Mikroskopie skenující sondou
Roman Kubínek, Milan Vůjtek
Katedra experimentální fyziky, Přírodovědecká fakulta
Univerzity Palackého v Olomouci
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
v rámci projektu Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů (CZ.1.07/2.3.00/09.0042)
1981 – STM – Skenovací tunelovací mikroskopie1981 – STM – Skenovací tunelovací mikroskopie
Gerd Binnig Heinrich Rohrer
konstrukce STM
(Scanning Tunneling Microscope)
1986 Nobelova cena
1986 – AFM (Atomic Force Microscopy)
Mikroskopie atomárních sil
1987 – do současnosti – další klony využívající princip přesného
polohování a těsného přiblížení sondy k povrchu
1986 – AFM (Atomic Force Microscopy)
Mikroskopie atomárních sil
1987 – do současnosti – další klony využívající princip přesného
polohování a těsného přiblížení sondy k povrchu
Mikroskopie skenující sondou
SPM – Scanning Probe Microscopy
Charakteristika metod SPM
• SPM přístroje pracují v oblasti blízkého pole – dosažení rozlišení pod tzv.
difrakční mezí (u SM srovnatelné s vlnovou délkou), ovšem za cenu získání
pouze lokální informace o vzorku.
• Postupné měření ve více bodech – skenování sondou nad vzorkem
pro charakterizaci celého povrchu vzorku.
• Metody poskytují trojrozměrný obraz v přímém prostoru, narozdíl např. od
difrakčních technik nebo elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením.
Techniky SPM tedy vhodně překrývají rozsahy dosažitelné pomocí optické a
elektronové mikroskopie – využití k vzájemným kombinacím.
•Technika SPM nemusí být pouze zobrazovací - lze ji použít i k modifikaci
povrchů až na atomární škále. (Lze provádět litografické zpracování,
mechanické odstraňování, manipulace s molekulami i jednotlivými atomy).
Vývojové fáze metod SPM – 1
1928 Synge - teoretický návrh optického zobrazení ostrým
skleněným hrotem těsně nad povrchem (Znovuobjevení předchozího
teoretického principu skenování O'Keefe 1956).
1972 Ash - Experimentální ověření rozlišení pod vlnovou mezí
s mikrovlnami o λ=3 cm, rozlišení 150 μm.
1972 Young - Sestrojení Topografineru,
přístroje, který mapuje topografii vodivých
vzorků s rozlišením 3 nm vertikálně a 400 nm
horizontálně
Vývojové fáze metod SPM – 2
1981 První úspěšná realizace tunelování Binnigem a Rohrerem v roce
v laboratořích IBM - přístroj pracuje ve vakuu, vibrace jsou tlumeny
magnetickou levitací, použití zpětné vazby a piezokeramických pohybových členů
1982 Realizace kapacitní mikroskopie a následně rozvoj mnoha dalších
„klonů“, např. AFM 1986
1989 První pozorování poškození
vzorku vlivem interakce s hrotem
a následné využití k modifikaci
povrchů (nanolitografie)
sestavení loga IBM z atomů
xenonu na niklu
Vývojové fáze metod SPM – 3
1993 Demonstrace kvantových
vlastností vznikem stojatých vln
v kruhové bariéře sestavené z atomů
železa na mědi
2000 Řízení chemických reakcí jednotlivých molekul, bouřlivý rozvoj aplikací
nejen v oblasti základního, ale i aplikovaného výzkumu.
Rozvoj metod SPM v 1. desetiletí
Tunelovací 1981 Binnig, Rohrer
Optická blízkého pole 1982 Pohl
Kapacitní Matey, Blanctepelná Williams, Wickramasinghe
Atomárních sil 1986 Binnig, Rohrer
Přitažlivých sil Martin, Williams, Wickramasinghe
Magnetických sil Martin, Wickramasinghe
Třecích sil Mate, McClelland, Chiang
Elektrostatických sil Martin, Abraham, Wickramasinghene
Elastická tunelovací spektroskopie Smith, Kirk, Quate
Laserem řízený STM Arnold, Krieger, Walther
Emise balistických elektronů Kaiser
Inverzní fotoemisní 1988 Coombs, Gimzewski, Reihl, Sass, Schlittler
Akustická blízkého pole 1989 Takata, Hasegawa, Hosaka, Hosoki, Komoda
Šumová Moller, Esslinger, Koslowskispinová Manassen, Hamers,
Iontová 1989 Hansma, Drake, Marti, Gould, Prater
Elektrochemická 1989 Husser, Craston, Bard
Absorpční 1989 Weaver, Wickramasinghe
Fotonová absorpční 1989 Wickramasinghe, Weaver, Williams
Chemického potenciálu 1990 Williams, Wickramasinghe
Fotonapěťová 1990 Hamers, Markert
Princip mikroskopií se skenující sondou
●
umístění mechanické sondy do blízkosti povrchu vzorku
●
rížení pohybu ve směru x–y, z signálem zpětné vazby piezoelektricky (rozlišení 10-10
m)
Pozice hrotu a povrchu
Skenovací tunelovací mikroskopie STM
Pravděpodobnost průchodu energetickou
bariérou (tunelování)
Tunelovací proud
db
eUaI .. 2
1
.. ϕ−
=
P≈e
−
2
ℏ
∫
0
d
2m [U x−E]dx
obraz povrchu je dán rozložením vlnové funkce atomů
Si (111), 10×10 nm²
Režim konstantní výšky
• rychlejší
• vhodný pro hladké povrchy
Režim konstantního proudu
• časově náročnější měření
• přesnější pro členité povrchy
Podmínka: ostrý vodivý hrot a vodivý vzorek
Rekonstrukce atomární struktury
Al0.8Ga0.2As s využitím STM
Mikroskopie atomárních sil (AFM)
mapování atomárních sil
• odpudivé síly elektrostatické
• přitažlivé síly Van der Waalsovy
graf závislosti celkové síly na hrot
• kontaktní režim
F ≈ 10-7
N – režim konstantní síly
d ≈ 1 nm – tuhé vzorky
• nekontaktní režim
FW ≈ 10-12
N, d ≈ 100 nm,
raménko kmitá s fr≈ 200 kHz
– měkké, pružné (biologické) vzorky
• poklepový režim
Polohovací zařízení – skener
skener – zajišťuje přesnou pozici
vzhledem k povrchu vzorku
piezoelektrická keramika – PbZrO3, PbTiO3
režim skenování:
• počet řádků – až 1000
• počet bodů – až 1000
trojnožka – 100 × 100 µm², z – 10 µm
trubička – 2 × 2 µm², z – 0,8 µm
zkreslení skeneru – chyby skenování:
• hystereze – nejednoznačnost při rozpínání a smršťování skeneru
• nelinearita – prodloužení není lineární funkcí přiloženého napětí
• tečení (creep) – postupné prodlužování skeneru
• stárnutí – změna vlastností piezoelektrické keramiky
zkreslení skeneru – chyby skenování:
• hystereze – nejednoznačnost při rozpínání a smršťování skeneru
• nelinearita – prodloužení není lineární funkcí přiloženého napětí
• tečení (creep) – postupné prodlužování skeneru
• stárnutí – změna vlastností piezoelektrické keramiky
Schéma detekce
v kontaktním režimu
typický hrot
•kontaktní režim
F ≈ 10-7
N – režim konstantní síly
d ≈ 1 nm
zejména vhodné pro tuhé vzorky
Schéma detekce
v bezkontaktním a poklepovém režimu
Z
X,Y
Frequency
Synthesizer
Split
Photodiode
Detector
Laser
Sample
NanoScope IIIa
Controller
Electronics
Detector
Electronics
Scanner
Feedback Loop Maintains
Constant Oscillation Amplitude
Measures
RMS of
amplitude
signal
Cantilever & T ip
typický hrot
s poloměrem 5 až 10 nm
•nekontaktní režim
•poklepový režim
FW ≈ 10-12
N, d ≈ 100 nm,
raménko kmitá s fr≈ 200 –400 kHz
– měkké, pružné (biologické) vzorky
0,2 – 2 µm
r ≈ 5 nm
10 µm
štíhlost hrotu – 1 : 3 speciální hroty – 1 : 10štíhlost hrotu – 1 : 3 speciální hroty – 1 : 10
(schopnost zobrazit ostré hrany a hluboké zářezy)(schopnost zobrazit ostré hrany a hluboké zářezy)
monokrystal Si hrot – Si3N4
leptaný hrot
nanotrubičky WS2
Rozlišovací mez AFM daná štíhlostí hrotu
Mikroskopie magnetické síly (MFM)
Systém pracuje v NK režimu –
rezonanční frekvenci raménka
ovlivňuje změna magnetického pole
(magnetická síla) vzorku
1. informace o topografii
2. informace o magnetických
vlastnostech povrchu.
MFM mapování domén v magnetických materiálech
změna magnetického pole zviditelněná
v MFM (magnetické domény v oblasti
8 × 8 µm²)
MFM obraz harddisku v oblasti 30×30 µm²
Skenovací kapacitní mikroskopie (SCM)
Topografický a kapacitní obraz správně a
špatně srovnané fotomasky v průběhu
procesu implantace legovací látky.
Rastrovací kapacitní mikroskopie (SCM) zobrazuje prostorové změny elektrické kapacity.
Princip:
Raménko s hrotem pracuje v NK
režimu (režim konstantní výšky) –
speciální obvod sleduje elektrickou
kapacitu mezi hrotem a vzorkem.
Použití:
• SCM může sledovat změny obrazu:
v závislosti na tloušťce dielektrického
materiálu na polovodičových substrátech
• SCM může být použit při vizualizaci
podpovrchových nosičů náboje –
mapovaní příměsí (legovacích látek)
v iontově implantovaných polovodičích.
Mikroskopie bočních sil
(LFM – Lateral Force Microscopy)
LFM je vhodný pro:
• zobrazení nehomogenit povrchu (změna
koeficientu tření),
• získání obrazu povrchů tvořených stupňovitými
nerovnostmi (hranami).
Princip LFM – vyhodnocení příčného ohybu (krutu) raménka
K laterálnímu ohybu raménka dochází ze dvou
příčin:
• změnou tření
• změnou náklonu raménka.
Mikroskopie modulovaných sil
(FMM – Force Modulation Microscopy)
Kontaktní AFM FMM obraz
kompozit uhlík/polymer (5×5 µm²)
(FMM) používá modulační techniku
v dotykovém režimu s konstantní silou.
Vzorek vibruje se stálou amplitudou a
frekvencí nad mezní frekvencí zpětné
vazby a se stejnou frekvencí bude
kmitat i hrot, který je s ním
v kontaktu.
Amplituda kmitů raménka závisí
na elastických vlastnostech vzorku
v místě doteku.
Měření je možno provádět současně
s AFM, jejíž obraz se získává z napětí
na piezokeramice
Mikroskopie detekce fázových posunů
(PDM – Phase Detection Microscopy)
Porovnání AFM topografie s PDM
Teflonový povrch potažený silikonovým
mazadlem (Obrazové pole 9 × 9 µm²)
Mikroskopie detekce fáze (PDM) – fázové
zobrazení ve spojení s obvyklými režimy (NK,
P-K AFM, MFM). Změna fáze může být
měřena i v průběhu režimu FMM.
Detekce fázového posunu – vyhodnocení
fázového zpoždění mezi signálem budícím
oscilaci raménka a výstupním signálem
vyvolaným ve vzorku oscilujícím raménkem
Příklad použití:
Pořizování informací o materiálových
vlastnostech vzorků, jejichž topografie se
snadněji měří v NK AFM než kontaktním
AFM způsobem.
PDM poskytuje doplňkovou informaci
k topografii povrchu).
Mikroskopie elektrostatických sil
(EFM – Electrostatic Force Microscopy)
Ferroelektrický materiál (topografický kontrast
vlevo) s implantovaným povrchovým nábojem
(+2,5 V),
(EFM obraz nabité plochy vpravo)
Oblast 5 × 5 µm²
Použití:
Mapování elektrostatického pole elektronických
obvodů při zapnutí a vypnutí přístrojů
(„napěťová mikrosonda“ pro testování aktivních
mikroprocesorových čipů v submikronových
mezích).
Princip:
EFM mapuje oblasti (domény) s různou polaritou a hustotou
elektrického náboje na povrchu vzorku (obdoba MFM). Velikost
výchylky raménka s hrotem je úměrná hustotě náboje. Může být
měřena standardním detekčním systémem užívajícím laserový svazek.
Další metody příbuzné AFM
Mikroskopie disipativních sil
(DFM) mapuje výkon, který nosník ztrácí interakcí se vzorkem. Disipace vzniká
následkem hystereze v adhezi mezi vzorkem a hrotem (projevují se i jiné principy).
Výhodou metody je možnost mapovat rozložení hustoty fononů vzorku podél povrchu
(v přiblížení obraz závisí jen na vlastnostech vzorku, nikoliv hrotu, což je jistá analogie
k STM).
Mikroskopie ultrazvukových sil
(UFM) využívá ultrazvukové excitace vzorku, především pro mapování materiálových
vlastností. Klasická mikroskopie využívá „lineární“ režim detekce, v němž je sledována
amplituda a fáze pohybu nosníku. V UFM je použit „nelineární“ režim.
Při ultrazvukovém kmitání je modulována vzdálenost hrot–vzorek mezi maximální a
minimální hodnotou, které jsou určeny amplitudou buzení a nastavením síly (setpoint).
Pro velké amplitudy se projeví nelinearita, středovaná síla obsahuje přídavnou sílu
(vlivem ultrazvuku) a tím přídavné ohnutí nosníku → lze provádět mikroskopii.
Skenovací teplotní mikroskopie
(SThM – Scanning Thermal Microscopy)
SThM umožňuje současné snímání tepelné
vodivosti a topografie povrchu vzorku
Princip:
U SThM přístroje je místo hrotu sonda
s odporovým prvkem. Řídící jednotka řídí
vytváření map teploty nebo tepelné vodivosti.
Ke konstrukci raménka SThM se používá
Wollastonova drátu (slitiny dvou různých
kovů), který představuje tepelně závislý
odporový prvek. Vlastním odporovým teplotním
čidlem je na konci umístěný prvek z platiny
(příp. ze slitiny platiny s 10% obsahem rhodia).
Výhoda této konstrukce je, že může být
použita pro oba módy tepelného zobrazení
(teplota a tepelná vodivost).
SThM snímek fotorezistu
Mikrotermální analýza
(µTA – Micro–Thermal Analysis)
Mikrotermální analýze (µTA) - submikronové mapování teploty povrchu (lokální
kalorimetrická měření).
Princip:
Wollastonův drát působí jako aktivní tepelný zdroj (odpor sondy je úměrný její teplotě).
Změny proudu vyžadované k udržení sondy na konstantní teplotě vedou ke vzniku teplotních
map (a obráceně, změny elektrického odporu sondy při konstantním proudu vedou rovněž ke
generaci teplotních map).
současně vzniká:
• obraz zahrnující informaci o tepelné difúzi
• obraz podpovrchových změn materiálového složení.
použití: pro kalorimetrické měření – mikro-diferenciální termální analýza (µDTA).
Je možné sledovat roztažnost, tloušťku vrstvy, teplotu fázových přechodů, změny tvrdosti,
procesy tání, tuhnutí, měknutí apod., vlastnosti polymerů na úrovni doménových struktur a
jejich rozhraní.
Skenovací optická mikroskopie v blízkém poli
(NSOM – Near Field Scanning Optical Microscopy)
NSOM je skenovací optická mikroskopická technika, která
zobrazuje pod difrakčním limitem (λ okolo 300 nm).
Princip:
na vzorek dopadá světlo procházející přes jednomódové optické
vlákno (několik desítek nm v průměru) pokovené hliníkem
(zabránění světelných ztrát). Provádí se detekce evanescentních vln
Způsoby detekce světla
Polystyrénové
kuličky 500 nm
V režimu NSOM a
SM
NSOM obraz srdečního svalu (10 × 10 µm²)
Vodivostní AFM
(Conductive AFM)
Princip: Měření změn vodivosti povrchu. Hrot musí být z vodivého materiálu.
Současně je na hrot přivedeno stejnosměrné napětí a vzorek je uzemněn.
Proud procházející hrotem na
vzorek měří vestavěný
předzesilovač ve skeneru.
Princip vodivostního AFM
Popis mikroskopu AFM – Explorer
(ThermoMicroscopes-Bruker)
celkový pohledcelkový pohled
spodní pohled
AFM Explorer pro kapalné vzorky
+ inverzní SM Olympus
Křížový skener
100 µm/10 µm
Trubičkový skener
2 µm/0,8 µm
Lipidy, sken 1,5 µm
Cytoplasmatická
membrána
Virus chřipky, sken 1,5 µm
Proteiny IgG, sken 250 nm
DNA, sken 2 µm
Zobrazení struktury
Rostlinné buňky a chromozomy
(10 × 10 µm²)
(6 × 6 µm²)
buňky vodních řas centrometrická oblastcentrometrická oblast
chromozomu v metafázichromozomu v metafázi
porušený chromozom – DNA ?
Měření sil (F–d spektroskopie)
Nezobrazující techniky
Inter a Intra-molekulové síly
Mechanické vlastnosti vzorků
Molekulární a buněčný pohyb
pulsace kardiomyocytů
Konformační změny
kanály buněčné membrány
Nosník jako biosenzor?
* detektor kontaminace ve vodě a ovzduší
* detektor specifických biomolekul
* detekce biochemických metabolitů
*„umělý nos“– studium chutí a vůní
Kontaktní nebo poklepový mód?
živé endoteliální buňky
Redukce dentinové hypersenzitivity
po expozici laserem
dentin, sken 80 µmdentin, sken 80 µm
Částečná okluze vstupu dentinových tubulů sníží
hypersensitivitu zubu a permeabilitu tubulů
Perspektiva: terapie dentinové hypersensitivity
modifikací dentinového povrchu laserem
Průměr ústí dentinových
tubulů 3 – 4 µm
Analýza povrchu kontaktních čoček
sken 20 µm
sken 10 µm
Zobrazení nukleových kyselin
Některé metodiky uchycení NA k slídě
•Povrch slídy předběžně upraven kadmiumarachidátem
či OTS a potažen LB filmem
(Weisenhorn, Egger, Hansma 91)
•Povrch slídy neupraven (Li, Hansma, Vesenka, 92) –
pozorování vysušených adsorbovaných NA, případně
v ethanolu , n-propanolu (avšak po předchozím
vysušení).
•Povrch slídy ošetřený octanem hořečnatým 33mM.
(Vesenka, Hansma 1992)
•Povrch slídy upraven
3-aminopropyltriethoxyslianem (APTES)
(Y. L. Lyubchenko 92)
•Povrch slídy upraven NiCl2
(M. Bezanilla 94)
•Povrch slídy ošetřený by spermine (Okada 98)
lipidové dvojvrstvy, které vážou DNA skrz interakce
mezi fosfátovými skupinami NA a pozitivně nabitými
lipidy (Mou 95)
Kalibrace AFM a analytické možnosti
kalibrační mřížka (100 × 100 µm²)
nanočástice Fe2O3 (40–100 nm)
kontaktní režimkontaktní režim
nekontaktní režimnekontaktní režim
AFM studium optických povrchů
Leštěný povrch optického skla
(80 × 80 µm)
Tenká vrstva (80 nm)
(100 × 100 µm)
AFM studium povrchů kovů a polovodičů
(50 × 50 µm)Struktura IO
Laserové povlakování
Korekce chyb při skenování
Softwarová korekce (méně přesná) spočívá např.
v přeměření testovacího vzorku a určení korekční matice,
která se použije k opravě naměřených dat.
Druhým způsobem softwarové korekce může být
matematické modelování chování skeneru.
(Softwarové korekce jsou nenáročné finančně i přístrojově, ale korekce je
správná jen pro ten režim měření, při němž byla korekce stanovena).
Hardwarové korekce jsou založeny na snímání skutečné
polohy skeneru pomocí vnějšího nezávislého zařízení:
optické – na skener je připevněn (odražeč) a jeho poloha
je snímána světelným paprskem;
kapacitní – na skeneru je nanesena kovová vrstva a
poblíž je další pevná, měří se změna kapacity;
piezorezistivní – ke skeneru je připevněn element, jehož
elektrický odpor se mění v závislosti na jeho vnitřním
mechanickém napětí.
Artefakty na testovací mřížce
Nelinearitou deformovaný tvar mřížky (po delší
době nepoužívání testovacího vzoku)
Stejná mřížka, stejný hrot po
několika hodinách provozu skeneru
Silné zněčištění, případně
deformace hrotu, zabraňuje
prokreslení detailů mřížky
Uvolnění uchycené nečistoty na hrotu, která mění jeho
koncový poloměr. (Výškový rozdíl v obraze 60 nm)
Artefakty na nanočásticích
Zrcadlení hrotu, konvoluce
Každý bod v obraze nepředstavuje pouze
tvar povrchu, ale je určen prostorovou
konvolucí povrchu vzorku a hrotu.
Při zobrazení povrchu, který obsahuje
ostré hroty, jejichž šířka je menší než šířka
hrotu, dojde k „výměně“ funkcí (vzorek)
vzorek bude snímat hrot. V obraze se tedy
neobjeví povrch vzorku, ale povrch hrotu.
Tvar hrotu
Na kvalitě zobrazení se může podepsat
i nesymetrie hrotu, která vytváří zkreslený
obraz, závislý na směru skenování. Může
se projevit zdvojením (dvě špičky na konci
hrotu nebo prodloužením objektů
v jednom směru (elipsovitý hrot)
Artefakt interference
Je-li k detekci ohnutí nosníku použito
optické záření, je nutno vzít do úvahy
i odrazivost vzorku. Je-li hodně lesklý,
může se světlo od něj odrážet
do detektoru, který bude přesvícen a
ztratí schopnost udržovat zpětnou vazbu.
Projevit se může také interference
vznikající mezi vzorkem a další odrážející
částí, která se projeví vznikem proužků
v obraze (tmavá a světlá místa
z interferenčního obrazce ovlivňují
množství světla dopadajícího do detektoru,
který to chybně interpretuje jako signál
z nosníku (obrázek vpravo).
obrázek povrchu skla se šikmými
interferenčními proužky
Artefakty při zpracování obrazů
Naskenovaný povrch
nakloněného vzorku CD
Odečtením roviny
získáme správný
povrch
Odečtením řádků
získáme rovný, ale
nesmyslný obraz
Mapa laterálních sil na mřížce, která na pohled přesně
zobrazuje mřížku, ale do povrchu zapadají jednotlivé čtverečky.
Nabízí se tedy interpretace, že materiál čtverečku vykazuje jiné
třecí vlastnosti než substrát. Jedná se o artefakt.
Do laterálních sil se promítá i topografie, tj. změna sklonu, a to
je jeden z jejích projevů. Jak ukazuje profil, v obraze se žádné
čtverce nevyskytují a jsou vidět pouze hrany čtverců. Plné
čtverečky jsou tedy jen optický klam.
http://atmilab.upol.cz