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Microscopía de fuerza atómica

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Descripción general

La microscopía de fuerza atómica es una poderosa herramienta de caracterización a escala nanométrica que reconstruye la morfología tridimensional de la superficie percibiendo la fuerza extremadamente débil entre la sonda y la muestra. Sus ventajas son la Alta resolución, la capacidad de imágenes tridimensionales y la capacidad de estudiar muestras en condiciones cercanas a la naturaleza (especialmente en líquidos), convirtiéndolas en "ojos" y "manos" en el campo de las ciencias de los materiales, las ciencias de la vida y la nanotecnología.

Detalles del producto

¿I. ¿ qué es el microscopio de fuerza atómica?

El microscopio de fuerza atómica es un microscopio de sonda de escaneo de ultra alta resolución con resolución nanométrica o incluso Atómica. Su principio central es muy simple: percibir la morfología tridimensional y las propiedades físicas de la superficie de la muestra "tocando" o escaneando suavemente la superficie de la muestra a través de una sonda muy fina.

Lo más sorprendente es que el AFM no necesita trabajar en un ambiente de vacío como un microscopio electrónico, puede operar en un ambiente atmosférico, un ambiente líquido e incluso en un vacío. Esto le permite observar muestras de macromoléculas biológicas (como proteínas, adn, células vivas, etc.) que no se pueden observar directamente bajo un microscopio electrónico, lo que es una de sus grandes ventajas.

II. principios de funcionamiento

El AFM funciona de manera similar a las antiguas ranuras de lectura de discos por agujas de discos, pero con una precisión de innumerables órdenes de magnitud superior. Sus componentes básicos incluyen:

1. microambiente: un microambiente muy elástico.

2. sonda: una punta extremadamente afilada ubicada al final del haz en voladizo, con un radio de curvatura de hasta el nivel nanométrico.

3. sistema de detección de emisiones y posiciones láser: un rayo láser golpea la parte posterior del haz en voladizo y se refleja en un Fotodetector de cuatro cuadrantes.

4. escáner piezoeléctrico: un material cerámico capaz de lograr un posicionamiento preciso a nivel nanométrico, que puede controlar el movimiento preciso de la sonda o muestra en las tres direcciones de x, y y Z.

Proceso de trabajo (tomando como ejemplo el modo de contacto):

1. contacto: aproximación gradual de una sonda afilada a la superficie de la muestra hasta que produzca una débil fuerza de interacción (principalmente la fuerza de Van der waal) con los átomos de la superficie de la muestra.

2. escaneo: el escáner piezoeléctrico impulsa la sonda a realizar un escaneo paso a paso (escaneo de rejilla) en la superficie de la muestra.

3. deformación perceptiva: cuando la sonda se escanea en un lugar ondulado de la superficie, la fuerza entre la punta de la aguja y la muestra cambia, lo que resulta en la flexión (deformación) del microambiente.

4. detección de deformación: la flexión del haz de voladizo cambiará la dirección del haz láser reflejado, cambiando así la posición del punto de luz en el fotodetector. Este cambio de posición se registra con precisión.

5. ciclo de retroalimentación: el sistema ajusta la altura del escáner piezoeléctrico en la dirección Z en tiempo real a través de un circuito de retroalimentación para mantener la deformación del haz en voladizo constante (es decir, la fuerza de fuerza entre la sonda y la muestra).

6. imagen: la computadora registra el cambio de altura de la dirección Z necesario para que el escáner mantenga una fuerza constante en cada punto (coordenadas x, y). Combinando estos datos, se obtuvo un mapa topográfico tridimensional de la superficie de la muestra.

III. principales modalidades de trabajo

El AFM tiene varios modos de trabajo para adaptarse a las diferentes necesidades de muestras y mediciones, divididos principalmente en tres categorías:

1. modo de contacto

Principio: la sonda entra en contacto directo con la superficie de la muestra (modo de repulsión), y la distancia entre el haz en voladizo y la superficie de la muestra es inferior a unos pocos nanómetros cero.

Ventajas: alta resolución y velocidad de escaneo rápida.

Desventaja: la fuerza transversal puede causar daños o movimiento a muestras blandas, como muestras biológicas.

2. modo de golpeo

Principio: hacer que el microambiente oscile cerca de su frecuencia de resonancia, y la sonda "golpea" brevemente la superficie de la muestra solo en la parte inferior de cada ciclo de oscilación. La morfología de la superficie se retroalimenta detectando cambios en la amplitud de la oscilación.

Ventajas: reduce enormemente la fuerza transversal, es muy adecuado para observar muestras suaves, frágiles o con fuerte adherencia (como materiales biológicos, poliméricos) y es uno de los modelos ampliamente utilizados.

Desventaja: la velocidad de escaneo es ligeramente más lenta que el modo de contacto.

3. modo sin contacto

Principio: la sonda vibra por encima de la superficie de la muestra (a pocas o decenas de nanómetros de distancia) y se toma una imagen detectando cambios en la fuerza de largo alcance entre la muestra y la punta de la aguja (como van der waal, fuerza estática).

Ventaja: casi cero daño a la muestra.

Desventaja: baja resolución y generalmente es necesario operar en un ambiente de vacío para eliminar la interferencia de la amortiguación del aire.

IV. principales áreas de aplicación

La Potencia del AFM le permite aplicarlo en numerosos campos:

1. ciencia de los materiales:

Observar la morfología y estructura de los nanomateriales (como el Grafeno y los nanotubos de carbono).

Estudiar la rugosidad de la superficie, los límites de grano y los defectos de metales, semiconductores, cerámica y otros materiales.

Se analizan la separación de fases y la estructura cristalina de los materiales poliméricos.

2. Ciencias de la vida y biología:

Imagen: observación directa de la estructura de macromoléculas biológicas como adn, ARN y proteínas, e incluso observación de cambios dinámicos en procesos biológicos en entornos líquidos.

Medición de las propiedades mecánicas: a través de la medición de la curva de fuerza, se estudia la elasticidad (rigidez) de las células vivas, la adherencia de las bacterias, la interacción entre proteínas, etc.

3. nanotecnología:

Nanomanipulación: mover un solo átomo o molécula para construir una nanoestructura.

Nanoprocesamiento: el uso de puntas AFM para grabar y oxidar la superficie del material para lograr un procesamiento de "escritura directa".

4. industria de semiconductores:

Medir el ancho y la profundidad de la línea del circuito integrado y realizar el análisis de falla.

Detectar la calidad de la superficie de los dispositivos semiconductores.

V. características estructurales del microscopio de fuerza atómica:

◆ la cabeza de detección láser y la Mesa de escaneo de muestras están integradas, estables y confiables;

◆ dispositivos de posicionamiento láser y sonda de precisión, es simple y conveniente reemplazar la sonda y ajustar el punto de luz;

◆ la muestra impulsada por un solo eje se acerca automáticamente verticalmente a la sonda, posicionando con precisión el área de escaneo, haciendo que la punta de la aguja sea vertical al escaneo de la muestra;

◆ el motor controla el modo inteligente de entrada de agujas de detección automática de cerámica eléctrica presurizada, protege la sonda y la muestra;
◆ escáneres de cerámica piezoeléctrica de alta precisión y gran alcance se pueden seleccionar de acuerdo con los requisitos de diferentes precisiones y rangos de escaneo;

◆ posicionamiento óptico de la lente acromática compleja 10x, sin enfoque, observación en tiempo real.

VI. microscopía de fuerza atómicaParámetros técnicos:

Modo básico de trabajo	Modo de contacto, modo de golpeo, medición de la curva de fuerza F - z, medición de la curva RMS - Z
Modo de trabajo de selección	Fricción / Fuerza lateral, amplitud / fase, fuerza magnética y fuerza estática
Tamaño de la muestra	Φ≤90mm, H≤20mm
Rango de escaneo	50um en dirección xy, 5um en dirección Z (opcional con 110um en dirección xy, 10um en dirección z)
Resolución de escaneo	0,2 nm en dirección XY y 0,05 nm en dirección Z
Rango de movimiento de la muestra	0 ~ 20 mm
Amplificación óptica	10X， Resolución óptica 1um (opcional con 20x, Resolución óptica 0,8um)
Velocidad de escaneo	0.6Hz~4.34Hz， ángulo de escaneo 0 a 360 grados
Control de escaneo	XY con 18 - bit D / A y Z con 16 - bit D / a
Muestreo de datos	14-bit A/D、 Muestreo simultáneo multicanal doble 16 - bit A / D
Método de retroalimentación	Retroalimentación digital de DSP
Tasa de muestreo de retroalimentación	64.0KHz
Interfaz de comunicación	USB2.0 / 3.0
Entorno operativo	Sistema operativo Windows XP / 7 / 8 / 10

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