Mikroskopy atomárnych síl AFM

Teória AFM: ako funguje mikroskop atómových síl alebo AFM a rôzne spôsoby merania AFM

Popri klasických optických mikroskopoch a elektrónovej mikroskopii sa vďaka flexibilite mikroskop atómových síl stal bežným nástrojom na charakterizáciu materiálov s dosiahnuteľným rozlíšením na úrovni nanometrov a pod ňou. AFM môže pracovať v prostredí od ultravysokého vákua až po kvapaliny, a preto prechádza všetkými odbormi od fyziky a chémie až po biológiu a materiálový výskum. Tento článok opisuje princíp fungovania a najbežnejšie spôsoby merania mikroskopie atómových síl a niektoré z mnohých vlastností, ktoré možno pomocou AFM merať na nanometrovej úrovni.

História a pozadie mikroskopie atómových síl

Začiatok mikroskopov so skenovacou sondou (SPM) sa datuje na začiatok 80. rokov 20. storočia, keď Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vynašli skenovací tunelový mikroskop (STM), ktorý bol v roku 1986 ocenený Nobelovou cenou za fyziku. V tom istom roku bol míľnikom v technológii AFM vynález mikroskopu atómových síl (AFM) Gerda Binninga, Calvina Quata a Christopha Gerbera, ktorý odvtedy spôsobil revolúciu v charakterizácii a meraní na atómovej úrovni. V súčasnosti je AFM najobľúbenejším typom SPM, čo spôsobilo, že terminológia skratiek AFM a SPM sa často používa ako synonymum. V prípade AFM je sondou tzv. kantilever (obdĺžniková základňa), ktorý má na svojom voľnom konci zvyčajne hrot. Ďalším klonom sond SPM môžu byť aj jednoduché kovové drôty (používané pri STM) alebo sklenené vlákna (SNOM/NSOM).

AFM dnes zahŕňa širokú škálu metód, pri ktorých sonda rôznymi spôsobmi interaguje so vzorkou na charakterizáciu vlastností materiálov z množstva aplikácií. AFM môže charakterizovať širokú škálu mechanických vlastností (napr. adhéziu, tuhosť, trenie, disperziu), elektrických vlastností (napr. kapacitu, elektrostatické sily, pracovnú funkciu, elektrický prúd), magnetických vlastností a optických spektroskopických vlastností. Okrem zobrazovania možno sondu AFM použiť na manipuláciu, zápis alebo dokonca naťahovanie substrátov pri litografických a molekulárnych experimentoch. V oblastiach BIO & LIFE SCIENCE možno mikroskop FluidFM použiť na manipuláciu s bunkami, infikovanie buniek a tkanív dutým hrotom, meranie tuhosti biomembrán, atď.

Typické režimy AFM:

Štandardné zobrazovacie režimy:

• Režim statickej sily
• Režim bočnej sily
• Režim dynamickej sily (režim poklepávania)
• Režim fázového zobrazovania
• Magnetická silová mikroskopia MFM

Elektrické režimy:

• Vodivostný AFM (C-AFM)
• Piezoelektrická silová mikroskopia (PFM)
• Mikroskopia elektrostatických síl (EFM)
• Silová mikroskopia s Kelvinovou sondou (KPFM)
• Skenovacia mikroskopia so šírením odporu (SSRM)

Stanovenie mechanických vlastností:

• Silová spektroskopia
• Modulácia sily
• Modul tuhosti
• Adhézia
• Rozklad a predĺženie
• Mapovanie sily

Ďalšie režimy:

• Litografia a nanomanipulácia
• Elektrochemické AFM – EC-AFM
• FluidFM-nanomanipulácia a iné možnosti s použitím dutého hrotu