Сканиращ атомно-силов микроскоп, Science, FANDOM, захранван от Wikia

Атомно-силов микроскоп(англ.AFM - atomic force microscope) е сканиращ сондов микроскоп с висока разделителна способност, базиран на взаимодействието на конзолна игла (сонда) с повърхността на изследваната проба. Обикновено взаимодействието се разбира като привличане или отблъскване на конзолата от повърхността поради силите на Ван дер Ваалс. Но когато се използват специални конзоли, е възможно да се изследват електрическите и магнитните свойства на повърхността. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп (STM), той може да изследва както проводими, така и непроводими повърхности дори през слой течност, което прави възможно работата с органични молекули (ДНК). Пространствената разделителна способност на атомно-силовия микроскоп зависи от размера на конзолата и кривината на нейния връх. Разделителната способност достига на атомно ниво хоризонтално и значително го надвишава вертикално.

Микроскопът за атомна сила е изобретен през 1986 г. от Герд Биниг и Кристоф Гербер в САЩ. Атомно-силовият микроскоп се използва за фотографиране на повърхностния профил и за промяна на неговия релеф, както и за манипулиране: преместване, добавяне, премахване на микроелементи по повърхността на обект

Как работи Редактиране

Атомно-силовият микроскоп (AFM) е система от проба + игла. При малки разстояния между два атома, единият на подложката, другият на върха, на разстояние около един ангстрьом, действат сили на отблъскване, а на големи разстояния - сили на привличане. Големината на тази сила зависи експоненциално от разстоянието проба-игла. Отклоненията на сондата под действието на близко разположени атоми се записват с помощта на наноизместващ метър, по-специално се използват оптични, капацитивни или тунелни сензори. Чрез добавяне на устройство към тази системаплъзнете по осите X и Y, вземете сканиращ AFM. Ако приемем, че електронните състояния (орбитали) са локализирани във всяка атомна област, тогава чрез сканиране на повърхността на пробата в посока X или Y с едновременно измерване на изходния аналогов сигнал в посока Z, може да се получи картина на структурата на повърхността на атомно ниво в координатната система XYZ, т.е.3Dизглед.

Основните технически трудности при създаването на микроскоп:

Създаване на игла, заточена до истински атомни размери.
Осигуряване на механична (включително топлинна и вибрационна) стабилност на ниво, по-добро от 0,1 ангстрьома.
Създаване на детектор, способен надеждно да открива такива малки движения.
Създаване на система за размахване със стъпка във фракции от ангстрьом.
Осигуряване на гладка конвергенция на иглата с повърхността.

Предимства и недостатъци Редактиране

В сравнение със сканиращия електронен микроскоп (SEM), атомно-силовият микроскоп има редица предимства. Така че, за разлика от SEM, който дава псевдо триизмерно изображение на повърхността на пробата, AFM ви позволява да получите истинска триизмерна топография на повърхността. В допълнение, непроводима повърхност, наблюдавана от AFM, не изисква проводящо метално покритие, което често води до забележима деформация на повърхността. SEM изисква вакуум, за да работи правилно, докато повечето AFM режими могат да бъдат приложени във въздух или дори в течност. Това обстоятелство отваря възможността за изучаване на биомакромолекули и живи клетки. По принцип AFM е в състояние да даде по-висока разделителна способност от SEM. По този начин беше показано, че AFM е в състояние да осигури реална атомна разделителна способност при свръхвисоки вакуумни условия. АСМ със свръхвисок вакуум чрез разделителна способностсравним със сканиращия тунелен микроскоп и трансмисионния електронен микроскоп.

Недостатъкът на AFM в сравнение със SEM трябва също да включва малкия размер на полето за сканиране. SEM е в състояние да сканира повърхност от няколко милиметра в страничната равнина с разлика във височината от няколко милиметра във вертикалната равнина. AFM има максимална разлика във височината от няколко микрона и максимално сканиращо поле от порядъка на 150 × 150 микрона² в най-добрия случай. Друг проблем е, че при висока резолюция качеството на изображението се определя от радиуса на кривината на върха на сондата, което, ако сондата е избрана неправилно, води до артефакти в полученото изображение.

AFM изображенията могат да бъдат изкривени от хистерезиса на пиезокерамичния материал на скенера (Lapshin, 1995), както и от кръстосани паразитни връзки, действащи между X, Y, Z елементите на скенера, което може да изисква софтуерна корекция. Съвременните AFM използват софтуер, който прави корекции в реално време (напр. сканиране, базирано на функции, позициониране, базирано на характеристики, Lapshin, 2004, 2007) или скенери, оборудвани със системи за проследяване със затворен цикъл, които практически елиминират тези проблеми. Някои AFM използват елементи на скенера XY и Z, които са механично несвързани един с друг вместо пиезотръба, което също прави възможно елиминирането на някои от паразитните връзки.

AFM може да се използва за определяне на вида на атома в кристална решетка [1] .

Интересни последици Редактиране

Манипулаторът AFM и STM позволява да се движи иглата с резолюция по-добра от 0,1 Ǻ с размери от няколко сантиметра. Ако промишлен робот имаше подобна точност на движениес размери около метър, след което с игла, захваната в манипулаторите, можеше да начертае кръг с диаметър няколко нанометра.

Коефициентът на топлинно разширение на повечето материали е около 10 -6 . При размер на манипулатора от няколко сантиметра, промяната на температурата с 0,01° води до движение на иглата поради термичен дрейф с 1 Ǻ.