調幅模式下獲得的 polydiacetylene 水晶的 AFM 圖像。 一個紅色長方形指示在此水晶 BC 飛機上的晶體格子。

此格子,與 0.5 毫微米 (沿 c 軸的重複距離) 和 0.7 毫微米 (重複距離的一半正交間隔沿 b 軸的),也被檢測了使用不同的探測 (參見圖 7)。 儘管圖像模式的相似性得到用不同的探測,圖像差異是顯而易見的。 確實有缺乏細致的基本縮放比例功能的高分辨率。 這是圖像得到的上午和 FM 模式的一個公用特性在航空和在液體下,空間少於 0.5 毫微米惡劣解決。

圖 7.在航空的調幅模式下獲得的 polydiacetylene 水晶的 AFM 圖像。 此探測是與用於產生在圖顯示的圖像 6. 上的實驗的那個不同。

這種情形為圖像是少許好在聯繫模式下,除雲母表面形象化之外, MoS 格子2 和石墨可以被觀察。 這些層狀材料的聯繫模式圖像在表 8. 顯示。

圖 8。 頂部行: 地勢圖像的三分層了堆積在聯絡 AFM 模式下獲得的水晶。 沿這些圖像的地勢等高直接地在他們下存在,在中間行。 底部行: 3D 碳、 Se 和鉀原子晶體表面結構的表示。

原始圖像是相當喧鬧的,但是那導致完善六角模式的週期性格子可以通過 FFT 程序被提高 (埋置在圖像的頂部部分)。 沿圖像的地勢跟蹤直接地在他們下存在; 這些跟蹤向顯示表面槽紋從下午40點 (石墨) 增加到下午300點 (雲母)。 所以,雲母分子縮放比例想像是需求由於其更大的槽紋和原子間的分隔,如 3D 水晶 (圖 8,底部行) 的基本表面結構的草圖所示。

結論

總之,基本縮放比例想像的當前狀態在 AFM 的不是令人滿意的 - 有進一步改善的空間。 高分辨率想像上午進展和 FM 模式是特別理想的; 兩個振動模式可以被運用於材料的一個更加清楚的範圍 (包括軟的對象) 與聯繫模式 AFM 比較。 將來的進展依靠有助改善例如更好的信號噪音比的特性、更低的熱量偏差和技巧範例強制被改進的檢測和控制,以及使用鋒利的探測。

另一關鍵問題與獲取對基本縮放比例解決方法,在討論中從基本和分子縮放比例格子第一成功的形象化在聯繫模式下的事宜的本質的更好的瞭解有關在 AFM 的。 唯一基本縮放比例缺陷在聯繫模式下實際上從未被記錄。 所以,這樣想像提供仅格子解決方法 - 與檢測的這樣缺陷預計的真的基本解決方法對比。 週期性格子想像以缺陷在 FM 和上午圖像被展示了 (首先在 UHV 和以後在四周情況),但是計算機模擬的結果表示缺陷的形象化不一定意味著周圍的分子命令在圖像 [9, 10] 正確地被再生產。 這些發現強調對全面互相作用的需要在實驗和原理之間在對基本縮放比例數據的分析。

參考

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

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

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

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

[5] L. 總共獲利等,科學 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。 阿梅爾。 控制 Soc.,聖路易斯, 2009年, 979。

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