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Los principios y aplicaciones de la microscopía de fuerza atómica

Microscopio de fuerza atómica: Es una nueva tecnología experimental que utiliza la interacción entre átomos y moléculas para observar la morfología microscópica de la superficie de un objeto. Dispone de una sonda a nanoescala fijada en una superficie sensiblemente controlable de una micra. Voladizo elástico a escala Cuando la sonda está muy cerca de la muestra, la fuerza entre los átomos en la parte superior y los átomos en la superficie de la muestra hará que el voladizo se doble y se desvíe de su posición original. dependiendo de la cantidad de desviación o la frecuencia de vibración de la sonda al escanear la imagen, puede obtener indirectamente la morfología o composición atómica de la superficie de la muestra.

Detalles

Figura 1. Esquema. diagrama del funcionamiento de la sonda del microscopio de fuerza atómica con detección láser

Microscopio de fuerza atómica El principio básico es: un micro voladizo que es extremadamente sensible a la fuerza débil se fija en un extremo y hay una punta pequeña en el otro extremo, la punta entra ligeramente en contacto con la superficie de la muestra. Debido a la fuerza repulsiva extremadamente débil entre los átomos de la punta y los átomos en la superficie de la muestra, el micro-voladizo. con la punta ondulará en la dirección perpendicular a la superficie de la muestra correspondiente a la superficie isotrópica de la fuerza entre la punta y los átomos en la superficie de la muestra. Utilizando la detección óptica o la detección de corriente de túnel, se pueden medir los cambios de posición del microvoladizo correspondientes a cada punto de escaneo, de modo que se pueda obtener información sobre la morfología de la superficie de la muestra. A continuación, tomamos el microscopio de fuerza atómica que emplea la desviación del haz láser para la detección de fuerza (Laser-AFM), el tipo más comúnmente utilizado en la familia de microscopios de sonda de barrido, como ejemplo para explicar su principio de funcionamiento en detalle. Como se muestra en la Figura 1, el rayo láser emitido por el láser de diodo (Diodo Láser) se enfoca en la parte posterior del micro voladizo (Cantilever) a través del sistema óptico y se refleja desde la parte posterior del micro voladizo hasta el punto. Detector de posición (Detector) compuesto por un fotodiodo. Cuando se escanea la muestra, debido a la interacción entre los átomos en la superficie de la muestra y los átomos en la punta de la sonda en micro voladizo, el micro voladizo se doblará y fluctuará con la topografía de la superficie de la muestra y el haz reflejado. también se desviará en consecuencia. Por lo tanto, a través del fotodiodo. Al detectar cambios en la posición del punto, se puede obtener información sobre la morfología de la superficie de la muestra que se está analizando. Microscopio de subfuerza - diagrama principal

Durante todo el proceso de detección e imagen del sistema, la distancia entre la sonda y la muestra a medir siempre se mantiene en el orden de nanómetros (10e-9 metros). Si la distancia es demasiado grande, la muestra no se puede obtener información sobre la superficie. Si la distancia es demasiado pequeña, dañará la sonda y la muestra que se está midiendo. La función del bucle de retroalimentación (Feedback) es obtener la intensidad de. la interacción sonda-muestra de la sonda durante el proceso de trabajo para cambiar la presión vertical aplicada al voltaje direccional del escáner de muestra, causando así que la muestra se expanda y contraiga, ajustando la distancia entre la sonda y la muestra que se está midiendo, y a su vez. controlar la intensidad de la interacción sonda-muestra para lograr el control de retroalimentación. Por lo tanto, el control de retroalimentación es el mecanismo de trabajo central de este sistema. Este sistema utiliza un bucle de control de retroalimentación digital. El usuario puede controlar las características del bucle de retroalimentación configurando varios parámetros como la corriente de referencia, la ganancia integral y la ganancia proporcional en la barra de herramientas de parámetros del software de control.

Editar este párrafo Ventajas y desventajas

Ventajas

Imágenes observadas mediante microscopio de fuerza atómica

En comparación con el microscopio electrónico de barrido, el microscopio de fuerza atómica Tiene muchas ventajas. A diferencia de los microscopios electrónicos, que sólo pueden proporcionar imágenes bidimensionales, el AFM proporciona verdaderas imágenes de superficies tridimensionales. Al mismo tiempo, AFM no requiere ningún tratamiento especial de la muestra, como revestimiento de cobre o carbono, que causará daños irreversibles a la muestra. En tercer lugar, los microscopios electrónicos deben funcionar en condiciones de alto vacío, mientras que los microscopios de fuerza atómica pueden funcionar bien bajo presión normal e incluso en entornos líquidos. Esto se puede utilizar para estudiar macromoléculas biológicas e incluso tejidos biológicos vivos.

Desventajas

En comparación con el microscopio electrónico de barrido (SEM), las desventajas del AFM son que el rango de imagen es demasiado pequeño, la velocidad es lenta y se ve muy afectado por la sonda. .

El microscopio de fuerza atómica es un nuevo instrumento con alta resolución a nivel atómico inventado después del microscopio de efecto túnel. Puede estudiar las propiedades físicas de diversos materiales y muestras en el rango nanométrico en entornos atmosféricos y líquidos, incluida la detección morfológica o nano-. manipulación; se ha utilizado ampliamente en los campos de semiconductores, materiales nanofuncionales, biología, industria química, alimentos, investigación médica y diversas disciplinas relacionadas con la nanociencia en institutos de investigación científica, y se ha convertido en herramientas esenciales para la investigación de la nanociencia. En comparación con el microscopio de efecto túnel, el microscopio de fuerza atómica tiene una aplicabilidad más amplia porque puede observar muestras no conductoras. El Microscopio de Fuerza de Barrido (Scanning Force Microscope) actualmente muy utilizado en la investigación científica y en la industria se basa en el microscopio de fuerza atómica.

Edite la estructura del instrumento de este párrafo

En el sistema de microscopio de fuerza atómica (Atomic Force Microscopy, AFM), se puede dividir en tres partes: la parte de detección de fuerza, la parte parte de detección y el sistema de retroalimentación.

Parte de detección de fuerza

En el sistema de microscopio de fuerza atómica (AFM), la fuerza a detectar es la fuerza de Van der Waals entre átomos. Por lo tanto, en este sistema, se utiliza un pequeño voladizo (cantilever) para detectar el cambio de fuerza entre los átomos. Los microvoladizos suelen estar hechos de una oblea de silicio o nitruro de silicio que generalmente tiene entre 100 y 500 μm de largo y aproximadamente entre 500 nm y 5 μm de espesor. Hay una punta afilada en la parte superior del microcantilever, que se utiliza para detectar la fuerza de interacción entre la muestra y la punta. Este pequeño voladizo tiene ciertas especificaciones, como longitud, ancho, coeficiente de elasticidad y forma de la punta. La selección de estas especificaciones se basa en las características de la muestra y los diferentes modos de funcionamiento, y se seleccionan diferentes tipos de sondas.

Parte de detección de posición

Microscopio de fuerza atómica

En el sistema de microscopio de fuerza atómica (AFM), cuando hay interacción entre la punta y la muestra, causa El voladizo oscila, por lo que cuando el láser brilla en el extremo del micro-voladizo, la posición de la luz reflejada también cambiará debido a la oscilación del voladizo, lo que provoca un desplazamiento. En todo el sistema, se confía en el detector de posición del punto láser para registrar el desplazamiento y convertirlo en una señal eléctrica para el procesamiento de la señal por parte del controlador SPM.

Sistema de retroalimentación

En el sistema de microscopio de fuerza atómica (AFM), después de que la señal se recibe a través del detector láser, la señal se considerará como una señal de retroalimentación en el sistema de retroalimentación. , ya que la señal de ajuste interno hace que el escáner, generalmente hecho de un tubo cerámico piezoeléctrico, se mueva adecuadamente para mantener una cierta fuerza entre la muestra y la punta.

Resumen

Los sistemas AFM utilizan escáneres hechos de tubos cerámicos piezoeléctricos para controlar con precisión pequeños movimientos de escaneo. La cerámica piezoeléctrica es un material con propiedades únicas. Cuando se aplica un voltaje a las dos caras extremas simétricas de la cerámica piezoeléctrica, la cerámica piezoeléctrica se expandirá o contraerá en una dirección específica. La longitud del alargamiento o acortamiento está relacionada linealmente con la magnitud del voltaje aplicado. En otras palabras, la pequeña expansión y contracción de las cerámicas piezoeléctricas se puede controlar cambiando el voltaje. Por lo general, se forman tres bloques cerámicos piezoeléctricos que representan las direcciones X, Y y Z en forma de trípode. Al controlar la expansión y contracción en las direcciones X e Y, se logra el propósito de impulsar la sonda para escanear la superficie de la muestra; controlando la expansión y contracción de la cerámica piezoeléctrica en la dirección Z Logre el propósito de controlar la distancia entre la sonda y la muestra