Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)

Tương tác điện từ mạnh hơn gấp 40 lần tương tác hấp dẫnTương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động dipole điện của nguyên tử và phân cực lẫn nhau.. Lực

Atomic Force Microscopy

Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)

Tương tác điện từ mạnh hơn gấp 40 lần tương tác hấp dẫn

Tương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động dipole điện của nguyên

tử và phân cực lẫn nhau Chúng tồn tại giữa các loại phân tử và nguyên tử và hiệu quả ở khoảng cách vài Å đến vài trăm Å Lực giữa các nguyên tử ≈ r -7 , giữa hai mặt ≈ r -3 , giữa một hình cầu và một mặt phẳng ≈ r -2

Lực hoá học: liên kết ion, cộng hoá trị, kim loại (bị hút ở khoảng cách ngắn cỡ vài Å)

Số nguyên tử của tip bị ảnh hưởng bởi phép đo, phụ thuộc bản chất của tương tác

Mội trường phải được chú ý(khí, lỏng, rắn) Hằng số điện môi và lực vander walls bị ảnh hưởng bởi môi trường

Quét là quá trình động học chẳng hạn như lực ma sát

Mẫu không phải tinh thể rắn, biến dạng tĩnh điện hay phục hồi nguyên tử?

Liên kết giữa tip và mẫu có thể dẫn đến sự sắp xếp lại tip và nguyên tử mẫu

Atomic Force Microscopy

Energy between charge pairs

• Tương tác ion-ion E=(Z1e)(Z2e)/4πεo x

• ion- dipole vĩnh cửu:

E=(Ze)µcosθ/4πεo x2

• Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu:

E=(constant)µ1µ2/4πεo x3

• Tương tácVan der waals:

• Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng E=(α1µ21+α2µ22)/4πεo x6

• Thế tương tác toàn phần, E=ζ x -12 – βx -6

• Hấp dẫn giữa các hạt dạng hình cầu được giả sử là tổng của những nguyên tử, phân tử riêng.

• dE = -0.5 ρ 2 β/x 6 dV1 dV2 (ρ: số nguyên tử trong một đơn vị thể tích)

• Hai quả cầu xác định, (R>> x) E=-AR/12x

• Bán kính khác nhau, R1 and R2  E=-AR1R2 /6x(R1 + R2)

• Hai bề mặt, E=-A/(12 πx 2 )

• Trong tất cả các trường hợp, A= ρ 2 π 2 β được gọi là “hằng số Hamker”

• Hai cơ chế dịch chuyển, cái đầu tiên là

cho thấy địa hình

• Cái thứ hai cho thấy, lực biến thiên

giữ không đối tương ứng với độ cao nhận được trước đó,

• Dò lực tĩng điện theo vị trí

Atomic Force Microscopy

Khi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong), chùm laser lệch khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip được đánh dấu.

Laser

động lên xuống vẽ số đường quét của mẫu.

Lực trên tip AFM tip là đều (giống lò xo): tip được dịch chuyển hướng đến bề mặt khoảng cách (Z) tỉ lệ với lực van der Waals

Z

cantilever trên tip

(van der Waals)

Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu ichỉ ra rằng

cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt

1 Dạng tiếp xúc— tip được kéo dọc theo bề mặt mẫu; độ lệch

cantilever được đo và và chuyển thành dạng bề mặt Chú ý: dạng này có thể làm hư hại bề mặt

2 Dạng không tiếp xúc—cantilever dao động trên bề mặt mẫu và bị

ảnh hưởng bởi lực bề mặt và tip (van der Waals)

3 Dạng Tapping — tip AFM tiếp xúc gián đoạn trên bề mặt mẫu

trong suốt những điểm tiếp xúc gần nhất của chu trình dao động

AFM có thể hoạt động theo ba cách khác nhau:

Atomic Force Microscopy

Dạng tiếp xúc nhận thông tin về bề mặt từ tiếp xúc trực tiếp, nhưng dạng tiếp xúc gián đoạn hay rời rạc hoạt động như thế nào?

IBM photo of an AFM cantilever & tip

Giống trọng lực tác dụng lên chúng ta, bề

mặt không cần tiếp xúc với tip AFM để tác

dụng lực trên nó Lực van der Waals gây

ra tần số dao động của cantilever/tip thay

F z

o o

Atomic Force Microscopy

Atomic Force Microscopy Scanning Probe Microscopy Local Probes

Atomic Force Microscopy

Closed-loop XY Scanning stage

Fluid imaging Untraditional sample size

Tip Scanning AFM

Typical scanner piezo tube and X-Y-Z electrical configurations.

AC signals applied to conductive areas of the tube create piezo movement along the three major axes.

Atomic Force Microscopy

Voltages applied to the X- and axes produce a raster scan

Y-pattern Any angle may be designated

as the “fast axis” using the Scan Angle parameter.

Atomic Force Microscopy

Veeco Multimode, Nanoscope III

Atomic Force Microscopy

Cantilevers sizes range:

from 100 to 200µm in length (l),

10 to 40 µm in width (w), and 0.3 to 2µm in thickness (t)

Integrated cantilevers can be made from silicon or silicon

nitride More than 1,000 tips can be made on a single Si

wafer V-shaped cantilevers are the most popular because

they provide low mechanical resistance to vertical deflection and high resistance to lateral torsion

An SEM image of bar-shaped AFM

cantilevers and tips

Định luật Hooke kết nối những lực áp vào với độ lệch cantilever

Tần số cộng hưởng của hệ spring-mass là

Độ nhạy của dụng cụ được giới hạn bởi dao động nhiệt của cantilever Chúng ta áp dụng lý thuyết phân bố đều (E ~kBT đối với mỗi bậc tự do)

Atomic Force Microscopy

Zoom in the apex of a tip

Lực tỉ lệ với diện tích tiếp xúc(nghĩa là diện tích bao gồm tổng tất

cả những vị trí tiếp xúc với kính hiển vi)

Lực đưa vào tăng dẫn đến số tiếp xúc vĩ mô tăng và do đó dẫn đến

diện tích tiếp xúc tổng tăng tỉ lệ:

Kết hợp hai phương trình trên chúng ta suy ra định luật Amonton,

mà trình bày rằng ma sát tỉ lệ với lực áp vào và độc lập với diện

tích tiếp giáp giữa hai vật tiếp xúc nhau Hằng số tỉ lệ µ mà là đặc

trưng của vật liệu liên quan.

Macroscopic Theory of Friction

Độ phân giải ngang được xác định bởi:

1 Kích thước bậc thang của hình ảnh

2 Bán kính cực đại của Tip

Tip đăc trưng – R ~ 5nm cho độ phân giải ngang cỡ ~2nm Tuy nhiên, tips với ống nano trụ với

R ~ 1nm đang được phát triển cho độ phân giải ngang cỡ ~0.05nm

Xem vùng quét ảnh 1µm x 1µm lấy số điểm dữ liệu 512x512 vùng quét như thế có kích thước bậc thang (và độ phân giải ngang) cỡ 1µm/512 ~2nm.

Độ phân giải ngang

Atomic Force Microscopy

Influence of tip geometry in imaging surface features

Atomic Force Microscopy

Tip artefacts at the atomic scale

Atomic Force Microscopy

Đồ thị khoảng cách thay đổi theo lực

0 500

1000

retract approach

0 500

1000

retract approach

H Haschke, M J Miles, V Koutsos

PAM stretching: Fd curves

Polymer Molecule Extension Laws:

•Freely Jointed Chain (FJC):

a : statistical segment length

z : chain end-to-end separation distance

N : number of chain segments

ADHESION AND DEFORMATION OF LATEX PARTICLES

Basic AFM Imaging Modes

Contact mode AFM (1986)

• Lực vuông góc nhỏ, nhưng cái dò kéo qua bề mặt

gây ra lực ngang

• mẫu mềm liên kết yếu di chuyển dễ dàng

• ảnh không rõ

AC Mode AFM (1993)

• Kiểu tiếp xúc gián đoạn (tapping mode)

• bề mặt mềm được tăng cứng bởi đáp ứng lưu chất

• Lực theo phương đứng trội, vì thế lực theo

phương đứng lớn còn lực theo phương ngang nhỏ.

•Hình ảnh rõ

F

F

Atomic Force Microscopy

Basic Amplitude v.s Distance of AC Mode

z

d

Approach

Schematic of AC mode AFM

Probe is oscillated at resonance frequency

Change in amplitude provides topography

Lag in phase related

Atomic Force Microscopy

– Drive cantilever directly with magnetic field – Provide precise control of the cantilever

movement– Small oscillation amplitude and force– Works best in liquid

MAC Mode

Sample Plate with Liquid Cell

• Modular, symmetric plate design accommodates large sample size

• Outstanding thermal stability facilitates temperature-dependent experiments

• Self-contained cell assembly provides easy sample loading and exchange

• Leak-proof cell design prevents damage to samples and instrumentation

• Flow-through cell capability lets researchers monitor real-time changes while exchanging solutions

Atomic Force Microscopy

Temperature Control System

• Temperature control

- Thermal compensation

- Fast settling time

- Precise, accurate, and stable

- No need to cool scanner while heating up to 250C

Bottom-up: Building or designing larger, more complex, objects

by integration of smaller parts/building blocks or components

Nanotechnology seeks to use individual atoms and molecules as

those building blocks (Molecular manufacturing)

Compare this to

Top-down: Moulding, carving and fabricating small materials

and components by using larger objects such as our hands, tools

and lasers, respectively (e.g photolithographic approaches to

making silicon chips.)

Atomic Force Microscopy

Method 1: Mechanosynthesis or Positional assembly:

Adding positional control to chemical synthesis

http://www.zyvex.com/nanotech/CDAarticle.html

Method 2: Self-assembly

A method of integration in which the components

spontaneously assemble, typically by bouncing around in a

solution or gas phase until a stable structure of minimum energy is reached

This is a combination ofMechanosynthesis and Self-assembly