Атомно-силовая микроскопия

Тип микроскопии

АСМ генерирует изображения путем сканирования небольшого кантилевера по поверхности образца. Острый кончик кантилевера контактирует с поверхностью, изгибая кантилевер и изменяя количество лазерного света, отражающегося на фотодиод. Затем высоту кантилевера корректируют для восстановления ответного сигнала, в результате чего измеренная высота кантилевера повторяет поверхность.

Атомно-силовая микроскопия ( АСМ ) или сканирующая силовая микроскопия ( СФМ ) — это тип сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) с очень высоким разрешением , с продемонстрированным разрешением порядка долей нанометра , что более чем в 1000 раз лучше, чем оптическая дифракция . предел .

Обзор

Атомно-силовой микроскоп слева и управляющий компьютер справа.

Атомно-силовая микроскопия ^[1] (АСМ) представляет собой тип сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) с разрешением порядка долей нанометра , что более чем в 1000 раз лучше, чем предел оптической дифракции . Информация собирается путем «ощупывания» или «касания» поверхности механическим зондом. Пьезоэлектрические элементы, которые обеспечивают крошечные, но точные и точные движения по (электронной) команде, обеспечивают точное сканирование. Несмотря на название, атомно-силовой микроскоп не использует ядерную силу .

Способности

Атомно-силовой микроскоп

АСМ обладает тремя основными возможностями: измерение силы, топографическая визуализация и манипулирование.

При измерении силы АСМ можно использовать для измерения сил между зондом и образцом в зависимости от их взаимного разделения. Это можно применить для проведения силовой спектроскопии , для измерения механических свойств образца, таких как модуль Юнга образца , мера жесткости.

Для визуализации реакция зонда на силы, которые на него воздействует образец, может быть использована для формирования изображения трехмерной формы (топографии) поверхности образца с высоким разрешением. Это достигается путем растрового сканирования положения образца относительно зонда и регистрации высоты зонда, которая соответствует постоянному взаимодействию зонда с образцом (подробнее см. § Топографическое изображение). Топография поверхности обычно отображается в виде псевдоцветного графика.

Хотя в первоначальной публикации Биннига, Квейта и Гербера об атомно-силовой микроскопии в 1986 году высказывались предположения о возможности достижения атомного разрешения, необходимо было преодолеть серьезные экспериментальные проблемы, прежде чем в 1993 году было продемонстрировано атомное разрешение дефектов и ступенчатых краев в окружающих (жидких) условиях. Онезорге и Бинниг. ^[2] Истинное атомное разрешение поверхности кремния 7x7 — атомные изображения этой поверхности, полученные с помощью СТМ, убедили научное сообщество в впечатляющем пространственном разрешении сканирующей туннельной микроскопии — пришлось подождать немного дольше, прежде чем это было показано Гиссиблем. ^[3]

При манипуляциях силы между наконечником и образцом также можно использовать для контролируемого изменения свойств образца. Примеры этого включают атомные манипуляции, литографию сканирующими зондами и локальную стимуляцию клеток.

Одновременно с получением топографических изображений другие свойства образца могут быть измерены локально и отображены в виде изображения, часто с таким же высоким разрешением. Примерами таких свойств являются механические свойства, такие как жесткость или прочность сцепления, и электрические свойства, такие как проводимость или поверхностный потенциал. ^[4] Фактически, большинство методов СЗМ являются расширениями АСМ, использующими эту модальность. ^[5]

Другие технологии микроскопии

Основное различие между атомно-силовой микроскопией и конкурирующими технологиями, такими как оптическая микроскопия и электронная микроскопия, заключается в том, что в АСМ не используются линзы или лучевое облучение. Следовательно, он не страдает ограничением пространственного разрешения из-за дифракции и аберрации, а подготовка пространства для направления луча (путем создания вакуума) и окрашивание образца не требуются.

Существует несколько типов сканирующей микроскопии, включая сканирующую зондовую микроскопию (которая включает в себя АСМ, сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (SNOM/NSOM), STED-микроскопию (STED), а также сканирующую электронную микроскопию и электрохимическую АСМ , EC. -АФМ). Хотя SNOM и STED используют видимый , инфракрасный или даже терагерцовый свет для освещения образца, их разрешение не ограничивается дифракционным пределом.

Конфигурация

На рис. 3 показан АСМ, который обычно состоит из следующих функций. ^[6] Числа в скобках соответствуют нумерованным объектам на рис. 3. Направления координат определяются системой координат (0).

Рис. 3: Типичная конфигурация АСМ.
(1) : Консоль, (2) : Опора кантилевера, (3) : Пьезоэлектрический элемент (для колебаний кантилевера на его собственной частоте), (4) : Наконечник (фиксируется на открытом конце кантилевера, действует как зонд), (5) : Детектор отклонения и движения кантилевера, (6) : Образец, измеряемый с помощью АСМ, (7) : привод xyz (перемещает образец (6) и столик (8) в направлениях x, y и z относительно вершины кончика (4)), и (8) : Стадия.

Небольшая пружинная консоль (1) поддерживается опорой (2). Необязательно, пьезоэлектрический элемент (обычно изготовленный из керамического материала) (3) приводит в движение кантилевер (1). Острый наконечник (4) закреплен на свободном конце кантилевера (1). Детектор (5) фиксирует отклонение и движение кантилевера (1). Образец (6) устанавливается на предметный столик (8). Привод xyz (7) позволяет перемещать образец (6) и предметный столик (8) в направлениях x, y и z относительно вершины наконечника (4). Хотя на рис. 3 показан привод, прикрепленный к образцу, привод может быть прикреплен и к игле, либо к обоим могут быть присоединены независимые приводы, поскольку необходимо контролировать относительное смещение образца и иглы. Контроллеры и плоттер на рис. 3 не показаны.

В соответствии с описанной выше конфигурацией взаимодействие между зондом и образцом, которое может быть явлением атомного масштаба, преобразуется в изменения движения кантилевера, что является явлением макромасштаба. Для количественной оценки взаимодействия между зондом и образцом можно использовать несколько различных аспектов движения кантилевера, чаще всего величину отклонения, амплитуду вынужденного колебания кантилевера или сдвиг резонансной частоты кантилевера (см. раздел Режимы изображения).

Детектор

Детектор (5) АСМ измеряет отклонение (смещение относительно положения равновесия) кантилевера и преобразует его в электрический сигнал. Интенсивность этого сигнала будет пропорциональна смещению кантилевера.

Могут использоваться различные методы обнаружения, например, интерферометрия, оптические рычаги, пьезоэлектрический метод и детекторы на основе СТМ (см. раздел «Измерение отклонения кантилевера АСМ»).

Формирование имиджа

Этот раздел относится конкретно к визуализации в § контактном режиме. Для других режимов визуализации процесс аналогичен, за исключением того, что «отклонение» следует заменить соответствующей переменной обратной связи.

При использовании АСМ для изображения образца наконечник соприкасается с образцом, и образец растрово сканируется по сетке x-y (рис. 4). Чаще всего для поддержания постоянного усилия зонд-образец во время сканирования используется электронная петля обратной связи. Эта петля обратной связи имеет на входе отклонение кантилевера, а ее выход управляет расстоянием по оси z между опорой зонда (2 на рис. 3) и опорой образца (8 на рис. 3). Пока наконечник остается в контакте с образцом и образец сканируется в плоскости x–y, изменения высоты образца будут изменять отклонение кантилевера. Затем обратная связь регулирует высоту опоры датчика так, чтобы отклонение восстановилось до заданного пользователем значения (заданного значения). Правильно настроенная петля обратной связи непрерывно регулирует расстояние между опорой и образцом во время сканирующего движения, так что отклонение остается примерно постоянным. В этой ситуации выходной сигнал обратной связи соответствует топографии поверхности образца с точностью до небольшой ошибки.

Исторически использовался другой метод работы, при котором расстояние между опорой пробы и зонда поддерживается постоянным и не контролируется обратной связью ( сервомеханизм ). В этом режиме, обычно называемом «режимом постоянной высоты», отклонение кантилевера регистрируется как функция положения образца x–y. Пока наконечник находится в контакте с образцом, отклонение соответствует топографии поверхности. В настоящее время этот метод используется реже, поскольку силы между зондом и образцом не контролируются, что может привести к тому, что силы будут достаточно высокими, чтобы повредить зонд или образец. ^{[ нужна цитация ]} Однако обычной практикой является запись отклонения даже при сканировании в «режиме постоянной силы» с обратной связью. Это выявляет небольшую ошибку отслеживания обратной связи и иногда может выявить особенности, которые обратная связь не смогла скорректировать.

Сигналы АСМ, такие как высота образца или отклонение кантилевера, записываются на компьютер во время сканирования x-y. Они отображаются в псевдоцветном изображении, в котором каждый пиксель представляет положение x–y на образце, а цвет представляет записанный сигнал.

Рис. 5: Формирование топографического изображения с помощью АСМ.
(1) : Вершина наконечника, (2) : Поверхность образца, (3) : Z-орбита вершины наконечника, (4) : Кантилевер.

История

АСМ был изобретен учеными IBM в 1985 году. ^[7] Предшественник АСМ, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), был разработан Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в начале 1980-х годов в исследовательском центре IBM в Цюрихе . Эта разработка принесла им Нобелевская премия по физике 1986 года . Бинниг изобрел ^[6] атомно-силовой микроскоп, и первая экспериментальная реализация была осуществлена ​​Биннигом, Квейтом и Гербером в 1986 году ^{. [8]}

Первый коммерчески доступный атомно-силовой микроскоп был представлен в 1989 году. АСМ является одним из передовых инструментов для визуализации, измерения и манипулирования веществом на наноуровне .

Приложения

АСМ применяется для решения задач в широком спектре дисциплин естественных наук, включая физику твердого тела , науку и технологию полупроводников , молекулярную инженерию , химию и физику полимеров , химию поверхности , молекулярную биологию , клеточную биологию и медицину .

Приложения в области физики твердого тела включают (а) идентификацию атомов на поверхности, (б) оценку взаимодействий между конкретным атомом и соседними с ним атомами и (в) исследование изменений физических свойств, возникающих в результате изменений в атомной структуре посредством атомных манипуляций.

В молекулярной биологии АСМ можно использовать для изучения структуры и механических свойств белковых комплексов и агрегатов. Например, АСМ использовался для визуализации микротрубочек и измерения их жесткости.

В клеточной биологии АСМ можно использовать, чтобы попытаться отличить раковые клетки от нормальных клеток на основе твердости клеток, а также для оценки взаимодействия между конкретной клеткой и соседними с ней клетками в конкурентной культуральной системе. АСМ также можно использовать для исследования клеток, чтобы изучить, как они регулируют жесткость или форму клеточной мембраны или стенки.

В некоторых вариантах электрические потенциалы также можно сканировать с помощью проводящих кантилеверов . В более продвинутых версиях через наконечник можно пропускать токи , чтобы исследовать электропроводность или транспортировку подстилающей поверхности, но это сложная задача, и лишь немногие исследовательские группы сообщают последовательные данные (по состоянию на 2004 год). ^[9]

Принципы

АСМ состоит из кантилевера с острым наконечником (зондом) на конце, который используется для сканирования поверхности образца. Кантилевер обычно представляет собой кремний или нитрид кремния с радиусом кривизны кончика порядка нанометров. Когда игла приближается к поверхности образца, силы между иглой и образцом приводят к отклонению кантилевера в соответствии с законом Гука . ^[10] В зависимости от ситуации силы, измеряемые с помощью АСМ, включают механическую контактную силу, силы Ван-дер-Ваальса , капиллярные силы , химическую связь , электростатические силы , магнитные силы (см. магнитно-силовой микроскоп , МСМ), силы Казимира , силы сольватации , и т. д. Наряду с силой одновременно могут быть измерены и дополнительные величины за счет использования специализированных типов зондов (см. сканирующая термическая микроскопия , сканирующая джоулевая микроскопия , фототермическая микроспектроскопия и др.).

Топографическое сканирование поверхности стекла атомно-силовым микроскопом. Можно наблюдать микро- и наноразмеры стекла, отражающие шероховатость материала. Пространство изображения (x,y,z) = (20 мкм × 20 мкм × 420 нм).

AFM может работать в нескольких режимах, в зависимости от применения. В общем, возможные режимы визуализации делятся на статические (также называемые контактными ) режимы и различные динамические (бесконтактные или «постукивающие») режимы, в которых кантилевер вибрирует или колеблется с заданной частотой. ^[8]

Режимы визуализации

Работу АСМ обычно описывают как один из трех режимов в зависимости от характера движения зонда: контактный режим, также называемый статическим режимом (в отличие от двух других режимов, которые называются динамическими режимами); режим постукивания, также называемый прерывистым контактом, режимом переменного тока или режимом вибрации, или, после механизма обнаружения, АСМ с амплитудной модуляцией; и бесконтактный режим, или, опять же после механизма обнаружения, АСМ с частотной модуляцией.

Несмотря на номенклатуру, отталкивающий контакт может возникнуть или избежать его как при АСМ с амплитудной модуляцией, так и при АСМ с частотной модуляцией, в зависимости от настроек. ^{[ нужна цитата ]}

Контактный режим

В контактном режиме игла «протаскивается» по поверхности образца, и контуры поверхности измеряются либо с использованием непосредственного отклонения кантилевера, либо, что чаще, с использованием сигнала обратной связи, необходимого для удержания кантилевера в постоянном положении. . Поскольку измерение статического сигнала подвержено шуму и дрейфу, используются кантилеверы низкой жесткости (т. е. кантилеверы с низкой жесткостью пружины k) для достижения достаточно большого сигнала отклонения при сохранении низкой силы взаимодействия. Вблизи поверхности образца силы притяжения могут быть довольно сильными, заставляя наконечник «защелкиваться» на поверхности. Таким образом, АСМ в контактном режиме почти всегда выполняется на глубине, где общая сила отталкивания, то есть при прочном «контакте» с твердой поверхностью.

Режим нажатия

Одиночные полимерные цепи (толщиной 0,4 нм), записанные в постукивающем режиме в водных средах с различным pH. ^[11]

В условиях окружающей среды у большинства образцов образуется жидкий менисковый слой. По этой причине удержание кончика зонда достаточно близко к образцу, чтобы можно было обнаружить силы ближнего действия, и в то же время предотвращение прилипания наконечника к поверхности представляет собой серьезную проблему для контактного режима в условиях окружающей среды. Режим динамического контакта (также называемый прерывистым контактом, режимом переменного тока или режимом постукивания) был разработан для решения этой проблемы. ^[12] В настоящее время режим постукивания является наиболее часто используемым режимом АСМ при работе в условиях окружающей среды или в жидкостях.

В режиме постукивания кантилевер совершает колебания вверх и вниз на своей резонансной частоте или около нее. Это колебание обычно достигается с помощью небольшого пьезоэлемента в держателе кантилевера, но другие возможности включают магнитное поле переменного тока (с магнитными кантилеверами), пьезоэлектрические кантилеверы или периодический нагрев модулированным лазерным лучом. Амплитуда этого колебания обычно варьируется от нескольких нм до 200 нм. В режиме постукивания частота и амплитуда управляющего сигнала остаются постоянными, что приводит к постоянной амплитуде колебаний кантилевера до тех пор, пока нет дрейфа или взаимодействия с поверхностью. Взаимодействие сил, действующих на кантилевер при приближении зонда к поверхности, силы Ван-дер-Ваальса , диполь-дипольные взаимодействия , электростатические силы и т. д. вызывают изменение (обычно уменьшение) амплитуды колебаний кантилевера по мере приближения зонда. к образцу. Эта амплитуда используется в качестве параметра, который поступает в электронный сервопривод , контролирующий высоту кантилевера над образцом. Сервопривод регулирует высоту для поддержания заданной амплитуды колебаний кантилевера при сканировании кантилевера по образцу. Таким образом, изображение постукивания АСМ создается путем визуализации силы прерывистого контакта наконечника с поверхностью образца. ^[13]

Хотя пиковые силы, приложенные во время контактной части колебаний, могут быть намного выше, чем обычно используемые в контактном режиме, режим постукивания обычно уменьшает повреждение поверхности и наконечника по сравнению с тем, что происходит в контактном режиме. Это можно объяснить кратковременностью приложенной силы, а также тем, что боковые силы между наконечником и образцом значительно ниже в режиме постукивания по сравнению с контактным режимом. Визуализация в режиме постукивания достаточно щадящая даже для визуализации нанесенных липидных бислоев или адсорбированных одиночных полимерных молекул (например, цепей синтетических полиэлектролитов толщиной 0,4 нм ) в жидкой среде. При правильных параметрах сканирования конформация одиночных молекул может оставаться неизменной в течение нескольких часов ^[11] , и даже одиночные молекулярные моторы можно визуализировать во время движения.

При работе в режиме постукивания также можно записать фазу колебаний кантилевера относительно управляющего сигнала. Этот сигнальный канал содержит информацию об энергии, рассеиваемой кантилевером в каждом цикле колебаний. Образцы, содержащие области различной жесткости или с разными адгезионными свойствами, могут давать в этом канале контраст, невидимый на топографическом изображении. Однако количественное извлечение свойств материала образца из фазовых изображений часто невозможно.

Бесконтактный режим

В режиме бесконтактной атомно-силовой микроскопии кончик кантилевера не контактирует с поверхностью образца. Вместо этого кантилевер колеблется либо на своей резонансной частоте (частотная модуляция), либо чуть выше (амплитудная модуляция), где амплитуда колебаний обычно составляет от нескольких нанометров (<10 нм) до нескольких пикометров. ^[14] Силы Ван-дер-Ваальса , которые наиболее сильны на расстоянии от 1 до 10 нм над поверхностью, или любая другая дальнодействующая сила, действующая над поверхностью, действует на уменьшение резонансной частоты кантилевера. Это уменьшение резонансной частоты в сочетании с системой обратной связи поддерживает постоянную амплитуду или частоту колебаний за счет регулирования среднего расстояния между зондом и образцом. Измерение расстояния между зондом и образцом в каждой точке данных (x,y) позволяет программе сканирования построить топографическое изображение поверхности образца.

Бесконтактный режим АСМ не подвержен эффектам деградации наконечника или образца, которые иногда наблюдаются после многочисленных сканирований контактным АСМ. Это делает бесконтактную АСМ предпочтительнее контактной АСМ для измерения мягких образцов, например биологических образцов и тонких органических пленок. В случае жестких образцов контактные и бесконтактные изображения могут выглядеть одинаково. Однако если на поверхности жесткого образца лежит несколько монослоев адсорбированной жидкости, изображения могут выглядеть совершенно иначе. АСМ, работающий в контактном режиме, проникает в слой жидкости, чтобы получить изображение нижележащей поверхности, тогда как в бесконтактном режиме АСМ будет колебаться над слоем адсорбированной жидкости, чтобы получить изображение как жидкости, так и поверхности.

Схемы работы в динамическом режиме включают частотную модуляцию , при которой для отслеживания резонансной частоты кантилевера используется контур фазовой автоподстройки частоты, а также более распространенную амплитудную модуляцию с использованием сервоконтура для поддержания возбуждения кантилевера на определенной амплитуде. При частотной модуляции изменения частоты колебаний предоставляют информацию о взаимодействии зонда с образцом. Частоту можно измерять с очень высокой чувствительностью, поэтому режим частотной модуляции позволяет использовать очень жесткие кантилеверы. Жесткие кантилеверы обеспечивают стабильность очень близко к поверхности, и в результате этот метод стал первым методом АСМ, обеспечивающим истинное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума . ^[15]

При амплитудной модуляции изменения амплитуды или фазы колебаний обеспечивают сигнал обратной связи для визуализации. При амплитудной модуляции изменения фазы колебаний можно использовать для различения различных типов материалов на поверхности. Амплитудная модуляция может работать как в бесконтактном, так и в прерывистом контактном режиме. В режиме динамического контакта кантилевер колеблется так, что расстояние между кончиком кантилевера и поверхностью образца модулируется.

Амплитудная модуляция также использовалась в бесконтактном режиме для получения изображений с атомным разрешением с использованием очень жестких кантилеверов и малых амплитуд в среде сверхвысокого вакуума.

Топографическое изображение

Формирование изображения — это метод построения графиков, который создает цветовое отображение путем изменения положения зонда x–y во время сканирования и записи измеряемой переменной, то есть интенсивности управляющего сигнала, для каждой координаты x–y. Цветовое отображение показывает измеренное значение, соответствующее каждой координате. Изображение выражает интенсивность значения в виде оттенка. Обычно соответствие интенсивности значения и оттенка отображается в виде цветовой шкалы в пояснительных примечаниях к изображению.

Режимы работы формирования изображения АСМ обычно делятся на две группы с точки зрения того, использует ли он петлю z-обратной связи (не показана) для поддержания расстояния зонд-образец для сохранения интенсивности сигнала, экспортируемого детектором. Первый (с использованием цикла z-обратной связи), который называется « режимом постоянного XX » ( XX — это то, что поддерживается циклом z-обратной связи).

Режим формирования топографического изображения основан на вышеупомянутом «режиме постоянного XX », петля z-обратной связи контролирует относительное расстояние между датчиком и образцом посредством выдачи управляющих сигналов для поддержания постоянной частоты, вибрации и фазы, что обычно соответствует движению кантилевера. (например, на Z-пьезоэлектрический элемент подается напряжение, и он перемещает образец вверх и вниз в направлении Z.

Топографическое изображение ФМ-АСМ

Когда расстояние между зондом и образцом доводится до диапазона, в котором может быть обнаружена атомная сила, в то время как кантилевер возбуждается на своей собственной собственной частоте ( f 0 ₎ , резонансная частота f кантилевера может сместиться от его исходной резонансной частоты. Другими словами, в диапазоне, где может быть обнаружена атомная сила, также будет наблюдаться сдвиг частоты ( df  = f – f _{0 ).} Когда расстояние между зондом и образцом находится в бесконтактной области, сдвиг частоты увеличивается в отрицательном направлении по мере уменьшения расстояния между зондом и образцом.

Когда образец имеет вогнутость и выпуклость, расстояние между вершиной зонда и образцом изменяется в соответствии с вогнутостью и выпуклостью, сопровождаясь сканированием образца в направлении x–y (без регулирования высоты в направлении z). В результате возникает сдвиг частоты. Изображение, на котором значения частоты, полученные при растровом сканировании вдоль направления x–y поверхности образца, отложены в зависимости от координаты x–y каждой точки измерения, называется изображением постоянной высоты.

С другой стороны, df можно поддерживать постоянным, перемещая датчик вверх и вниз (см. (3) на фиг.5) в направлении z, используя отрицательную обратную связь (с помощью петли обратной связи по z), в то время как растровое сканирование поверхность образца в направлении x–y. Изображение, на котором величина отрицательной обратной связи (расстояние перемещения зонда вверх и вниз в направлении z) отображается в зависимости от координации x–y каждой точки измерения, является топографическим изображением. Другими словами, топографическое изображение представляет собой след кончика зонда, отрегулированного так, чтобы df была постоянной, и его также можно рассматривать как участок поверхности df постоянной высоты.

Таким образом, топографическое изображение АСМ — это не сама точная морфология поверхности, а фактически изображение, на которое влияет порядок связи между зондом и образцом, однако считается, что топографическое изображение АСМ отражает географическую форму поверхности. поверхность больше, чем топографическое изображение сканирующего туннельного микроскопа.

Силовая спектроскопия

Помимо визуализации, АСМ можно использовать для силовой спектроскопии — прямого измерения сил взаимодействия зонда с образцом в зависимости от зазора между зондом и образцом. Результат этого измерения называется кривой сила-расстояние. В этом методе наконечник АСМ выдвигается по направлению к поверхности и отводится от нее, поскольку отклонение кантилевера отслеживается как функция пьезоэлектрического смещения. Эти измерения использовались для измерения наноразмерных контактов, атомных связей , сил Ван-дер-Ваальса и сил Казимира , сил растворения в жидкостях, а также сил растяжения и разрыва отдельных молекул. ^[16] АСМ также использовался для измерения в водной среде силы дисперсии, обусловленной полимером, адсорбированным на подложке. ^[17] Силы порядка нескольких пиконьютонов теперь можно регулярно измерять с разрешением по вертикальному расстоянию лучше, чем 0,1 нанометра. Силовая спектроскопия может выполняться как в статическом, так и в динамическом режимах. В динамических режимах помимо статического отклонения отслеживается информация о вибрации кантилевера. ^[18]

Проблемы с этой методикой включают отсутствие прямого измерения разделения зонда и образца и общую потребность в кантилеверах низкой жесткости, которые имеют тенденцию «защелкиваться» на поверхности. Эти проблемы не являются непреодолимыми. Был разработан АСМ, который напрямую измеряет разделение зонда и образца. ^[19] Оснастку можно уменьшить, проводя измерения в жидкостях или используя более жесткие кантилеверы, но в последнем случае необходим более чувствительный датчик отклонения. Применяя небольшое колебание к кончику, можно также измерить жесткость (градиент силы) связи. ^[20]

Биологические применения и другие

Силовая спектроскопия используется в биофизике для измерения механических свойств живого материала (например, ткани или клеток) ^{[21] [22] [23]} или обнаружения структур различной жесткости, скрытых в объеме образца, с помощью томографии жесткости. ^[24] Другое применение заключалось в измерении сил взаимодействия между, с одной стороны, материалом, застрявшим на кончике кантилевера, и с другой стороны поверхностью частиц, свободных или занятых тем же материалом. Из кривой распределения силы сцепления было получено среднее значение сил. Это позволило составить картографию поверхности частиц, покрытых или не покрытых материалом. ^[25] АСМ также использовалась для механического разворачивания белков. ^[26] В таких экспериментах анализ средних сил разворачивания с помощью соответствующей модели ^[27] приводит к получению информации о скорости разворачивания и параметрах профиля свободной энергии белка.

Идентификация отдельных поверхностных атомов

АСМ можно использовать для получения изображений атомов и структур на различных поверхностях и манипулирования ими. Атом на вершине кончика «чувствует» отдельные атомы на подстилающей поверхности, когда он образует зарождающиеся химические связи с каждым атомом. Поскольку эти химические взаимодействия слегка изменяют частоту вибрации насадки, их можно обнаружить и нанести на карту. Этот принцип использовался для различения атомов кремния, олова и свинца на поверхности сплава путем сравнения этих «атомных отпечатков пальцев» со значениями, полученными в результате моделирования теории функционала плотности (DFT). ^[28]

Хитрость заключается в том, чтобы сначала точно измерить эти силы для каждого типа атомов, ожидаемых в образце, а затем сравнить их с силами, полученными с помощью DFT-моделирования. Команда обнаружила, что наконечник наиболее сильно взаимодействовал с атомами кремния и на 24% и 41% менее сильно взаимодействовал с атомами олова и свинца соответственно. Таким образом, каждый тип атома может быть идентифицирован в матрице при перемещении иглы по поверхности.

Зонд

Зонд АСМ имеет острый кончик на свободно качающемся конце кантилевера, который выступает из держателя. ^[29] Размеры кантилевера указаны в микрометрах. Радиус кончика обычно составляет от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. (Существуют специализированные датчики с гораздо большим радиусом концов, например, датчики для вдавливания в мягкие материалы.) Держатель кантилевера, также называемый чипом-держателем, часто размером 1,6 мм на 3,4 мм, позволяет оператору удерживать узел кантилевера/датчика АСМ. пинцетом и вставьте его в соответствующие зажимы-держатели на сканирующей головке атомно-силового микроскопа.

Это устройство чаще всего называют «зондом АСМ», но есть и другие названия: «наконечник АСМ» и « консоль » (в качестве названия всего устройства используется название отдельной детали). Зонд АСМ представляет собой особый тип зонда СЗМ ( сканирующей зондовой микроскопии ).

Датчики AFM производятся с использованием технологии MEMS . Большинство используемых зондов АСМ изготовлены из кремния (Si), но также используются боросиликатное стекло и нитрид кремния . Датчики АСМ считаются расходными материалами, поскольку их часто заменяют, когда кончик наконечника затупляется или загрязняется или когда кантилевер ломается. Они могут стоить от нескольких десятков до сотен долларов за кантилевер для наиболее специализированных комбинаций кантилевера и зонда.

Просто зонд поднесен очень близко к поверхности исследуемого объекта, кантилевер отклоняется за счет взаимодействия зонда с поверхностью, для измерения чего и предназначен АСМ. Пространственную карту взаимодействия можно составить путем измерения отклонения во многих точках двумерной поверхности.

Можно обнаружить несколько типов взаимодействия. В зависимости от исследуемого взаимодействия поверхность кончика зонда АСМ необходимо модифицировать покрытием. Среди используемых покрытий — золото — для ковалентной связи биологических молекул и обнаружения их взаимодействия с поверхностью, ^[30] — алмазное для повышения износостойкости ^[31] и магнитные покрытия — для обнаружения магнитных свойств исследуемой поверхности. ^[32] Существует еще одно решение для получения магнитных изображений с высоким разрешением: оснащение зонда микроСКВИДом . Наконечники АСМ изготавливаются с использованием кремниевой микрообработки, а точное позиционирование петли microSQUID осуществляется с помощью электронно-лучевой литографии. ^[33] Дополнительное прикрепление квантовой точки к вершине кончика проводящего зонда позволяет получать изображения поверхностного потенциала с высоким латеральным разрешением и сканирующую микроскопию квантовых точек . ^[34]

Поверхность консолей также можно модифицировать. Эти покрытия в основном применяются для увеличения отражательной способности кантилевера и улучшения сигнала отклонения.

Силы как функция геометрии наконечника

Силы между зондом и образцом сильно зависят от геометрии зонда. В последние годы были использованы различные исследования для описания сил в зависимости от параметров наконечника.

Среди различных сил, действующих между зондом и образцом, большой интерес представляют силы водного мениска, как в воздушной, так и в жидкой среде. Необходимо учитывать и другие силы, такие как силы Кулона , силы Ван-дер-Ваальса , взаимодействия двойного слоя, силы сольватации , гидратации и гидрофобные силы.

Водный мениск

Силы водного мениска представляют большой интерес для измерений методом АСМ в воздухе. Из-за влажности окружающей среды во время измерений на воздухе между наконечником и образцом образуется тонкий слой воды. Возникающая в результате капиллярная сила порождает сильную силу притяжения, которая притягивает наконечник к поверхности. Фактически, сила сцепления, измеренная между зондом и образцом в окружающем воздухе с конечной влажностью, обычно определяется капиллярными силами. Как следствие, кончик трудно оторвать от поверхности. Для мягких образцов, включающих множество полимеров и, в частности, биологические материалы, сильная адгезионная капиллярная сила приводит к деградации и разрушению образца при визуализации в контактном режиме. Исторически эти проблемы были важной мотивацией для разработки динамических изображений в воздухе (например, «режим постукивания»). Во время визуализации в режиме постукивания на воздухе капиллярные мостики все еще формируются. Тем не менее, при подходящих условиях визуализации капиллярные мостики образуются и разрушаются в каждом цикле колебаний кантилевера, нормального к поверхности, как можно заключить из анализа кривых амплитуды и фазы кантилевера в зависимости от расстояния. ^[35] Как следствие, разрушительные силы сдвига значительно уменьшаются, и можно исследовать мягкие образцы.

Чтобы количественно оценить равновесную капиллярную силу, необходимо исходить из уравнения Лапласа для давления:

Модель для водного мениска АСМ

${\displaystyle P=\gamma _{L}\left({\frac {1}{r}}_{1}+{\frac {1}{r}}_{0}\right)\simeq {\frac {\gamma _{L}}{r_{eff}}}}$

где γ _L – поверхностная энергия, а r ₀ и r ₁ определены на рисунке.

Давление оказывается на участке

${\displaystyle A\simeq 2\pi R\simeq [r_{eff}(1+\cos \theta )+h]}$

где θ — угол между поверхностью наконечника и поверхностью жидкости, а h — разница высот между окружающей жидкостью и верхом миниска.

Сила, стягивающая две поверхности, равна

${\displaystyle F=2\pi R\gamma _{L}\left(1+\cos \theta +{\frac {h}{r_{eff}}}\right)}$

По той же формуле можно рассчитать и функцию относительной влажности.

Гао ^[36] рассчитал формулы для различной геометрии наконечника. Например, сила уменьшается на 20% для конического наконечника по сравнению со сферическим наконечником.

При расчете этих сил необходимо учитывать разницу между ситуациями «мокрый по сухому» и «мокрый по мокрому».

Для сферического наконечника сила равна:

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}(\cos \theta +\cos \phi )\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$для сухого по мокрому,

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}}$для мокрого по мокрому,

где θ — угол контакта сухой сферы, а φ — угол погружения, как показано на рисунке.

Для конического наконечника формула выглядит следующим образом:

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {\tan \delta }{\cos \delta }}(\cos \theta +\sin \delta )(hD)\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$для сухого по мокрому

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}\left({\frac {1}{\cos \delta }}+\sin \delta \right)(r_{0})\left({\frac {dr_{0}}{dD}}\right)}$для мокрого по мокрому

где δ — угол полуконуса, r ₀ и h — параметры профиля мениска.

Измерение отклонения кантилевера АСМ

Измерение отклонения луча

Обнаружение отклонения луча АСМ

Наиболее распространенным методом измерения отклонения кантилевера является метод отклонения луча. В этом методе лазерный свет от твердотельного диода отражается от задней части кантилевера и собирается позиционно-чувствительным детектором (PSD), состоящим из двух близко расположенных фотодиодов , выходной сигнал которого собирается дифференциальным усилителем . Угловое смещение кантилевера приводит к тому, что один фотодиод собирает больше света, чем другой фотодиод, создавая выходной сигнал (разность между сигналами фотодиодов, нормализованную на их сумму), который пропорционален отклонению кантилевера. ^{Чувствительность метода отклонения луча очень высока, и в хорошо спроектированной системе можно легко} получить уровень шума порядка 10 фм Гц ^{- 1/2 .} Хотя этот метод иногда называют методом «оптического рычага», сигнал не усиливается, если путь луча увеличивается. Более длинный путь луча увеличивает движение отраженного пятна на фотодиодах, но также расширяет пятно на ту же величину из-за дифракции , так что одинаковое количество оптической мощности передается от одного фотодиода к другому. «Оптический рычаг» (выходной сигнал детектора, разделенный на отклонение кантилевера) обратно пропорционален числовой апертуре оптики, фокусирующей луч, при условии, что сфокусированное лазерное пятно достаточно мало, чтобы полностью упасть на кантилевер. Она также обратно пропорциональна длине кантилевера.

Относительная популярность метода отклонения луча может быть объяснена его высокой чувствительностью и простотой эксплуатации, а также тем фактом, что кантилеверы не требуют электрических контактов или другой специальной обработки и, следовательно, могут быть изготовлены относительно дешево с острыми интегрированными наконечниками.

Другие методы измерения прогиба

Существует множество других методов измерения отклонения луча.

• Пьезоэлектрическое обнаружение . Кантилеверы, изготовленные из кварца ^[37] (например, конфигурация qPlus ) или других пьезоэлектрических материалов, могут напрямую обнаруживать отклонение в виде электрического сигнала. С помощью этого метода были обнаружены колебания кантилевера до 22:00.
• Лазерная доплеровская виброметрия . Лазерный доплеровский виброметр можно использовать для очень точных измерений отклонения колеблющегося кантилевера ^[38] (поэтому он используется только в бесконтактном режиме). Этот метод является дорогостоящим и используется лишь относительно небольшим количеством групп.
• Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). В первом атомном микроскопе использовался СТМ с собственным механизмом обратной связи для измерения отклонения. ^[8] Этот метод очень сложно реализовать, и он медленно реагирует на изменения отклонения по сравнению с современными методами.
• Оптическая интерферометрия . Оптическая интерферометрия может использоваться для измерения отклонения кантилевера. ^[39] Из-за отклонений в нанометровом масштабе, измеренных с помощью АСМ, интерферометр работает в субдиапазонном режиме, поэтому любой дрейф мощности или длины волны лазера оказывает сильное влияние на измерения. По этим причинам измерения с помощью оптического интерферометра необходимо проводить с большой осторожностью (например, с использованием жидкостей для согласования показателей между соединениями оптического волокна) с использованием очень стабильных лазеров. По этим причинам оптическая интерферометрия используется редко.
• Емкостное обнаружение . Кантилеверы с металлическим покрытием могут образовывать конденсатор с другим контактом, расположенным за кантилевером. ^[40] Отклонение изменяет расстояние между контактами и может быть измерено как изменение емкости.
• Пьезорезистивное обнаружение . Кантилеверы могут быть изготовлены с пьезорезистивными элементами , которые действуют как тензодатчики . С помощью моста Уитстона можно измерить деформацию кантилевера АСМ из-за отклонения. ^[41] Это обычно не используется в вакуумных приложениях, поскольку пьезорезистивное обнаружение рассеивает энергию из системы, влияя на добротность резонанса.

Пьезоэлектрические сканеры

Сканеры АСМ изготовлены из пьезоэлектрического материала, который расширяется и сжимается пропорционально приложенному напряжению. Удлиняются они или сжимаются, зависит от полярности приложенного напряжения. Традиционно зонд или образец монтируется на «штативе» из трех пьезокристаллов, каждый из которых отвечает за сканирование в направлениях x , y и z . ^[8] В 1986 году, в том же году, когда был изобретен АСМ, был разработан новый пьезоэлектрический сканер, трубчатый сканер, для использования в СТМ. ^[42] Позже в АСМ были включены тубусные сканеры. Сканер трубки может перемещать образец в направлениях x , y и z , используя один пьезоэлемент трубки с одним внутренним контактом и четырьмя внешними контактами. Преимуществом трубчатого сканера по сравнению с оригинальной конструкцией штатива является лучшая виброизоляция, обусловленная более высокой резонансной частотой одноэлементной конструкции в сочетании с изоляционным каскадом с низкой резонансной частотой. Недостатком является то, что движение x - y может вызвать нежелательное движение z , приводящее к искажению. Еще одна популярная конструкция АСМ-сканеров — это гибкий столик, в котором для каждой оси используются отдельные пьезоэлементы, которые соединяются с помощью механизма изгиба.

Сканеры характеризуются своей чувствительностью, которая представляет собой отношение движения пьезоэлемента к пьезонапряжению, т. е. насколько пьезоматериал расширяется или сжимается на единицу приложенного вольта. Из-за различий в материале или размере чувствительность варьируется от сканера к сканеру. Чувствительность изменяется нелинейно в зависимости от размера сканирования. Пьезосканеры проявляют большую чувствительность в конце сканирования, чем в начале. Это приводит к тому, что прямое и обратное сканирование ведут себя по-разному и отображают гистерезис между двумя направлениями сканирования. ^[43] Это можно исправить, подав нелинейное напряжение на пьезоэлектроды, чтобы вызвать линейное движение сканера, и соответствующим образом откалибровать сканер. ^[43] Одним из недостатков этого подхода является то, что он требует повторной калибровки, поскольку точное нелинейное напряжение, необходимое для коррекции нелинейного движения, будет меняться по мере старения пьезоэлемента (см. ниже). Эту проблему можно обойти, добавив к столику образца или пьезоэлементу линейный датчик для обнаружения истинного движения пьезоэлемента. Отклонения от идеального движения могут быть обнаружены датчиком и внесены поправки в сигнал пьезопривода для коррекции нелинейного пьезодвижения. Эта конструкция известна как АСМ с «замкнутым контуром». Пьезо АСМ без датчиков называются АСМ с «разомкнутым контуром».

Чувствительность пьезоэлектрических материалов экспоненциально снижается со временем. Это приводит к тому, что большая часть изменений чувствительности происходит на начальных этапах эксплуатации сканера. Пьезоэлектрические сканеры прорабатываются примерно 48 часов перед отправкой с завода, поэтому они прошли точку, при которой могут возникать значительные изменения чувствительности. По мере старения сканера чувствительность со временем будет меняться меньше, и сканер редко будет требовать повторной калибровки, ^{[44] [45]} , хотя различные руководства производителей рекомендуют проводить калибровку АСМ разомкнутого цикла ежемесячно или раз в полгода.

Преимущества и недостатки

Первый атомно-силовой микроскоп

Преимущества

АСМ имеет ряд преимуществ перед сканирующим электронным микроскопом (СЭМ). В отличие от электронного микроскопа, который обеспечивает двумерную проекцию или двумерное изображение образца, АСМ обеспечивает трехмерный профиль поверхности. Кроме того, образцы, просмотренные с помощью АСМ, не требуют какой-либо специальной обработки (например, покрытия металлом/углеродом), которая могла бы необратимо изменить или повредить образец, и обычно не страдают от артефактов зарядки на конечном изображении. Хотя для правильной работы электронного микроскопа требуется дорогостоящая вакуумная среда, большинство режимов АСМ могут прекрасно работать в окружающем воздухе или даже в жидкой среде. Это дает возможность изучать биологические макромолекулы и даже живые организмы. В принципе, АСМ может обеспечить более высокое разрешение, чем СЭМ. Было показано, что он обеспечивает истинное атомное разрешение в сверхвысоком вакууме (СВВ), а в последнее время и в жидких средах. АСМ высокого разрешения сравнима по разрешению со сканирующей туннельной микроскопией и просвечивающей электронной микроскопией . АСМ также можно комбинировать с различными методами оптической микроскопии и спектроскопии, такими как флуоресцентная микроскопия инфракрасной спектроскопии, что дает начало сканирующей ближнепольной оптической микроскопии , нано-FTIR и еще больше расширяет ее применимость. Комбинированные АСМ-оптические инструменты применялись в основном в биологических науках, но в последнее время они привлекли большой интерес к фотоэлектрической технике ^[13] и исследованиям в области накопления энергии, ^[46] наукам о полимерах, ^[47] нанотехнологиям ^{[48] [49]} и даже медицинским исследованиям. . ^[50]

Недостатки

Недостатком АСМ по сравнению со сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) является размер изображения одного сканирования. За один проход СЭМ может отобразить область порядка квадратных миллиметров с глубиной резкости порядка миллиметров, тогда как АСМ может отобразить только максимальную область сканирования около 150×150 микрометров и максимальную высоту порядка миллиметров. 10–20 микрометров. Одним из методов увеличения размера области сканирования для АСМ является использование параллельных датчиков аналогично способу хранения данных многоножек .

Скорость сканирования АСМ также является ограничением. Традиционно AFM не может сканировать изображения так же быстро, как SEM, и для типичного сканирования требуется несколько минут, тогда как SEM способен сканировать почти в реальном времени, хотя и с относительно низким качеством. Относительно медленная скорость сканирования во время формирования изображений АСМ часто приводит к тепловому дрейфу изображения ^{[51], [52] [53],} что делает АСМ менее подходящим для измерения точных расстояний между топографическими объектами на изображении. Тем не менее, было предложено несколько быстродействующих конструкций ^{[54] [55]} для повышения производительности сканирования микроскопа, включая так называемую видеоАСМ (изображения приемлемого качества получаются с помощью видеоАСМ со скоростью видео: быстрее, чем в среднем СЭМ). Для устранения искажений изображения, вызванных тепловым дрейфом, было предложено несколько методов. ^{[51] [52] [53]}

Отображение артефакта АСМ, возникающего из-за наконечника с большим радиусом кривизны относительно объекта, который необходимо визуализировать.

Артефакт АСМ, крутая топография образца

На изображения АСМ также могут влиять нелинейность, гистерезис [ ^43] и ползучесть пьезоэлектрического материала, а также перекрестные помехи между осями x , y , z , что может потребовать усовершенствования программного обеспечения и фильтрации. Такая фильтрация могла бы «сгладить» реальные топографические особенности. Однако в более новых АСМ используется программное обеспечение для коррекции в реальном времени (например, функционально-ориентированное сканирование ^{[44] [51]} ) или сканеры с обратной связью, которые практически устраняют эти проблемы. В некоторых АСМ также используются отдельные ортогональные сканеры (в отличие от одной трубки), которые также служат для устранения части проблем перекрестных помех.

Как и при любом другом методе визуализации, существует вероятность появления артефактов изображения , которые могут быть вызваны неподходящим наконечником, плохой рабочей средой или даже самим образцом, как показано справа. Эти артефакты изображения неизбежны; однако их возникновение и влияние на результаты можно уменьшить с помощью различных методов. Артефакты, возникающие из-за слишком грубого наконечника, могут быть вызваны, например, неправильным обращением или фактическим столкновением с образцом из-за слишком быстрого сканирования или неоправданно шероховатой поверхности, что приводит к фактическому износу наконечника.

Из-за особенностей датчиков АСМ они обычно не могут измерять крутые стены или выступы. Специально изготовленные кантилеверы и АСМ могут использоваться для модуляции датчика вбок, а также вверх и вниз (как в динамических контактных и бесконтактных режимах) для измерения боковых стенок, но за счет более дорогих кантилеверов, более низкого латерального разрешения и дополнительных артефактов.

Другие приложения в различных областях обучения

АСМ-изображение части аппарата Гольджи , выделенной из клеток HeLa

Последние усилия по интеграции нанотехнологий и биологических исследований оказались успешными и открывают большие перспективы на будущее, в том числе в таких областях, как нанобиомеханика . ^[56] Поскольку наночастицы являются потенциальным средством доставки лекарств, биологические реакции клеток на эти наночастицы постоянно исследуются с целью оптимизации их эффективности и способов улучшения их конструкции. ^[57] Пиргиотакис и др. смогли изучить взаимодействие между сконструированными наночастицами CeO ₂ и Fe ₂ O ₃ и клетками, прикрепив сконструированные наночастицы к наконечнику АСМ. ^[58] Исследования использовали АСМ для получения дополнительной информации о поведении живых клеток в биологических средах. Атомно-силовая спектроскопия (или наноскопия) в реальном времени и динамическая атомно-силовая спектроскопия использовались для изучения живых клеток и мембранных белков, а также их динамического поведения с высоким разрешением в наномасштабе. Визуализация и получение информации о топографии и свойствах клеток также дали представление о химических процессах и механизмах, которые происходят посредством межклеточного взаимодействия и взаимодействия с другими сигнальными молекулами (например, лигандами). Эванс и Колдервуд использовали силовую микроскопию одиночных клеток для изучения сил адгезии клеток , кинетики связей/динамической прочности связи и ее роли в химических процессах, таких как передача сигналов клетками. ^[59] Шеринг, Леви и Риго рассмотрели исследования, в которых АСМ изучал кристаллическую структуру мембранных белков фотосинтезирующих бактерий. ^[60] Алстин и др. использовали наноскопию на основе АСМ для анализа в реальном времени взаимодействия между живыми микобактериями и антимикобактериальными препаратами (в частности , изониазидом , этионамидом , этамбутолом и стрептомицином ) ^[61] , что служит примером более глубокого анализа взаимодействия патоген-лекарство, которые можно осуществить с помощью АСМ.

Смотрите также

 Научный портал

• Инфракрасная спектроскопия на основе АСМ (AFM-IR)
• Бимодальная атомно-силовая микроскопия
• Электрохимический АСМ
• Картирование силы трения
• Нано-FTIR
• Фотопроводящая атомно-силовая микроскопия
• Сканирующая зондовая микроскопия
• Сканирующая вольтажная микроскопия
• Аппарат поверхностной силы

Рекомендации

1. «Измерение и анализ кривых сила-расстояние с помощью атомно-силовой микроскопии» (PDF) . afmworkshop.com.
2. Онезорге, Франк (1 января 1993 г.). «Истинное атомное разрешение с помощью атомно-силовой микроскопии посредством сил отталкивания и притяжения». Наука . 260 (5113): 1451–6. Бибкод : 1993Sci...260.1451O. дои : 10.1126/science.260.5113.1451. PMID  17739801. S2CID  27528518.
3. Гиссибль, Франц (1 января 1996 г.). «Атомное разрешение поверхности кремния (111)-(7x7) методом атомно-силовой микроскопии» (PDF) . Наука . 267 (5194): 68–71. дои : 10.1126/science.267.5194.68. PMID  17840059. S2CID  20978364.
4. Атомно-силовая микроскопия для определения электрических характеристик. www.youtube.com/user/MINATEC .
5. «Исследование атомно-силовой микроскопии, связанное с изучением забытых тропических болезней». www.afmworkshop.com .
6. Патент US4724318 - Атомно-силовой микроскоп и метод получения изображений поверхностей с атомным разрешением.
7. Бинниг, Г.; Quate, CF; Гербер, Ч. (1986). «Атомно-силовой микроскоп». Письма о физических отзывах . 56 (9): 930–933. Бибкод : 1986PhRvL..56..930B. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . ПМИД  10033323.
8. Бинниг, Г.; Quate, CF; Гербер, Ч. (1986). «Атомно-силовой микроскоп». Письма о физических отзывах . 56 (9): 930–933. Бибкод : 1986PhRvL..56..930B. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . ISSN  0031-9007. ПМИД  10033323.
9. Ланг, К.М.; Д.А. Хайт; Р. В. Симмондс; Р. Макдермотт; Д.П. Паппас; Джон М. Мартинис (2004). «Проведение атомно-силовой микроскопии для определения характеристик наноразмерного туннельного барьера». Обзор научных инструментов . 75 (8): 2726–2731. Бибкод : 2004RScI...75.2726L. дои : 10.1063/1.1777388. Архивировано из оригинала 23 февраля 2013 г.
10. Капелла, Б; Дитлер, Г. (1999). «Кривые сила-расстояние, полученные методом атомно-силовой микроскопии» (PDF) . Отчеты о поверхностной науке . 34 (1–3): 1–104. Бибкод : 1999SurSR..34....1C. дои : 10.1016/S0167-5729(99)00003-5. Архивировано из оригинала (PDF) 3 декабря 2012 г.
11. Ройтер, Ю; Минько, С. (ноябрь 2005 г.). «Эксперименты с одиночными молекулами АСМ на границе раздела твердое тело и жидкость: конформация in situ адсорбированных гибких полиэлектролитных цепей». Журнал Американского химического общества . 127 (45): 15688–9. дои : 10.1021/ja0558239. ISSN  0002-7863. ПМИД  16277495.
12. Чжун К., Иннисс Д., Кьоллер К., Элингс В. (1993). «Поверхность разрушенного полимера / кремнеземного волокна, изученная с помощью атомно-силовой микроскопии в режиме постукивания». Письма о поверхностной науке . 290 (1): L688–L692. Бибкод : 1993SurSL.290L.688Z. дои : 10.1016/0167-2584(93)90906-Y.
13. Geisse, Николас А. (июль – август 2009 г.). «АСМ и комбинированные оптические методы». Материалы сегодня . 12 (7–8): 40–45. дои : 10.1016/S1369-7021(09)70201-9 .
14. Гросс, Л.; Мон, Ф.; Молл, Н.; Лильджерот, П.; Мейер, Г. (27 августа 2009 г.). «Химическая структура молекулы, разрешенная с помощью атомно-силовой микроскопии». Наука . 325 (5944): 1110–1114. Бибкод : 2009Sci...325.1110G. дои : 10.1126/science.1176210. PMID  19713523. S2CID  9346745.
15. Гиссибль, Франц Дж. (2003). «Достижения атомно-силовой микроскопии». Обзоры современной физики . 75 (3): 949–983. arXiv : cond-mat/0305119 . Бибкод :2003РвМП...75..949Г. doi : 10.1103/RevModPhys.75.949. S2CID  18924292.
16. Хинтердорфер, П; Дюфрен, Yf (май 2006 г.). «Обнаружение и локализация событий распознавания одиночных молекул с помощью атомно-силовой микроскопии». Природные методы . 3 (5): 347–55. дои : 10.1038/nmeth871. ISSN  1548-7091. PMID  16628204. S2CID  8912697.
17. Феррари, Л.; Кауфманн Дж.; Виннефельд, Ф.; Планк, Дж. (июль 2010 г.). «Взаимодействие модельных систем цемента с суперпластификаторами, исследованное методами атомно-силовой микроскопии, дзета-потенциала и адсорбционных измерений». J Коллоидный интерфейс Sci . 347 (1): 15–24. Бибкод : 2010JCIS..347...15F. doi :10.1016/j.jcis.2010.03.005. ПМИД  20356605.
18. Батт, Х; Капелла, Б; Каппль, М. (2005). «Силовые измерения с помощью атомно-силового микроскопа: техника, интерпретация и применение». Отчеты о поверхностной науке . 59 (1): 1–152. Бибкод : 2005SurSR..59....1B. CiteSeerX 10.1.1.459.3771 . doi : 10.1016/j.surfrep.2005.08.003. 
19. Гэвин М. Кинг; Эшли Р. Картер; Эллисон Б. Чернсайд; Луиза С. Эберле и Томас Т. Перкинс (2009). «Ультрастабильная атомно-силовая микроскопия: стабильность и регистрация атомного масштаба в условиях окружающей среды». Нано-буквы . 9 (4): 1451–1456. Бибкод : 2009NanoL...9.1451K. дои : 10.1021/nl803298q. ПМЦ 2953871 . ПМИД  19351191. 
20. Питер М. Хоффманн; Ахмет Орал; Ральф А. Гримбл (2001). «Прямое измерение градиентов межатомных сил с помощью атомно-силового микроскопа сверхнизкой амплитуды». Труды Королевского общества А. 457 (2009): 1161–1174. Бибкод : 2001RSPSA.457.1161H. CiteSeerX 10.1.1.487.4270 . дои : 10.1098/rspa.2000.0713. S2CID  96542419. 
21. Радмахер, М. (1997). «Измерение упругих свойств биологических образцов с помощью АСМ». IEEE Eng Med Biol Mag . 16 (2): 47–57. дои : 10.1109/51.582176. ПМИД  9086372.
22. Перкинс, Томас. «Атомно-силовая микроскопия измеряет свойства белков и сворачивание белков». Отдел новостей SPIE . Проверено 4 марта 2016 г.
23. Гальванетто, Никола (2018). «Одноклеточное снятие крыши: исследование топологии и наномеханики нативных мембран». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1860 (12): 2532–2538. arXiv : 1810.01643 . дои : 10.1016/j.bbamem.2018.09.019. PMID  30273580. S2CID  52897823.
24. Родуит, Чарльз; Секацкий, Сергей; Дитлер, Джованни; Кацикас, Стефан; Лафонт, Фрэнк; Касас, Шандор (2009). «Томография жесткости с помощью атомно-силовой микроскопии». Биофизический журнал . 97 (2): 674–677. Бибкод : 2009BpJ....97..674R. дои : 10.1016/j.bpj.2009.05.010. ПМЦ 2711326 . ПМИД  19619482. 
25. Томас, Г.; Ю. Уаббас; П. Гроссо; М. Барон; А. Шамаю; Л. Гале (2009). «Моделирование средних сил взаимодействия между силовыми частицами. Применение к смесям силикагеля и стеарата магния». Прикладная наука о поверхности . 255 (17): 7500–7507. Бибкод : 2009APSS..255.7500T. CiteSeerX 10.1.1.591.1899 . дои : 10.1016/j.apsusc.2009.03.099. S2CID  39028440. 
26. Риф, М; Готель, М; Остерхельт, Ф; Фернандес, Дж. М.; Гауб, HE (1997). «Обратимое развертывание отдельных доменов иммуноглобулина тайтина с помощью АСМ». Наука . 276 (5315): 1109–1112. дои : 10.1126/science.276.5315.1109. ПМИД  9148804.
27. Петросян, Р. (2020). «Определение силы раскладывания и унифицированная модель зависимости средней силы раскладывания от скорости нагружения». Дж. Стат. Мех . 2020 (33201): 033201.arXiv : 1904.03925 . Бибкод : 2020JSMTE..03.3201P. дои : 10.1088/1742-5468/ab6a05 .
28. Сугимото, Ю; Поу, П; Абэ, М; Елинек, П; Перес, Р; Морита, С; Кастанс, О (март 2007 г.). «Химическая идентификация отдельных поверхностных атомов методом атомно-силовой микроскопии». Природа . 446 (7131): 64–7. Бибкод : 2007Natur.446...64S. CiteSeerX 10.1.1.552.6764 . дои : 10.1038/nature05530. ISSN  0028-0836. PMID  17330040. S2CID  1331390. 
29. Брайант, ПиДжей; Миллер, Р.Г.; Ян, Р.; «Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в сочетании». Письма по прикладной физике , июнь 1988 г., том: 52, выпуск: 26, с. 2233–2235, ISSN  0003-6951.
30. Оскар Х. Виллемсен, Марго М. Е. Снел, Алессандра Камби, Ян Греве, Барт Г. Де Гроот и Карл Г. Фигдор «Биомолекулярные взаимодействия, измеренные с помощью атомно-силовой микроскопии», Биофизический журнал , том 79, выпуск 6, декабрь 2000 г., страницы 3267– 3281.
31. Ку-Хён Чунг и Дэ-Ын Ким, «Характеристики износа зонда атомно-силового микроскопа с алмазным покрытием». Ультрамикроскопия , Том 108, Выпуск 1, декабрь 2007 г., страницы 1–10.
32. Сюй, Синь; Раман, Арвинд (2007). «Сравнительная динамика микрокантилеверов, приводимых в движение магнитным, акустическим и броуновским движением, в жидкостях». Дж. Прил. Физ. 102 (1): 014303–014303–7. Бибкод : 2007JAP...102a4303Y. дои : 10.1063/1.2751415.
33. Хассельбах, К.; Ладам, К. (2008). «Магнитная визуализация высокого разрешения: силовая микроскопия MicroSQUID». Физический журнал: серия конференций . 97 (1): 012330. Бибкод : 2008JPhCS..97a2330H. дои : 10.1088/1742-6596/97/1/012330 .
34. Вагнер, Кристиан; Грин, Мэтью ФБ; Лейнен, Филипп; Дайльманн, Торстен; Крюгер, Питер; Ролфинг, Майкл; Темиров, Руслан; Тауц, Ф. Стефан (6 июля 2015 г.). «Сканирующая квантово-точечная микроскопия». Письма о физических отзывах . 115 (2): 026101. arXiv : 1503.07738 . Бибкод : 2015PhRvL.115b6101W. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.026101. ISSN  0031-9007. PMID  26207484. S2CID  1720328.
35. Зицлер, Лотар; Хермингхаус, Стефан; Мугеле, Фридер (2002). «Капиллярные силы в постукивающем режиме атомно-силовой микроскопии». Физ. Преподобный Б. 66 (15): 155436. Бибкод : 2002PhRvB..66o5436Z. doi : 10.1103/PhysRevB.66.155436.
36. Чао Гао (1997). «Теория менисков и ее приложения». Письма по прикладной физике . 71 (13): 1801. Бибкод : 1997ApPhL..71.1801G. дои : 10.1063/1.119403 .
37. Гиссибль, Франц Дж. (1 января 1998 г.). «Высокоскоростной датчик силы для силовой микроскопии и профилометрии с использованием кварцевого камертона» (PDF) . Письма по прикладной физике . 73 (26): 3956. Бибкод : 1998ApPhL..73.3956G. дои : 10.1063/1.122948.
38. Нисида, Шухей; Кобаяши, Дай; Сакурада, Такео; Наказава, Томонори; Хоши, Ясуо; Кавакацу, Хидеки (1 января 2008 г.). «Фототермическое возбуждение и лазерная доплеровская велосиметрия высших мод колебаний кантилевера для динамической атомно-силовой микроскопии в жидкости». Обзор научных инструментов . 79 (12): 123703–123703–4. Бибкод : 2008RScI...79l3703N. дои : 10.1063/1.3040500. ПМИД  19123565.
39. Ругар, Д.; Мамин, HJ; Гетнер, П. (1 января 1989 г.). «Усовершенствованный оптоволоконный интерферометр для атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике . 55 (25): 2588. Бибкод : 1989ApPhL..55.2588R. дои : 10.1063/1.101987.
40. Гёдденхенрих, Т. (1990). «Силовой микроскоп с емкостным обнаружением смещения». Журнал вакуумной науки и техники А. 8 (1): 383. Бибкод : 1990JVSTA...8..383G. дои : 10.1116/1.576401.
41. Гиссибль, Ф.Дж.; Трафас, Б.М. (1 января 1994 г.). «Пьезорезистивные кантилеверы, используемые для сканирования туннельного и сканирующего силового микроскопа в сверхвысоком вакууме» (PDF) . Обзор научных инструментов . 65 (6): 1923. Бибкод : 1994RScI...65.1923G. дои : 10.1063/1.1145232.
42. Бинниг, Г.; Смит, DPE (1986). «Однотрубный трехмерный сканер для сканирующей туннельной микроскопии». Обзор научных инструментов . 57 (8): 1688. Бибкод : 1986RScI...57.1688B. дои : 10.1063/1.1139196 . ISSN  0034-6748.
43. Р.В. Лапшин (1995). «Аналитическая модель аппроксимации петли гистерезиса и ее применение в сканирующем туннельном микроскопе» (PDF) . Обзор научных инструментов . 66 (9): 4718–4730. arXiv : 2006.02784 . Бибкод : 1995RScI...66.4718L. дои : 10.1063/1.1145314. ISSN  0034-6748. S2CID  121671951.(есть русский перевод).
44. Р.В. Лапшин (2011). «Функционально-ориентированная сканирующая зондовая микроскопия». В HS Nalwa (ред.). Энциклопедия нанонауки и нанотехнологий (PDF) . Том. 14. США: Американские научные издательства. стр. 105–115. ISBN 978-1-58883-163-7.
45. Р. В. Лапшин (1998). «Автоматическая боковая калибровка сканеров туннельных микроскопов» (PDF) . Обзор научных инструментов . 69 (9): 3268–3276. Бибкод : 1998RScI...69.3268L. дои : 10.1063/1.1149091. ISSN  0034-6748.
46. Аяче, Морис; Люкс, Саймон Франц; Костецкий, Роберт (2 апреля 2015 г.). «ИК-исследование межфазной границы твердого электролита на оловянном электроде в ближнем поле». Журнал физической химии . 6 (7): 1126–1129. doi : 10.1021/acs.jpclett.5b00263. ISSN  1948-7185. ПМИД  26262960.
47. Поллард, Бенджамин; Рашке, Маркус Б. (22 апреля 2016 г.). «Корреляционная инфракрасная наноспектроскопическая и наномеханическая визуализация микродоменов блок-сополимера». Журнал нанотехнологий Бейльштейна . 7 (1): 605–612. дои : 10.3762/bjnano.7.53. ISSN  2190-4286. ПМК 4901903 . ПМИД  27335750. 
48. Хут, Ф.; Шнелл, М.; Витборн, Дж.; Оселик, Н.; Хилленбранд, Р. (2011). «Инфракрасно-спектроскопическая нановизуализация с тепловым источником». Природные материалы . 10 (5): 352–356. Бибкод : 2011NatMa..10..352H. дои : 10.1038/nmat3006. ПМИД  21499314.
49. Бектель, Ганс А.; Мюллер, Эрик А.; Олмон, Роберт Л.; Мартин, Майкл С.; Рашке, Маркус Б. (20 мая 2014 г.). «Сверхширокополосная инфракрасная наноспектроскопическая визуализация». Труды Национальной академии наук . 111 (20): 7191–7196. Бибкод : 2014PNAS..111.7191B. дои : 10.1073/pnas.1400502111 . ISSN  0027-8424. ПМК 4034206 . ПМИД  24803431. 
50. Палушкевич С., Пиргиес Н., Ханецкий П., Ренкас М., Мищик Дж., Квятек В.М. (30 мая 2017 г.). «Дифференциация вторичной структуры белка в прозрачных и непрозрачных хрустали человека: АСМ – ИК-исследования». Журнал фармацевтического и биомедицинского анализа . 139 : 125–132. дои : 10.1016/j.jpba.2017.03.001. PMID  28279927. S2CID  21232169.
51. Р. В. Лапшин (2004). «Методология функционально-ориентированного сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий» (PDF) . Нанотехнологии . 15 (9): 1135–1151. Бибкод : 2004Nanot..15.1135L. дои : 10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN  0957-4484. S2CID  250913438.
52. Р.В. Лапшин (2007). «Автоматическое устранение дрейфа на изображениях зондового микроскопа на основе методов встречного сканирования и распознавания особенностей топографии» (PDF) . Измерительная наука и технология . 18 (3): 907–927. Бибкод : 2007MeScT..18..907L. дои : 10.1088/0957-0233/18/3/046. ISSN  0957-0233. S2CID  121988564.
53. В.Ю. Юров; А. Н. Климов (1994). «Калибровка сканирующего туннельного микроскопа и реконструкция реального изображения: устранение дрейфа и наклона». Обзор научных инструментов . 65 (5): 1551–1557. Бибкод : 1994RScI...65.1551Y. дои : 10.1063/1.1144890. ISSN  0034-6748. Архивировано из оригинала (PDF) 13 июля 2012 г.
54. Г. Шиттер; MJ Рост (2008). «Сканирующая зондовая микроскопия на видеоскорости». Материалы сегодня . 11 (специальный выпуск): 40–48. дои : 10.1016/S1369-7021(09)70006-9 . ISSN  1369-7021.
55. Р. В. Лапшин; О. В. Объедков (1993). «Быстродействующий пьезоактюатор и цифровая петля обратной связи для сканирующих туннельных микроскопов» (PDF) . Обзор научных инструментов . 64 (10): 2883–2887. Бибкод : 1993RScI...64.2883L. дои : 10.1063/1.1144377. ISSN  0034-6748.
56. Септиади, Деди; Криппа, Федерика; Мур, Томас Ли; Ротен-Рутисхаузер, Барбара; Петри-Финк, Алке (2018). «Взаимодействие наночастиц и клеток: взгляд на клеточную механику». Передовые материалы . 30 (19): 1704463. Бибкод : 2018AdM....3004463S. дои : 10.1002/adma.201704463. ISSN  1521-4095. PMID  29315860. S2CID  19066377.
57. Джонг, Вим Х Де; Борм, Пол Дж. А. (июнь 2008 г.). «Доставка лекарств и наночастицы: применение и опасности». Международный журнал наномедицины . 3 (2): 133–149. дои : 10.2147/ijn.s596 . ПМЦ 2527668 . ПМИД  18686775. 
58. Пиргиотакис, Георгиос; Блаттманн, Кристоф О.; Демокриту, Филипп (10 июня 2014 г.). «Взаимодействие наночастиц и клеток в физиологических средах в реальном времени с помощью атомно-силовой микроскопии». ACS Устойчивая химия и инженерия . 2 (Устойчивые нанотехнологии, 2013): 1681–1690. дои : 10.1021/sc500152g. ПМК 4105194 . ПМИД  25068097. 
59. Эванс, Эван А.; Колдервуд, Дэвид А. (25 мая 2007 г.). «Динамика сил и связей при клеточной адгезии». Наука . 316 (5828): 1148–1153. Бибкод : 2007Sci...316.1148E. дои : 10.1126/science.1137592. PMID  17525329. S2CID  15109093.
60. Шеринг, Саймон; Леви, Даниэль; Риго, Жан-Луи (1 июля 2005 г.). «Наблюдение за компонентами». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1712 (2): 109–127. дои : 10.1016/j.bbamem.2005.04.005. ПМИД  15919049.
61. Алстинс, Дэвид; Вербелен, Клэр; Даг, Этьен; Рэйз, Доминик; Болар, Ален Р.; Дюфрен, Ив Ф. (апрель 2008 г.). «Организация клеточной стенки микобактерий: наномасштабный взгляд». Архив Pflügers: Европейский журнал физиологии . 456 (1): 117–125. дои : 10.1007/s00424-007-0386-0 . ПМИД  18043940.

дальнейшее чтение

• Фойгтлендер, Берт (2019). Атомно-силовая микроскопия . Нанонаука и технологии. Спрингер. Бибкод : 2019afm..книга.....В. дои : 10.1007/978-3-030-13654-3. ISBN 978-3-030-13653-6. S2CID  199490753.
• Карпик, Роберт В.; Салмерон, Микель (1997). «Поцарапав поверхность: фундаментальные исследования трибологии с помощью атомно-силовой микроскопии». Химические обзоры . 97 (4): 1163–1194. дои : 10.1021/cr960068q. ISSN  0009-2665. ПМИД  11851446.
• Гиссибль, Франц Дж. (2003). «Достижения атомно-силовой микроскопии». Обзоры современной физики . 75 (3): 949–983. arXiv : cond-mat/0305119 . Бибкод :2003РвМП...75..949Г. doi : 10.1103/RevModPhys.75.949. ISSN  0034-6861. S2CID  18924292.
• Гарсия, Рикардо; Нолл, Армин; Риедо, Элиза (2014). «Усовершенствованная сканирующая зондовая литография». Природные нанотехнологии . 9 (8): 577–87. arXiv : 1505.01260 . Бибкод : 2014НатНа...9..577Г. дои :10.1038/NNANO.2014.157. PMID  25091447. S2CID  205450948.
• Гарсиа, Рикардо; Перес, Рубен (2002). «Методы динамической атомно-силовой микроскопии». Отчеты о поверхностной науке . 47 (6–8): 197–301. Бибкод : 2002СурСР..47..197Г. дои : 10.1016/S0167-5729(02)00077-8.

Внешние ссылки

• Внутренняя работа АСМ — анимированное объяснение WeCanFigureThisOut.org