MIKROSKOPIA SONDY SKANUJĄCEJ (SPM)

Zasada działania:

Postęp w badaniach naukowych jaki przyniosło skonstruowanie skaningowego mikroskopu tunelowego (STM od ang. scanning tunneling microscope) stał się inspiracją do dalszych poszukiwań. Twórcy pierwszego AFM-u wpadli na pomysł, że do obrazowania powierzchni mogłyby służyć siły oddziaływania międzyatomowego, co umożliwiłoby obserwowanie powierzchni izolatorów dotąd niedostępnych dla mikroskopów STM.

Schemat budowy mikroskopu sił atomowych (AFM).

Możliwość użycia precyzyjnego pomiaru za pomocą zwykłej detekcji ruchów w pionie ostrza sunącego po powierzchni próbki do obrazowania powierzchni, wynika z faktu występowania sił magnetycznych, elektrostatycznych i oddziaływań międzyatomowych pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni. Ostrze to jest przymocowane do sprężyny (dźwigni, ang. cantilever), której odchylenie umożliwia wyznaczenie siły oddziaływania międzyatomowego pomiędzy atomami ostrza i badanej powierzchni. Mapa sił dla każdego punktu powierzchni próbki jest przetwarzana komputerowo na obraz. Pomiar ugięcia dźwigni jest dokonywany metodami optycznymi. Czułość odczytu ugięcia dźwigni sięga dziesiątych części angstrema. Jeśli chcemy do obrazowania wykorzystać siły magnetyczne, to ostrze pokrywamy materiałem magnetycznym. Czubek ostrza składa się od kilkuset do nawet jednego atomu. Ostrza te produkuje się zazwyczaj z krzemu i azotku krzemu.

Za pomocą mikroskopu sił atomowych możemy też dokonać pomiarów sił tarcia w skali atomowej i je zobrazować - mierzymy wówczas skręcenie dźwigni a nie ugięcie w kierunku prostopadłym do badanej powierzchni. Mówimy wtedy o mikroskopie sił tarcia (FFM od ang. Friction Force Mikroscope). Siły tarcia również pozwalają zobaczyć pojedyncze atomy.

Interpretacja obrazów wymaga szczegółowej analizy oddziaływań ostrze-próbka. Na ten temat powstało wiele prac teoretycznych. W idealnej sytuacji zakładamy, że obserwowany obraz jest wynikiem oddziaływania najbardziej wysuniętych atomów ostrza i próbki. Obrazy mogą różnić się między sobą, jeśli używamy różnych ostrzy.

W mikroskopie sił atomowych do zobrazowania powierzchni próbki możemy wykorzystać siły krótko lub długozasięgowe, co prowadzi do poniższych metod obrazowania:

1. kontaktowy sposób obrazowania - ostrze AFM odgrywa rolę profilometru badającego topografię rozkładu atomów na powierzchni. Nacisk ostrza na powierzchnię wynosi od 10-7 N do 10-11 N, co powoduje że obszar kontaktu pomiędzy ostrzem a powierzchnią próbki jest ekstremalnie mały. W tym trybie wykorzystujemy krótkozasięgowe siły oddziaływania międzyatomowego. Pomiędzy atomami na czubku ostrza a atomami próbki zachodzą bezpośrednie interakcje ich sfer elektronowych, które to właśnie powodują pionowe ruchy ostrza.
2. bezkontaktowy sposób obrazowania - odsuwając ostrze na odległość 10 - 100 nm wykorzystujemy do obrazowania siły długozasięgowe takie jak siły magnetyczne elektrostatyczne czy przyciągające siły van der Waalsa. W tej metodzie obrazowania nie mierzymy statycznego ugięcia dźwigni, ale wprawiamy dźwignię w drgania o częstości zbliżonej do częstości rezonansowej za pomocą piezoelementu. Reakcją na siłę działającą na dźwignie jest zmiana amplitudy i częstości drgań, co jest informacją pozwalającą uzyskać obraz.

Dźwignie mogą być wytwarzane wraz z ostrzem lub ostrza są do niej przyklejane. Typowe dźwignie mają długość od 100 do 500 um, stałe sprężystości 0.01 - 1 i więcej N/m i częstości rezonansowe w zakresie 3 - 120 i więcej kHz. Wykonywane są z krzemu, azotku krzemu, diamentu itp.

Możliwości ogólne:

Określenie topografii powierzchni materiałów metalicznych, ceramicznych, polimerowych i kompozytowych. Charakterystyka nanoobiektów i struktur nanometrowych. Badanie tarcia, zużycia, adhezji i sił kapilarnych na poziomie nano i mikro.

Zastosowania szczegółowe:

1. Cienkie warstwy organiczne i polimery

• Badania cienkich i ultracienkich warstw i monowarstw związków organicznych na różnych podłożach metalicznych i ceramicznych - pomiar grubości warstwy, badanie tarcia na poziomie nano- i mikro- skali.
• Charakterystyka topografii i badania właściwości tarciowych i mechanicznych polimerów (np. poliuretanów, polimetakrylanów, polimerów silikonowych) i innych powszechnie używanych materiałów i kompozytów polimerowych. (np. do zastosowań biologicznych: cewniki, materiały opatrunkowe itp.)

2. Cienkie warstwy ceramiczne i metaliczne

• Badania topografii i charakterystyka tarciowa warstw ceramicznych otrzymanych metodą zol-żel, dip-coatnig,  warstw napylanych, warstw osadzanych plazmowo, warstwy CVD/PVD.

3. Badania materiałów magnetycznych

• Określenie struktury domen w materiałach magnetycznych

4. Testy i badania nośników informacji

• Analiza dysków CD/DVD oraz innych nośników danych o magnetycznym zapisie informacji.

5. Badania właściwości mechanicznych nanoobiektów:

• Pomiary modułu Younga nanorurek węglowych.

6. Badania biologiczne

• Wizualizacja biologicznych układów makromolekularnych, badania struktur kolagenowych, erytrocytów, nici DNA itp.

Budowa i zasada działania

W celu zbadania i zrozumienia procesów wzrostu, struktury i własności elektrycznych cienkich warstw w 1981 roku Binning i Rohrer skonstruowali skaningowy mikroskop tunelowy (ang. scanning tunnelling microscope-STM). Mikroskop ten umożliwia badanie materiałów przewodzących i półprzewodzących z trójwymiarowym obrazowaniem powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą. Zasada działania STM oparta jest na zjawisku kwantowo mechanicznym, tzn. tunelowaniu pomiędzy dwoma przewodnikami w obecności izolującej przerwy (bariery potencjału). Jednym przewodnikiem jest igła skanująca (nanosensor), natomiast drugim badana powierzchnia.

Schemat budowy skaningowego mikroskopu tunelowego (STM).

Pierwszym decydującym etapem wykonania pomiaru jest przyłożenie napięcia polaryzacji między dwoma przewodnikami, a następnym zbliżenie nanosensora do próbki. W przypadku, gdy ostrze pomiarowe jest zbliżone na odległość 1 nm od powierzchni próbki, występuje wspomniane wyżej zjawisko tunelowania. W zależności od polaryzacji przyłożonego napięcia, prąd tunelowy może płynąć z igły do próbki bądź z próbki do igły. Natężenie prądu tunelowego silnie zależy od odległości, ponieważ aż 90% wartości prądu tunelowego stanowią elektrony tunelowane pomiędzy najdalej wysuniętym atomem igły a atomami płaszczyzny skanowanej. Umożliwia to rejestrowanie najmniejszych zmian wysokości na powierzchni próbki. Sygnał z informacją o zmianie topografii dociera następnie do układu sprzężenia zwrotnego. Układ ten, poprzez zmiany długości piezoelementu, reguluje odległością igły od powierzchni. Całość jest sterowana przez komputer, gdzie ustawia się parametry oraz otrzymuje obraz przedstawiający morfologię badanej powierzchni.

Obrazowanie powierzchni za pomocą mikroskopu STM może być realizowane w modzie stałego prądu lub stałej odległości. Praca w modzie stałego prądu polega na utrzymaniu stałej wartości prądu tunelowego niezależnie od zmian topografii powierzchni. Uzyskuje się to za pomocą systemu pętli sprzężenia zwrotnego, która zapewnia utrzymanie stałej szerokości bariery tunelowej. W tym modzie informację o topografii próbki niesie w sobie sygnał z pętli sprzężenia zwrotnego.

Mody obrazowania powierzchni.

W modzie stałej odległości, jak sama nazwa wskazuje, odległość między badaną powierzchnią a igłą jest stała. Mierzony wówczas prąd daje informację o topografii materiału, ponieważ zmieniająca się bariera potencjału zmienia wartość prądu.

Ponieważ prąd tunelowania zależy od powierzchniowej struktury elektronowej próbki, mikroskop STM może zostać również wykorzystany do badania powierzchniowej struktury elektronowej w ramach tzw. skaningowej spektroskopii tunelowej (Scanning Tunneling Spectroscopy- STS). Spektroskopia STS jest przeprowadzana poprzez pomiar zmiany prądu tunelowania w funkcji zmiany napięcia polaryzacji dla ustalonej odległości pomiędzy ostrzem i próbką. Inną możliwością otrzymywania informacji spektroskopowych jest jednoczesne zebranie obrazów STM przy różnym napięciu polaryzacji (Current Imaging Tunneling Spectroscopy - CIST).

Możliwości ogólne:

Określenie topografii powierzchni materiałów przewodzących. Charakterystyka nanoobiektów i nanostrukur z atomową zdolnością rozdzielczą.

Zastosowania szczegółowe:

• Obrazowanie rekonstrukcji materiałów nanokompozytowych typu SAM umieszczonych na powierzchni złota.
• Morfologiczne obrazowanie właściwości elektronowych nanorurek węglowych.
• Analiza nanocząstek.
• Określanie struktur w cienkich warstwach półprzewodników organicznych z grupy tioli.
• Obserwowanie warstw adsorpcyjnych związków organicznych z roztworów na powierzchniach materiałów przewodzących prąd
• Charakterystyka  topografii i warstw ceramicznych otrzymanych metodą CVD/PVD.
• Charakterystyka nanostruktur przewodników i półprzewodników za pomocą STM/STS.