El origen del microscopio de la sonda del microscopio de fuerza atómica

El microscopio de fuerza atómica (AFM) es un instrumento importante para analizar la morfología de superficies y las propiedades electromagnéticas con resolución atómica. En 1981, Binnig y Rohrer de IBM-Zurich inventaron el STM (microscopía de efecto túnel). En 1982, Binnig observó por primera vez la imagen resuelta atómicamente Si (7x7). En 1985, Binnig, Gerber y Quate desarrollaron con éxito el primer AFM (microscopio de fuerza atómica). En los campos de la ciencia de superficies, la nanotecnología, la bioelectrónica y otros campos, la SPM (microscopía de sonda de barrido) se ha convertido gradualmente en una herramienta de caracterización de materiales importante y multifuncional.

STM requiere que la superficie de la muestra sea conductora, mientras que AFM puede probar la morfología de la superficie y el rendimiento del aislante. Porque el principio básico de STM es detectar la topografía de la superficie midiendo la corriente del túnel entre la sonda y la superficie de la muestra, mientras que AFM mide la fuerza de interacción entre la sonda y la superficie de la muestra. El AFM consta de cuatro partes: parte de movimiento mecánico, sistema de detección óptica de señal de desviación en voladizo, sistema de retroalimentación de señal de control, sistema de software de procesamiento de imágenes y información. La fuerza de interacción entre la sonda y la muestra hace que el microvoladizo se desvíe hacia arriba o hacia abajo. Se utiliza un láser para iluminar el extremo del voladizo. El cambio de posición de la luz reflejada se utiliza para medir el desplazamiento del voladizo. Método de detección Propuesto por primera vez por Meyer y Amer. El movimiento de las piezas mecánicas (sonda arriba, abajo y movimiento de escaneo lateral) está controlado por cerámicas piezoeléctricas precisas. La detección de reflejo láser utiliza PSD. El sistema de retroalimentación e imágenes controla la distancia entre la sonda y la superficie de la muestra y, en última instancia, procesa los resultados de las pruebas experimentales.

Modo de funcionamiento AFM del microscopio de fuerza atómica

Con el desarrollo de la tecnología AFM, siguen surgiendo varias aplicaciones nuevas. Específicamente, incluye las siguientes tecnologías:

(1) Modo de contacto: en el modo más temprano, la sonda y la muestra están en contacto directo, y la sonda es fácil de usar, por lo que se requiere que la sonda Ser suave, es decir, el coeficiente elástico del voladizo es pequeño, generalmente inferior a 1N/m.

(2) El modo de golpeteo también se llama fuerza dinámica o contacto intermitente. La sonda vibra bajo el impulso de una fuerza externa y parte de la posición de vibración de la sonda ingresa al área repulsiva de la curva de fuerza, por lo que la sonda entra en contacto con la superficie de la muestra de manera intermitente. La sonda requiere un alto coeficiente elástico del voladizo para evitar que se atasque con la película de agua de microcapa en la superficie de la muestra. El modo de golpeteo ejerce una pequeña fuerza sobre la muestra y es especialmente útil para mejorar la resolución en muestras blandas. Al mismo tiempo, la vida útil de la sonda también es ligeramente mayor que la del modo de contacto.

Los anteriores son los modos AFM más utilizados, y hay muchos otros modos: como

Microscopía de fuerza lateral (microscopio de fuerza lateral, que detecta la fuerza de fricción lateral de la muestra microrregión de superficie en la sonda), se pueden obtener las propiedades mecánicas del material),

Fuerza en modo sin contacto (microscopio en modo sin contacto, básicamente lo mismo que el modo de golpeteo, la diferencia es que el microscopio sin contacto -la sonda en modo de contacto funciona en el área de atracción de la curva de fuerza),

Modulación de fuerza (microscopio de modulación de fuerza, la sonda tiene una fuerza fuerte en la microárea de la superficie de la muestra, y se puede obtener el coeficiente elástico y otras propiedades mecánicas de la microárea del material),

Microscopía de fuerza química CFM

Microscopía de fuerza eléctrica EFM

Microscopía de fuerza Kelvin KFM

Microscopía de fuerza magnética MFM

Microscopía térmica de barrido SThM

Microscopio de capacitancia de barrido SCM

Microscopio de potencial químico de barrido SCPM

Microscopio electroquímico de barrido SEcM

Microscopio de conductancia iónica de barrido SICM

Microscopio de sonda Kelvin de barrido SKPM

Microscopio térmico de barrido SThM

Espectrómetro óptico de túnel de barrido STOS

Diversos modos y aplicaciones requieren sondas con diferente rendimiento, y el índice de rendimiento de la sonda es el factor más crítico que determina la resolución del microscopio.