Atomivoimamikroskooppi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Atomivoimamikroskoopissa (AFM = Atomic force microscope) näytteen pintaa tutkitaan värähtelijään kiinnitetyllä erittäin terävällä neulalla, jonka kärki voi olla kooltaan vain joitain nanometrejä. Neulaa ja näytettä liikutellaan suhteessa toisiinsa. AFMilla kyetään havaitsemaan näytteen pinnassa jopa nanometrin osien korkeusvaihtelut, vaakaresoluutio on nanometrin luokkaa ja riippuu neulan koosta. AFM-mittauksessa saatavan profiilin määrää "tip convolution", joka tarkoittaa sitä, että jokainen kuvan datapisteistä edustaa spatiaalista konvoluutiota kärjen muodon ja kuvattavan kohteen muodon välillä. Niin kauan kuin kärki on paljon terävämpi kuin kohde, saadaan todellinen profiili, mutta jos kohde on kärkeä terävämpi, kärjen muoto määrittelee kuvan. Kuva 1 havainnollistaa edellä kuvattua tilannetta.

Kuva 1. Kaavio AFMin kärjen muodon ja saatavan kuvan suhteesta.

AFMin kärkeen kohdistuvat van der Waalsin voimat, joiden voimakkuus ja vaikutussuunta riippuu kärjen etäisyydestä näytteen pinnasta. Lähietäisyydellä van der Waals-voimia vastaava potentiaali on muotoa B/r^{12}, jolloin vuorovaikutustyyppi on karkottava (repulsiivinen). Pidemmillä etäisyyksillä potentiaali muotoa -A/r^6 ja vuorovaikutustyyppi on puoleensavetävä (attraktiivinen). AFM:lle voidaan määritellä kolme periaatteellista toimintatilaa: kontakti, kosketus ja ei-kontakti. Kontaktimoodissa kärki osuu näytteen pintaan ja kokee karkottavan voiman, joka pakottaa kärjen seuraamaan pintaprofiilia tasaisesti. Resoluutio on parempi kuin muissa toimintatiloissa, koska poikkeama ja poikkeuttava voima ovat suurempia. Kosketusmoodi on kontakti- ja ei-kontaktimoodien välimuoto, jossa kärki osuu kevyesti näytteen pintaan. Värähtelyn amplitudi vaihtelee tällöin pinnan topografian mukaan pyyhkäisyn edetessä, missä tapauksessa edelleen ollaan karkottavan vuorovaikutuksen alueella mutta lähempänä potentiaaliminimiä kuin kontaktimoodissa.

Kuva 2. Kaaviokuva AFMin mittausjärjestelystä

Kontaktimoodiin verrattuna kosketusmoodin etuna on se, ettei näytteen pinta vaurioidu ja lisäksi saavutetaan lähes yhtä hyvä resoluutio. Ei-kontaktimoodissa kärki pidetään vähintään useiden nanometrien päässä näytteen pinnasta, jolloin näytteen vahingoittumisesta ei ole pelkoa, mutta resoluutio kärsii selvästi. Kontaktimoodissa voidaan päästä jopa atomitason resoluutioon. Toimintatilasta riippumatta haluttu mitta saadaan värähtelijän poikkeamasta vaakatasosta. AFMin mittausjärjestely on esitetty kuvassa 2. Suurin mitattavissa oleva korkeusero riippuu värähtelijän maksimipoikkeamasta ja on yleensä 10 µm luokkaa. AFMin neula voi helposti katketa pienissä jyrkkäreunaisissa rakenteissa, ja toisaalta neula saattaa myös tuhota hienorakenteita.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Di Ventra, Massimiliano & Evoy, Stephane & Heflin, James R.: Introduction to nanoscale science and technology. Kluwer Academic Publishers, 2004.