Атомно-силовая микроскопия

Тип микроскопии

АСМ генерирует изображения, сканируя небольшую консоль по поверхности образца. Острый кончик на конце консоли соприкасается с поверхностью, изгибая консоль и изменяя количество лазерного света, отраженного в фотодиод. Затем высота консоли регулируется для восстановления ответного сигнала, в результате чего измеренная высота консоли отслеживает поверхность.

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

Обзор

Атомно-силовой микроскоп слева с управляющим компьютером справа.

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

Способности и пространственное разрешение

Атомно-силовой микроскоп

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

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

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

Хотя в первой публикации об атомно-силовой микроскопии, опубликованной Биннигом, Куэйтом и Гербером в 1986 году, высказывались предположения о возможности достижения атомного разрешения, необходимо было преодолеть серьезные экспериментальные проблемы, прежде чем атомное разрешение дефектов и ступенчатых краев в условиях окружающей среды (жидкости) было продемонстрировано в 1993 году Онезорге и Биннигом. ^[2] Истинное атомное разрешение кремниевой поверхности 7x7 — атомные изображения этой поверхности, полученные с помощью СТМ, убедили научное сообщество в впечатляющем пространственном разрешении сканирующей туннельной микроскопии — пришлось немного подождать, прежде чем его продемонстрировал Гиссибль. ^[3] Субатомное разрешение (т. е. способность разрешать структурные детали в пределах электронной плотности одного атома) также было достигнуто с помощью АСМ.

При манипуляции силы между наконечником и образцом также могут использоваться для изменения свойств образца контролируемым образом. Примерами этого являются атомная манипуляция, сканирующая зондовая литография и локальная стимуляция клеток.

Одновременно с получением топографических изображений можно локально измерить другие свойства образца и отобразить их в виде изображения, часто с таким же высоким разрешением. Примерами таких свойств являются механические свойства, такие как жесткость или прочность адгезии, и электрические свойства, такие как проводимость или поверхностный потенциал. ^[4] Фактически, большинство методов СЗМ являются расширениями АСМ, которые используют эту модальность. ^[5]

Другие технологии микроскопии

Главное отличие атомно-силовой микроскопии от конкурирующих технологий, таких как оптическая микроскопия и электронная микроскопия, заключается в том, что АСМ не использует линзы или облучение пучком. Поэтому она не страдает от ограничения пространственного разрешения из-за дифракции и аберрации, а также не требует подготовки пространства для направления пучка (путем создания вакуума) и окрашивания образца.

Существует несколько типов сканирующей микроскопии, включая SPM (которая включает в себя AFM, сканирующую туннельную микроскопию (STM) и сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (SNOM/NSOM), STED-микроскопию (STED) и сканирующую электронную микроскопию и электрохимическую AFM , EC-AFM). 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 элементов. ^[6] Числа в скобках соответствуют пронумерованным элементам на рис. 3. Направления координат определяются системой координат (0).

Рис. 3: Типичная конфигурация АСМ.
(1) : Кантилевер, (2) : Опора для кантилевера, (3) : Пьезоэлектрический элемент (для колебания кантилевера на его собственной частоте), (4) : Наконечник (крепится к открытому концу кантилевера, действует как зонд), (5) : Детектор отклонения и движения кантилевера, (6) : Образец для измерения с помощью АСМ, (7) : привод xyz (перемещает образец (6) и столик (8) в направлениях x, y и z относительно вершины наконечника (4)) и (8) : Стол.

Небольшой пружинный кантилевер (1) поддерживается опорой (2). Опционально пьезоэлектрический элемент (обычно из керамического материала) (3) колеблет кантилевер (1). Острый наконечник (4) закреплен на свободном конце кантилевера (1). Детектор (5) регистрирует отклонение и движение кантилевера (1). Образец (6) установлен на предметном столике (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 также может быть прикреплен к наконечнику, или к обоим могут быть прикреплены независимые приводы, поскольку необходимо контролировать относительное смещение образца и наконечника. Контроллеры и плоттер на рис. 3 не показаны.

Согласно описанной выше конфигурации, взаимодействие между наконечником и образцом, которое может быть явлением атомного масштаба, преобразуется в изменения движения кантилевера, что является явлением макромасштаба. Несколько различных аспектов движения кантилевера могут быть использованы для количественной оценки взаимодействия между наконечником и образцом, чаще всего значение отклонения, амплитуда наложенного колебания кантилевера или сдвиг резонансной частоты кантилевера (см. раздел Режимы визуализации).

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 изображения

Этот раздел относится конкретно к визуализации в режиме § Контакт. Для других режимов визуализации процесс аналогичен, за исключением того, что «отклонение» должно быть заменено соответствующей переменной обратной связи.

При использовании АСМ для получения изображения образца, зонд приводится в контакт с образцом, и образец растрово сканируется по сетке x–y (рис. 4). Чаще всего для поддержания постоянной силы зонд-образец во время сканирования используется электронная петля обратной связи. Эта петля обратной связи имеет отклонение кантилевера в качестве входных данных, а ее выход контролирует расстояние по оси z между опорой зонда (2 на рис. 3) и опорой образца (8 на рис. 3). Пока зонд остается в контакте с образцом, а образец сканируется в плоскости x–y, изменения высоты образца будут изменять отклонение кантилевера. Затем обратная связь регулирует высоту опоры зонда таким образом, чтобы отклонение восстанавливалось до заданного пользователем значения (уставки). Правильно настроенная петля обратной связи непрерывно регулирует расстояние между опорой и образцом во время сканирования, так что отклонение остается приблизительно постоянным. В этой ситуации выход обратной связи равен топографии поверхности образца с небольшой погрешностью.

Исторически использовался другой метод работы, при котором расстояние между образцом и зондом поддерживается постоянным и не контролируется обратной связью ( сервомеханизмом ). В этом режиме, обычно называемом «режимом постоянной высоты», отклонение кантилевера регистрируется как функция положения образца по осям x–y. Пока наконечник находится в контакте с образцом, отклонение соответствует топографии поверхности. В настоящее время этот метод используется реже, поскольку силы между наконечником и образцом не контролируются, что может привести к силам, достаточно высоким, чтобы повредить наконечник или образец. ^{[ необходима цитата ]} 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 выявлять особенности, которые обратная связь не смогла отрегулировать.

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

Рис. 5: Топографическое изображение, формируемое с помощью АСМ.
(1) : Вершина острия, (2) : Поверхность образца, (3) : Z-орбита вершины острия, (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 IBM Research – Zurich , разработка, которая принесла им Нобелевскую премию по физике 1986 года . Бинниг изобрел ^[6] атомно-силовой микроскоп, а первая экспериментальная реализация была сделана 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 в наномасштабе .

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) изучение изменений физических свойств, возникающих в результате изменений в атомном расположении посредством атомной манипуляции.

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

В клеточной биологии АСМ может использоваться для попытки отличить раковые клетки от нормальных клеток на основе твердости клеток, а также для оценки взаимодействий между конкретной клеткой и соседними с ней клетками в конкурентной системе культивирования. АСМ также может использоваться для индентирования клеток, чтобы изучить, как они регулируют жесткость или форму клеточной мембраны или стенки.

В некоторых вариантах электрические потенциалы также могут быть просканированы с помощью проводящих кантилеверов. В более продвинутых версиях токи могут быть пропущены через наконечник для исследования электропроводности или переноса подлежащей поверхности, но это сложная задача, поскольку лишь немногие исследовательские группы сообщают о последовательных данных (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 изготавливается из кремния или нитрида кремния с радиусом кривизны наконечника порядка нанометров. Когда наконечник приближается к поверхности образца, силы между наконечником и образцом приводят к отклонению кантилевера в соответствии с законом Гука . ^[10] В зависимости от ситуации силы, которые измеряются в 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 измеряться дополнительные величины с помощью специализированных типов зондов (см. сканирующая термическая микроскопия , сканирующая микроскопия джоулевого расширения , фототермическая микроспектроскопия и т. д.).

Топографическое сканирование поверхности стекла с помощью атомно-силового микроскопа. Можно наблюдать микро- и наномасштабные особенности стекла, отображающие шероховатость материала. Пространство изображения (x,y,z) = (20 мкм × 20 мкм × 420 нм).

АСМ может работать в нескольких режимах, в зависимости от приложения. 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 наконечника: 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 вибрационным режимом, или, после механизма обнаружения, АСМ с амплитудной модуляцией; и бесконтактный режим, или, снова после механизма обнаружения, АСМ с частотной модуляцией.

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

Контактный режим

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

Режим постукивания

Отдельные полимерные цепи (толщиной 0,4 нм), зарегистрированные в режиме постукивания в водных средах с различным pH. ^[11]

В условиях окружающей среды большинство образцов образуют слой жидкого мениска. Из-за этого поддержание наконечника зонда достаточно близко к образцу для того, чтобы силы короткого действия стали обнаруживаемыми, и 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 обхода 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 приводится в колебание вверх и вниз на частоте резонанса 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 поддерживаются постоянными, что приводит к постоянной амплитуде колебания кантилевера до тех пор, пока нет дрейфа или взаимодействия с поверхностью. Взаимодействие сил, действующих на кантилевер, когда наконечник приближается к поверхности, силы Ван-дер-Ваальса , диполь-дипольные взаимодействия , электростатические силы и т. д. вызывают изменение амплитуды колебания кантилевера (обычно уменьшение) по мере приближения наконечника к образцу. Эта амплитуда используется в качестве параметра, который поступает в электронный сервопривод , который управляет высотой кантилевера над образцом. Сервопривод регулирует высоту для поддержания заданной амплитуды колебаний кантилевера, когда кантилевер сканируется по образцу. Таким образом, изображение постукивания АСМ создается путем визуализации силы прерывистых контактов наконечника с поверхностью образца. ^[13]

Хотя пиковые силы, прикладываемые во время контактной части колебания, могут быть намного выше, чем обычно используемые в контактном режиме, режим постукивания обычно уменьшает повреждение, наносимое поверхности и наконечнику, по сравнению с количеством, наносимым в контактном режиме. Это можно объяснить короткой продолжительностью 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 мягкая даже для визуализации поддерживаемых липидных бислоев или адсорбированных отдельных полимерных молекул (например, цепей синтетических полиэлектролитов толщиной 0,4 нм ) в жидкой среде. При правильных параметрах сканирования конформация отдельных молекул может оставаться неизменной в течение нескольких часов, ^[11] и даже отдельные молекулярные двигатели могут быть визуализированы во время движения.

При работе в режиме постукивания также может быть зарегистрирована фаза колебания кантилевера относительно управляющего сигнала. Этот канал сигнала содержит информацию об энергии, рассеиваемой кантилевером в каждом цикле колебаний. Образцы, содержащие области с различной жесткостью или с различными адгезионными свойствами, могут давать контраст в этом канале, который не виден на топографическом изображении. Однако извлечение свойств материала образца количественным образом из фазовых изображений часто не представляется возможным.

Бесконтактный режим

В бесконтактном режиме 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 от 1 нм до 10 нм над поверхностью, или любая другая дальнодействующая сила, которая простирается над поверхностью, действуют, чтобы уменьшить резонансную частоту кантилевера. Это уменьшение резонансной частоты в сочетании с системой петли обратной связи поддерживает постоянную амплитуду или частоту колебаний путем регулировки среднего расстояния от кончика до образца. Измерение расстояния от кончика до образца в каждой точке данных (x, y) позволяет программному обеспечению сканирования построить топографическое изображение поверхности образца.

Бесконтактный режим АСМ не страдает от эффектов деградации наконечника или образца, которые иногда наблюдаются после проведения многочисленных сканирований с помощью контактного АСМ. Это делает бесконтактный режим АСМ предпочтительнее контактного АСМ для измерения мягких образцов, например, биологических образцов и органических тонких 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 по-разному. АСМ, работающий в контактном режиме, будет проникать в слой жидкости для получения изображения подлежащей поверхности, тогда как в бесконтактном режиме АСМ будет колебаться над слоем адсорбированной жидкости для получения изображения как жидкости, так и поверхности.

Схемы для работы в динамическом режиме включают частотную модуляцию , где фазовая автоподстройка частоты используется для отслеживания резонансной частоты кантилевера, и более распространенную амплитудную модуляцию с сервоконтуром на месте для поддержания возбуждения кантилевера на определенной амплитуде. При частотной модуляции изменения частоты колебаний предоставляют информацию о взаимодействиях зонда и образца. Частоту можно измерить с очень высокой чувствительностью, и, таким образом, режим частотной модуляции позволяет использовать очень жесткие кантилеверы. Жесткие кантилеверы обеспечивают стабильность очень близко к поверхности, и, как следствие, эта техника стала первой техникой АСМ, обеспечивающей истинное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума . ^[15]

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

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

Топографическое изображение

Формирование изображения — это метод построения графика, который создает цветовое отображение путем изменения положения наконечника по осям x–y при сканировании и записи измеряемой переменной, т. е. 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 между интенсивностью значения и оттенком отображается в виде цветовой шкалы в пояснительных записках, сопровождающих изображение.

Режим работы формирования изображения АСМ обычно классифицируется на две группы с точки зрения того, использует ли он петлю z-обратной связи (не показана) для поддержания расстояния зонд-образец для поддержания интенсивности сигнала, экспортируемого детектором. Первый режим (использующий петлю z-обратной связи) называется «постоянным режимом XX » ( XX — это то, что поддерживается петлей z-обратной связи).

Режим формирования топографического изображения основан на вышеупомянутом «режиме постоянного XX », контур z-обратной связи управляет относительным расстоянием между зондом и образцом посредством вывода управляющих сигналов для поддержания постоянной частоты, вибрации и фазы, что обычно соответствует движению кантилевера (например, напряжение подается на Z-пьезоэлектрический элемент, и он перемещает образец вверх и вниз в направлении Z).

Топографическое изображение FM-AFM

Когда расстояние между зондом и образцом приближается к диапазону, в котором может быть обнаружена атомная сила, в то время как кантилевер возбуждается на своей естественной собственной частоте ( f ₀ ), резонансная частота f кантилевера может сместиться от его исходной резонансной частоты. Другими словами, в диапазоне, в котором 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.

Если образец имеет вогнутость и выпуклость, то расстояние между вершиной острия и образцом изменяется в соответствии с вогнутостью и выпуклостью при сканировании образца по направлению x–y (без регулирования высоты по направлению z). В результате возникает сдвиг частоты. Изображение, на котором значения частоты, полученные при растровом сканировании по направлению x–y поверхности образца, нанесены против координаты x–y каждой точки измерения, называется изображением с постоянной высотой.

С другой стороны, df может поддерживаться постоянным путем перемещения зонда вверх и вниз (см. (3) на ФИГ.5) в направлении z с использованием отрицательной обратной связи (используя контур обратной связи по z) во время растрового сканирования поверхности образца вдоль направления x–y. Изображение, на котором величины отрицательной обратной связи (расстояние перемещения зонда вверх и вниз в направлении z) нанесены на график относительно координаты x–y каждой точки измерения, является топографическим изображением. Другими словами, топографическое изображение является следом кончика зонда, отрегулированным таким образом, что df является постоянным, и его также можно считать графиком поверхности постоянной высоты df.

Таким образом, топографическое изображение АСМ не является точной морфологией поверхности, а фактически изображением, сформированным под влиянием порядка связей между зондом и образцом. Однако считается, что топографическое изображение АСМ отражает географическую форму поверхности в большей степени, чем топографическое изображение сканирующего туннельного микроскопа.

Спектроскопия силы

Помимо визуализации, АСМ можно использовать для силовой спектроскопии , прямого измерения сил взаимодействия зонда и образца в зависимости от зазора между зондом и образцом. Результат этого измерения называется кривой сила-расстояние. Для этого метода зонд АСМ выдвигается к поверхности и отводится от нее, поскольку отклонение кантилевера отслеживается как функция пьезоэлектрического смещения. Эти измерения использовались для измерения наномасштабных контактов, атомных связей , сил Ван-дер-Ваальса и сил Казимира , сил растворения в жидкостях и сил растяжения и разрыва отдельных молекул. ^[16] АСМ также использовался для измерения в водной среде дисперсионной силы, вызванной адсорбированным на подложке полимером. ^[17] Силы порядка нескольких пиконьютонов теперь можно регулярно измерять с разрешением по вертикали лучше 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 техникой включают в себя отсутствие прямого измерения разделения наконечника и образца и общую потребность в кантилеверах с низкой жесткостью, которые имеют тенденцию «защелкиваться» на поверхности. Эти проблемы не являются непреодолимыми. Был разработан АСМ, который напрямую измеряет разделение наконечника и образца. ^[19] Защелкивание можно уменьшить путем измерения в жидкостях или путем использования более жестких кантилеверов, но в последнем случае необходим более чувствительный датчик отклонения. Прикладывая небольшое дрожание к наконечнику, можно также измерить жесткость (градиент силы) связи. ^[20]

Биологические применения и другие

Силовая спектроскопия используется в биофизике для измерения механических свойств живого материала (такого как ткани или клетки) ^{[21] [22] [23]} или обнаружения структур различной жесткости, зарытых в толщу образца, с помощью томографии жесткости. ^[24] Другим применением было измерение сил взаимодействия между, с одной стороны, материалом, застрявшим на кончике кантилевера, и, с другой стороны, поверхностью частиц, свободной или занятой тем же материалом. Из кривой распределения силы адгезии было получено среднее значение сил. Это позволило сделать картографию поверхности частиц, покрытых или нет материалом. ^[25] АСМ также использовался для механического разворачивания белков. ^[26] В таких экспериментах анализ средних сил разворачивания с соответствующей моделью ^[27] приводит к получению информации о скорости разворачивания и параметрах профиля свободной энергии белка.

Идентификация отдельных поверхностных атомов

АСМ можно использовать для визуализации атомов и структур на различных поверхностях. Атом на вершине острия «чувствует» отдельные атомы на нижележащей поверхности, когда он начинает формирование химических связей с каждым атомом. Поскольку эти химические взаимодействия тонко изменяют частоту колебаний острия, их можно обнаружить и сопоставить. Этот принцип использовался для различения атомов кремния, олова и свинца на поверхности сплава путем сравнения этих атомных отпечатков со значениями, полученными из моделирования теории функционала плотности (DFT). ^[28]

Силы взаимодействия должны быть точно измерены для каждого типа атома, ожидаемого в образце, а затем сравнены с силами, полученными с помощью моделирования DFT. Было обнаружено, что игла взаимодействовала сильнее всего с атомами кремния и на 24% и 41% слабее с атомами олова и свинца соответственно. Каждый отдельный тип атома мог быть идентифицирован в матрице как игла, используя эту информацию. ^[28]

Зонд

Зонд АСМ имеет острый наконечник на свободно качающемся конце кантилевера, который выступает из держателя. ^[29] Размеры кантилевера измеряются в микрометрах. Радиус наконечника обычно находится в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. (Существуют специальные зонды с гораздо большими радиусами конца, например зонды для индентирования мягких материалов.) Держатель кантилевера, также называемый чипом держателя, часто размером 1,6 мм на 3,4 мм, позволяет оператору удерживать узел кантилевера/зонда АСМ пинцетом и вставлять его в соответствующие зажимы держателя на сканирующей головке атомно-силового микроскопа.

Это устройство чаще всего называют «зондом АСМ», но существуют и другие названия, такие как «наконечник АСМ» и «кантилевер» (используя название одной части в качестве названия всего устройства). Зонд АСМ — это особый тип зонда СЗМ.

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

Для использования устройства наконечник подносится очень близко к поверхности исследуемого объекта, а кантилевер отклоняется взаимодействием наконечника с поверхностью, для измерения чего и предназначен АСМ. Пространственную карту взаимодействия можно составить, измерив отклонение во многих точках на двумерной поверхности.

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

Поверхность кантилеверов также может быть модифицирована. Эти покрытия в основном применяются для увеличения отражательной способности кантилевера и улучшения сигнала отклонения.

Силы как функция геометрии наконечника

Силы между наконечником и образцом сильно зависят от геометрии наконечника. Различные исследования были использованы в последние годы, чтобы записать силы как функцию параметров наконечника.

Среди различных сил между наконечником и образцом, силы водного мениска очень интересны, как в воздушной, так и в жидкой среде. Необходимо учитывать и другие силы, такие как сила Кулона , силы Ван-дер-Ваальса , взаимодействия двойного слоя, сольватационные силы, гидратационные и гидрофобные силы.

Водный мениск

Силы водного мениска очень интересны для измерений АСМ на воздухе. Из-за влажности окружающей среды во время измерений на воздухе между наконечником и образцом образуется тонкий слой воды. Результирующая капиллярная сила приводит к возникновению сильной силы притяжения, которая притягивает наконечник к поверхности. Фактически, сила адгезии, измеренная между наконечником и образцом в окружающем воздухе с конечной влажностью, обычно определяется капиллярными силами. Как следствие, трудно оторвать наконечник от поверхности. Для мягких образцов, включая многие полимеры 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 динамической визуализации на воздухе (например, «режим постукивания»). Во время визуализации в режиме постукивания на воздухе капиллярные мостики все еще образуются. Тем не менее, для подходящих условий визуализации капиллярные мостики образуются и разрушаются в каждом цикле колебаний кантилевера, нормальном к поверхности, как можно вывести из анализа кривых амплитуды и фазы кантилевера в зависимости от расстояния. ^[35] В результате этого разрушающие сдвигающие силы значительно уменьшаются, и можно исследовать мягкие образцы.

Для количественной оценки равновесной капиллярной силы необходимо исходить из уравнения Лапласа для давления:

Модель для AFM водного мениска

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

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

Давление оказывается на область

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

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

Сила, которая притягивает две поверхности, равна

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

Эту же формулу можно рассчитать как функцию относительной влажности.

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

При расчете этих сил необходимо проводить различие между ситуациями «мокрое по сухому» и «мокрое 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 принимает вид:

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {\tan \delta }{\cos \delta }}(\cos \theta +\sin \delta )(hD)\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$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 половины конуса, а r ₀ и h — параметры профиля мениска.

Измерение отклонения кантилевера с помощью АСМ

Измерение отклонения луча

Обнаружение отклонения луча АСМ

Наиболее распространенным методом для измерений 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 которых собирается дифференциальным усилителем . Угловое смещение кантилевера приводит к тому, что один фотодиод собирает больше света, чем другой фотодиод, создавая выходной сигнал (разницу между сигналами фотодиодов, нормализованными их суммой), который пропорционален отклонению кантилевера. Чувствительность метода отклонения луча очень высока, и уровень шума порядка 10 фм Гц ^{− 1 ⁄ 2} может быть получен обычным образом в хорошо спроектированной системе. Хотя этот метод иногда называют методом «оптического рычага», сигнал не усиливается, если путь луча сделать длиннее. Более длинный путь луча увеличивает движение отраженного пятна на фотодиодах, но также расширяет пятно на ту же величину из-за дифракции , так что то же количество оптической мощности перемещается от одного фотодиода к другому. «Оптическое плечо» (выходной сигнал детектора, деленный на отклонение кантилевера) обратно пропорционально числовой апертуре фокусирующей луч оптики, пока сфокусированное пятно лазера достаточно мало, чтобы полностью упасть на кантилевер. Оно также обратно пропорционально длине кантилевера.

Относительная популярность метода отклонения луча объясняется его высокой чувствительностью и простотой эксплуатации, а также тем фактом, что кантилеверы не требуют электрических контактов или другой специальной обработки и поэтому могут быть изготовлены относительно дешево с использованием острых интегрированных наконечников.

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 как электрический сигнал. С помощью этого метода были обнаружены колебания кантилевера вплоть до 10 пм.
• Лазерная допплеровская виброметрия – Лазерный допплеровский виброметр может использоваться для получения очень точных измерений отклонения для колеблющегося кантилевера ^[38] (поэтому используется только в бесконтактном режиме). Этот метод является дорогостоящим и используется только относительно немногими группами.
• Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — первый атомный микроскоп использовал СТМ с собственным механизмом обратной связи для измерения отклонения. ^[8] Этот метод очень сложен в реализации и 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, измеряемых в АСМ, интерферометр работает в режиме суб-края, поэтому любой дрейф мощности лазера или длины волны оказывает сильное влияние на измерение. По этим причинам измерения оптического интерферометра должны проводиться с большой осторожностью (например, с использованием жидкостей для согласования индексов между оптоволоконными соединениями) с очень стабильными лазерами. По этим причинам оптическая интерферометрия используется редко.
• Емкостное обнаружение – Консоль с металлическим покрытием может образовывать конденсатор с другим контактом, расположенным за консолью. ^[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 . Используя мост Уитстона , можно измерить деформацию в кантилевере 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 изготавливаются из пьезоэлектрического материала, который расширяется и сжимается пропорционально приложенному напряжению. Удлиняются они или сжимаются, зависит от полярности приложенного напряжения. Традиционно наконечник или образец устанавливается 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] Позднее трубчатые сканеры были включены в АСМ. Трубчатый сканер может перемещать образец в направлениях x , y и z, используя один трубчатый пьезоэлемент с одним внутренним контактом и четырьмя внешними контактами. Преимуществом трубчатого сканера по сравнению с оригинальной конструкцией штатива является лучшая виброизоляция, возникающая из-за более высокой резонансной частоты конструкции из одного элемента в сочетании с низкорезонансной частотой изолирующего каскада. Недостатком является то, что движение x - y может вызвать нежелательное движение z , приводящее к искажению. Еще одной популярной конструкцией сканеров АСМ является гибкий столик, в котором для каждой оси используются отдельные пьезоэлектрические элементы, а соединяются они посредством механизма изгиба.

Сканеры характеризуются своей чувствительностью, которая является отношением пьезодвижения к пьезонапряжению, т. е. тем, насколько пьезоматериал расширяется или сжимается за один приложенный вольт. Из-за различий в материале или размере чувствительность варьируется от сканера к сканеру. Чувствительность варьируется нелинейно относительно размера сканирования. Пьезосканеры проявляют большую чувствительность в конце, чем в начале сканирования. Это приводит к тому, что прямое и обратное сканирование ведут себя по-разному и отображают гистерезис между двумя направлениями сканирования. ^[43] Это можно исправить, приложив нелинейное напряжение к пьезоэлектродам, чтобы вызвать линейное движение сканера, и откалибровав сканер соответствующим образом. ^[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 линейный датчик к предметному столику или пьезоэлементу для обнаружения истинного движения пьезоэлемента. Отклонения от идеального движения могут быть обнаружены датчиком и коррекцией, применяемой к сигналу пьезопривода для исправления нелинейного пьезодвижения. Такая конструкция известна как АСМ с "замкнутым контуром". Несенсорные пьезо АСМ называются АСМ с "разомкнутым контуром".

Чувствительность пьезоэлектрических материалов уменьшается экспоненциально со временем. Это приводит к тому, что большая часть изменения чувствительности происходит на начальных этапах жизни сканера. Пьезоэлектрические сканеры работают примерно 48 часов перед отправкой с завода, чтобы они прошли точку, когда у них могут быть большие изменения чувствительности. По мере старения сканера чувствительность будет меняться меньше со временем, и сканер будет редко требовать повторной калибровки, ^{[44] [45]} хотя различные руководства производителей рекомендуют ежемесячную или полумесячную калибровку АСМ с открытым контуром.

Преимущества и недостатки

Первый атомно-силовой микроскоп

Преимущества

АСМ имеет несколько преимуществ по сравнению со 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, просматриваемые 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. В то время как электронному микроскопу для правильной работы требуется дорогостоящая вакуумная среда, большинство режимов АСМ могут прекрасно работать в окружающем воздухе или даже в жидкой среде. Это позволяет изучать биологические макромолекулы и даже живые организмы. В принципе, АСМ может обеспечивать более высокое разрешение, чем СЭМ. Было показано, что он обеспечивает истинное атомное разрешение в сверхвысоком вакууме (СВВ) и, в последнее время, в жидких средах. Высокое разрешение АСМ сопоставимо 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 или инфракрасная спектроскопия, что приводит к появлению сканирующей оптической микроскопии ближнего поля , нано-FTIR и дальнейшему расширению ее применимости. Комбинированные АСМ-оптические инструменты в основном применялись в биологических науках, но в последнее время привлекают большой интерес в фотовольтаике ^[13] и исследованиях по хранению энергии, ^[46] полимерных науках, ^[47] нанотехнологиях ^{[48] [49]} и даже медицинских исследованиях. ^[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 10–20 микрометров. Одним из методов улучшения размера сканируемой области для АСМ является использование параллельных зондов способом, аналогичным способу хранения данных многоножки .

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

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

Артефакт АСМ, крутой рельеф образца

На изображения AFM также могут влиять нелинейность, гистерезис [ ^43] и ползучесть пьезоэлектрического материала и перекрестные помехи между осями x , y , z , которые могут потребовать улучшения программного обеспечения и фильтрации. Такая фильтрация может «сгладить» реальные топографические особенности. Однако более новые AFM используют программное обеспечение для коррекции в реальном времени (например, сканирование с ориентацией на признаки ^{[44] [51]} ) или сканеры с замкнутым контуром, которые практически устраняют эти проблемы. Некоторые AFM также используют разделенные ортогональные сканеры (в отличие от одной трубки), которые также служат для устранения части проблем перекрестных помех.

Как и в случае с любым другим методом 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 фактическими столкновениями с образцом из-за слишком быстрого сканирования или наличия неоправданно шероховатой поверхности, что приводит к фактическому износу наконечника.

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

Другие приложения в различных областях исследований

АСМ-изображение части аппарата Гольджи, выделенной из клеток HeLa

Последние усилия по интеграции нанотехнологий и биологических исследований были успешными и показывают многообещающие 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 изучаются для оптимизации их эффективности и того, как можно улучшить их конструкцию. ^[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 преимущества АСМ для получения дополнительной информации о поведении живых клеток в биологических средах. Атомно-силовая спектроскопия в реальном времени (или наноскопия) и динамическая атомно-силовая спектроскопия использовались для изучения живых клеток и мембранных белков и 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 взаимодействия клеток и взаимодействий с другими сигнальными молекулами (например, лигандами). Эванс и Колдервуд использовали микроскопию сил одиночных клеток для изучения сил адгезии клеток , кинетики связей/динамической прочности связей и ее роли в химических процессах, таких как клеточная сигнализация. ^[59] Шойринг, Леви и Риго рассмотрели исследования, в которых АСМ использовалась для изучения кристаллической структуры мембранных белков фотосинтезирующих бактерий. ^[60] Альстин и др. использовали наноскопию на основе АСМ для проведения анализа в реальном времени взаимодействия живых микобактерий и антимикобактериальных препаратов (в частности , изониазида , этионамида , этамбутола и стрептомицина ), ^[61] , что служит примером более глубокого анализа взаимодействий патоген-лекарство, который можно выполнить с помощью АСМ.

Смотрите также

Научный портал

• Инфракрасная спектроскопия на основе АСМ (AFM-IR)
• Бимодальная атомно-силовая микроскопия
• Электрохимический АСМ
• Картографирование силы трения
• Нано-FTIR
• Фотопроводящая атомно-силовая микроскопия
• Сканирующая микроскопия напряжения
• Аппарат поверхностных сил

Ссылки

1. «Измерение и анализ кривых сила-расстояние с помощью атомно-силовой микроскопии» (PDF) . afmworkshop.com.
2. Онезорге, Франк (4 июня 1993 г.). «Истинное атомное разрешение с помощью атомно-силовой микроскопии с использованием сил отталкивания и притяжения». Science . 260 (5113): 1451–6. Bibcode :1993Sci...260.1451O. doi :10.1126/science.260.5113.1451. PMID  17739801. S2CID  27528518.
3. Giessibl, Franz (6 января 1995 г.). "Атомное разрешение поверхности кремния (111)-(7x7) с помощью атомно-силовой микроскопии" (PDF) . Science . 267 (5194): 68–71. doi :10.1126/science.267.5194.68. PMID  17840059. S2CID  20978364.
4. Атомно-силовая микроскопия для электрической характеристики. www.youtube.com/user/MINATEC .
5. «Исследования с использованием атомно-силовой микроскопии, включающие изучение забытых тропических болезней». www.afmworkshop.com .
6. US4724318 – Атомно-силовой микроскоп и метод получения изображений поверхностей с атомным разрешением
7. Binnig, G.; Quate, CF; Gerber, Ch. (1986). "Атомно-силовой микроскоп". Physical Review Letters . 56 (9): 930–933. Bibcode : 1986PhRvL..56..930B. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . PMID  10033323.
8. Binnig, G.; Quate, CF; Gerber, Ch. (1986). "Атомно-силовой микроскоп". Physical Review Letters . 56 (9): 930–933. Bibcode : 1986PhRvL..56..930B. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . ISSN  0031-9007. PMID  10033323.
9. Lang, KM; DA Hite; RW Simmonds; R. McDermott; DP Pappas; John M. Martinis (2004). «Проводящая атомно-силовая микроскопия для характеристики наномасштабных туннельных барьеров». Review of Scientific Instruments . 75 (8): 2726–2731. Bibcode : 2004RScI...75.2726L. doi : 10.1063/1.1777388. Архивировано из оригинала 23.02.2013.
10. Cappella, B; Dietler, G (1999). "Кривые сила-расстояние с помощью атомно-силовой микроскопии" (PDF) . Surface Science Reports . 34 (1–3): 1–104. Bibcode :1999SurSR..34....1C. doi :10.1016/S0167-5729(99)00003-5. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-12-03.
11. Roiter, Y; Minko, S (ноябрь 2005 г.). «Эксперименты с одиночными молекулами АСМ на границе раздела твердое тело-жидкость: конформация in situ адсорбированных гибких полиэлектролитных цепей». Журнал Американского химического общества . 127 (45): 15688–9. doi :10.1021/ja0558239. ISSN  0002-7863. PMID  16277495.
12. Zhong Q, Inniss D, Kjoller K, Elings V (1993). «Изучение поверхности изломанного полимерного/силикатного волокна с помощью атомно-силовой микроскопии в режиме касания». Surface Science Letters . 290 (1): L688–L692. Bibcode : 1993SurSL.290L.688Z. doi : 10.1016/0167-2584(93)90906-Y.
13. Geisse, Nicholas A. (июль–август 2009 г.). «AFM и комбинированные оптические методы». Materials Today . 12 (7–8): 40–45. doi : 10.1016/S1369-7021(09)70201-9 .
14. Gross, L.; Mohn, F.; Moll, N.; Liljeroth, P.; Meyer, G. (27 августа 2009 г.). «Химическая структура молекулы, определенная с помощью атомно-силовой микроскопии». Science . 325 (5944): 1110–1114. Bibcode :2009Sci...325.1110G. doi :10.1126/science.1176210. PMID  19713523. S2CID  9346745.
15. Giessibl, Franz J. (2003). «Достижения в атомно-силовой микроскопии». Reviews of Modern Physics . 75 (3): 949–983. arXiv : cond-mat/0305119 . Bibcode :2003RvMP...75..949G. doi :10.1103/RevModPhys.75.949. S2CID  18924292.
16. Hinterdorfer, P; Dufrêne, Yf (май 2006). «Обнаружение и локализация событий распознавания отдельных молекул с использованием атомно-силовой микроскопии». Nature Methods . 3 (5): 347–55. doi :10.1038/nmeth871. ISSN  1548-7091. PMID  16628204. S2CID  8912697.
17. Феррари, Л.; Кауфманн, Дж.; Виннефельд, Ф.; Планк, Дж. (июль 2010 г.). «Взаимодействие цементных модельных систем с суперпластификаторами, исследованное с помощью атомно-силовой микроскопии, дзета-потенциала и измерений адсорбции». J Colloid Interface Sci . 347 (1): 15–24. Bibcode :2010JCIS..347...15F. doi :10.1016/j.jcis.2010.03.005. PMID  20356605.
18. Батт, Х.; Каппелла, Б.; Каппл, М. (2005). «Измерения силы с помощью атомно-силового микроскопа: техника, интерпретация и применение». Surface Science Reports . 59 (1): 1–152. Bibcode :2005SurSR..59....1B. CiteSeerX 10.1.1.459.3771 . doi :10.1016/j.surfrep.2005.08.003. 
19. Gavin M. King; Ashley R. Carter; Allison B. Churnside; Louisa S. Eberle & Thomas T. Perkins (2009). «Ультрастабильная атомно-силовая микроскопия: стабильность в атомном масштабе и регистрация в условиях окружающей среды». Nano Letters . 9 (4): 1451–1456. Bibcode :2009NanoL...9.1451K. doi :10.1021/nl803298q. PMC 2953871 . PMID  19351191. 
20. Питер М. Хоффманн; Ахмет Орал; Ральф А. Гримбл (2001). «Прямое измерение градиентов межатомных сил с использованием атомно-силового микроскопа со сверхнизкой амплитудой». Труды Королевского общества A. 457 ( 2009): 1161–1174. Bibcode : 2001RSPSA.457.1161H. CiteSeerX 10.1.1.487.4270 . doi : 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. doi :10.1109/51.582176. PMID  9086372.
22. Перкинс, Томас. «Атомно-силовая микроскопия измеряет свойства белков и их сворачивание». SPIE Newsroom . Получено 4 марта 2016 г.
23. Гальванетто, Никола (2018). «Открытие одиночных клеток: топология зондирования и наномеханика нативных мембран». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1860 (12): 2532–2538. arXiv : 1810.01643 . doi : 10.1016/j.bbamem.2018.09.019. PMID  30273580. S2CID  52897823.
24. Родуит, Чарльз; Секатски, Сергей; Дитлер, Джованни; Кацикас, Стефан; Лафонт, Франк; Касас, Шандор (2009). «Томография жесткости с помощью атомно-силовой микроскопии». Biophysical Journal . 97 (2): 674–677. Bibcode :2009BpJ....97..674R. doi :10.1016/j.bpj.2009.05.010. PMC 2711326 . PMID  19619482. 
25. Thomas, G.; Y. Ouabbas; P. Grosseau; M. Baron; A. Chamayou; L. Galet (2009). «Моделирование средних сил взаимодействия между частицами мощности. Применение к смесям силикагеля и стеарата магния». Applied Surface Science . 255 (17): 7500–7507. Bibcode :2009ApSS..255.7500T. CiteSeerX 10.1.1.591.1899 . doi :10.1016/j.apsusc.2009.03.099. S2CID  39028440. 
26. Риф, М.; Гаутель, М.; Остерхельт, Ф.; Фернандес, Дж. М.; Гауб, Х. Э. (1997). «Обратимое разворачивание отдельных доменов иммуноглобулина титина с помощью АСМ». Science . 276 (5315): 1109–1112. doi :10.1126/science.276.5315.1109. PMID  9148804.
27. Петросян, Р. (2020). «Определение силы разворачивания и унифицированная модель зависимости средней силы разворачивания от скорости нагрузки». J. Stat. Mech . 2020 (33201): 033201. arXiv : 1904.03925 . Bibcode :2020JSMTE..03.3201P. doi : 10.1088/1742-5468/ab6a05 .
28. Sugimoto, Y; Pou, P; Abe, M; Jelinek, P; Pérez, R; Morita, S; Custance, O (март 2007 г.). «Химическая идентификация отдельных поверхностных атомов с помощью атомно-силовой микроскопии». Nature . 446 (7131): 64–7. Bibcode :2007Natur.446...64S. CiteSeerX 10.1.1.552.6764 . doi :10.1038/nature05530. ISSN  0028-0836. PMID  17330040. S2CID  1331390. 
29. Брайант, П. Дж.; Миллер, Р. Г.; Янг, Р.; «Совместное использование сканирующего туннелирования и атомно-силовой микроскопии». Applied Physics Letters , июнь 1988 г., том: 52, выпуск: 26, стр. 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-Хюн Чунг и Дэ-Юн 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 микроконсольных датчиков в жидкостях, управляемых магнитным, акустическим и броуновским движением». J. Appl. Phys. 102 (1): 014303–014303–7. Bibcode :2007JAP...102a4303Y. doi :10.1063/1.2751415.
33. Хассельбах, К.; Ладам, К. (2008). "Магнитная визуализация высокого разрешения: силовая микроскопия MicroSQUID". Журнал физики: Серия конференций . 97 (1): 012330. Bibcode : 2008JPhCS..97a2330H. doi : 10.1088/1742-6596/97/1/012330 .
34. Вагнер, Кристиан; Грин, Мэтью Ф. Б.; Лейнен, Филипп; Дайльманн, Торстен; Крюгер, Петер; Рольфинг, Михаэль; Темиров, Руслан; Таутц, Ф. Стефан (2015-07-06). "Сканирующая квантовая точечная микроскопия". Physical Review Letters . 115 (2): 026101. arXiv : 1503.07738 . Bibcode :2015PhRvL.115b6101W. doi :10.1103/PhysRevLett.115.026101. ISSN  0031-9007. PMID  26207484. S2CID  1720328.
35. Цицлер, Лотар; Хермингхаус, Стефан; Мугеле, Фридер (2002). «Капиллярные силы в атомно-силовой микроскопии в режиме касания». Phys. Rev. B. 66 ( 15): 155436. Bibcode : 2002PhRvB..66o5436Z. doi : 10.1103/PhysRevB.66.155436.
36. Чао Гао (1997). "Теория менисков и ее приложения". Applied Physics Letters . 71 (13): 1801. Bibcode :1997ApPhL..71.1801G. doi : 10.1063/1.119403 .
37. Giessibl, Franz J. (1 января 1998 г.). "Высокоскоростной датчик силы для силовой микроскопии и профилометрии с использованием кварцевого камертона" (PDF) . Applied Physics Letters . 73 (26): 3956. Bibcode : 1998ApPhL..73.3956G. doi : 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. Bibcode : 2008RScI...79l3703N. doi : 10.1063/1.3040500. PMID  19123565.
39. Rugar, D.; Mamin, HJ; Guethner, P. (1 января 1989 г.). «Улучшенный волоконно-оптический интерферометр для атомно-силовой микроскопии». Applied Physics Letters . 55 (25): 2588. Bibcode : 1989ApPhL..55.2588R. doi : 10.1063/1.101987.
40. Гёдденхенрих, Т. (1990). «Силовой микроскоп с емкостным обнаружением смещения». Журнал вакуумной науки и технологии A. 8 ( 1): 383. Bibcode : 1990JVSTA...8..383G. doi : 10.1116/1.576401.
41. Giessibl, FJ; Trafas, BM (1 января 1994 г.). "Пьезорезистивные кантилеверы, используемые для сканирующего туннелирования и сканирующего силового микроскопа в сверхвысоком вакууме" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 65 (6): 1923. Bibcode : 1994RScI...65.1923G. doi : 10.1063/1.1145232.
42. Binnig, G.; Smith, DPE (1986). "Однотрубчатый трехмерный сканер для сканирующей туннельной микроскопии". Review of Scientific Instruments . 57 (8): 1688. Bibcode : 1986RScI...57.1688B. doi : 10.1063/1.1139196 . ISSN  0034-6748.
43. Р. В. Лапшин (1995). "Аналитическая модель для аппроксимации петли гистерезиса и ее применение в сканирующем туннельном микроскопе" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 66 (9): 4718–4730. arXiv : 2006.02784 . Bibcode :1995RScI...66.4718L. doi :10.1063/1.1145314. ISSN  0034-6748. S2CID  121671951.(Имеется русский перевод).
44. RV Lapshin (2011). "Ориентированная на признаки сканирующая зондовая микроскопия". В HS Nalwa (ред.). Энциклопедия нанонауки и нанотехнологий (PDF) . Том 14. США: American Scientific Publishers. С. 105–115. ISBN 978-1-58883-163-7.
45. Р. В. Лапшин (1998). "Автоматическая латеральная калибровка сканеров туннельных микроскопов" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 69 (9): 3268–3276. Bibcode :1998RScI...69.3268L. doi :10.1063/1.1149091. ISSN  0034-6748.
46. Аяче, Морис; Люкс, Саймон Франц; Костецкий, Роберт (2015-04-02). «ИК-исследование ближнего поля твердоэлектролитной интерфазы на оловянном электроде». The Journal of Physical Chemistry Letters . 6 (7): 1126–1129. doi :10.1021/acs.jpclett.5b00263. ISSN  1948-7185. PMID  26262960.
47. Поллард, Бенджамин; Рашке, Маркус Б. (2016-04-22). «Коррелятивная инфракрасная наноспектроскопическая и наномеханическая визуализация микродоменов блок-сополимера». Журнал нанотехнологий Beilstein . 7 (1): 605–612. doi :10.3762/bjnano.7.53. ISSN  2190-4286. PMC 4901903. PMID 27335750  . 
48. Huth, F.; Schnell, M.; Wittborn, J.; Ocelic, N.; Hillenbrand, R. (2011). «Инфракрасная спектроскопическая наномодиография с тепловым источником». Nature Materials . 10 (5): 352–356. Bibcode :2011NatMa..10..352H. doi :10.1038/nmat3006. PMID  21499314.
49. Bechtel, Hans A.; Muller, Eric A.; Olmon, Robert L.; Martin, Michael C.; Raschke, Markus B. (2014-05-20). "Сверхширокополосная инфракрасная наноспектроскопическая визуализация". Труды Национальной академии наук . 111 (20): 7191–7196. Bibcode : 2014PNAS..111.7191B. doi : 10.1073/pnas.1400502111 . ISSN  0027-8424. PMC 4034206. PMID 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 сканирования с ориентацией на признаки для зондовой микроскопии и нанотехнологий" (PDF) . Нанотехнологии . 15 (9): 1135–1151. Bibcode :2004Nanot..15.1135L. doi :10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN  0957-4484. S2CID  250913438.
52. Р. В. Лапшин (2007). "Автоматическое устранение дрейфа в изображениях зондового микроскопа на основе методов встречного сканирования и распознавания особенностей рельефа" (PDF) . Measurement Science and Technology . 18 (3): 907–927. Bibcode :2007MeScT..18..907L. doi :10.1088/0957-0233/18/3/046. ISSN  0957-0233. S2CID  121988564.
53. VY Yurov; AN Klimov (1994). "Калибровка сканирующего туннельного микроскопа и реконструкция реального изображения: устранение дрейфа и наклона". Review of Scientific Instruments . 65 (5): 1551–1557. Bibcode :1994RScI...65.1551Y. doi :10.1063/1.1144890. ISSN  0034-6748. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-07-13.
54. G. Schitter; MJ Rost (2008). «Сканирующая зондовая микроскопия с видеочастотой». Materials Today . 11 (специальный выпуск): 40–48. doi : 10.1016/S1369-7021(09)70006-9 . ISSN  1369-7021.
55. Р. В. Лапшин; О. В. Объедков (1993). "Быстродействующий пьезоактюатор и цифровая обратная связь для сканирующих туннельных микроскопов" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 64 (10): 2883–2887. Bibcode :1993RScI...64.2883L. doi :10.1063/1.1144377. ISSN  0034-6748.
56. Септиади, Деди; Криппа, Федерика; Мур, Томас Ли; Ротен-Рутисхаузер, Барбара; Петри-Финк, Альке (2018). «Взаимодействие наночастиц и клеток: перспективы механики клеток». Advanced Materials . 30 (19): 1704463. Bibcode :2018AdM....3004463S. doi :10.1002/adma.201704463. ISSN  1521-4095. PMID  29315860. S2CID  19066377.
57. Йонг, Вим Х Де; Борм, Пол JA (июнь 2008 г.). «Доставка лекарств и наночастицы: применение и опасности». Международный журнал наномедицины . 3 (2): 133–149. doi : 10.2147/ijn.s596 . PMC 2527668. PMID  18686775 . 
58. Пиргиотакис, Георгиос; Блаттманн, Кристоф О.; Демокриту, Филипп (10 июня 2014 г.). «Взаимодействие наночастиц и клеток в реальном времени в физиологических средах с помощью атомно-силовой микроскопии». ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 2 (Устойчивая нанотехнология 2013): 1681–1690. doi :10.1021/sc500152g. PMC 4105194. PMID  25068097 . 
59. Эванс, Эван А.; Колдервуд, Дэвид А. (25 мая 2007 г.). «Силы и динамика связей в клеточной адгезии». Science . 316 (5828): 1148–1153. Bibcode :2007Sci...316.1148E. doi :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. Alsteens, David; Verbelen, Claire; Dague, Etienne; Raze, Dominique; Baulard, Alain R.; Dufrêne, Yves F. (апрель 2008 г.). «Организация клеточной стенки микобактерий: наномасштабный вид». Pflügers Archiv: European Journal of Physiology . 456 (1): 117–125. doi : 10.1007/s00424-007-0386-0 . PMID  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). «Царапание поверхности: фундаментальные исследования трибологии с помощью атомно-силовой микроскопии». Chemical Reviews . 97 (4): 1163–1194. doi :10.1021/cr960068q. ISSN  0009-2665. PMID  11851446.
• Giessibl, Franz J. (2003). «Достижения в атомно-силовой микроскопии». Reviews of Modern Physics . 75 (3): 949–983. arXiv : cond-mat/0305119 . Bibcode :2003RvMP...75..949G. doi :10.1103/RevModPhys.75.949. ISSN  0034-6861. S2CID  18924292.
• Гарсия, Рикардо; Кнолл, Армин; Риедо, Элиза (2014). «Усовершенствованная сканирующая зондовая литография». Nature Nanotechnology . 9 (8): 577–87. arXiv : 1505.01260 . Bibcode : 2014NatNa...9..577G. doi : 10.1038/NNANO.2014.157. PMID  25091447. S2CID  205450948.
• Гарсия, Рикардо; Перес, Рубен (2002). «Динамические методы атомно-силовой микроскопии». Surface Science Reports . 47 (6–8): 197–301. Bibcode : 2002SurSR..47..197G. doi : 10.1016/S0167-5729(02)00077-8.

Внешние ссылки

• Внутреннее устройство АСМ — анимированное объяснение WeCanFigureThisOut.org