Aatomijõumikroskoopia

Aatomjõumikroskoopia ehk AFM kuulub skaneeriva teravikmikroskoopia perekonda. Aatomjõumikroskoopia on väga tõhus meetod erinevate objektide pindade uurimiseks nii aatom- kui ka sub-mikroonsel taseme.

Meetodi tööpõhimõte/iseloomustus

Enamlevinud teravikmikroskoopidel on sarnane tööpõhimõte (joonis 1), kuid erinevused tulenevad detekteerimise ning andmete kogumise ja esitamise süsteemist. Tavaliselt saadakse pilt

Joonis 1. Teravikmikroskoopide tööpõhimõte

uuritava pinna topograafiast objektile lähendatud teraviku skaneerimisel üle soovitud pindala, kusjuures skaneerimise ajal kontrollitakse tagasiside ahelaga kas vedrukese painet või võnkeamplituudi muutust. Aatomjõumikroskoobis lähendatakse uuritavale objektile nn. jõusensor, mis koosneb teatud jäikusega lehtvedrukestest ning nende küljes olevatest teravikest. (joonis 2). Interaktsiooni teraviku ja objekti vahel kirjeldatakse kas tõmbe- või tõukejõududega, mis ei sõltu uuritavate objektide elektrijuhtivusest. Seetõttu võimaldab meetod uurida nii isolaatoreid kui ka elektrit juhtivaid objekte.

Joonis 2. Uuritava objekti pinnale lähendatud jõusensor

Vaatleme lähemalt teraviku ja objekti pinna vahelist interaktsiooni. Kui teraviku ja objekti pinna vaheline kaugus on mõnikümmend nanomeetrit, siis sellisel juhul on domineerivaks van der Waalsi tõmbejõud. Vahekauguse vähendamisel kuni mõne kümnendiku nanomeetrini, osutuvad teraviku ja pinna aatomite väliskatete elektronide lainefunktsioonid kattuvateks ja ülekaalu saavutavad eksponentsiaalselt suurenevad vahetusseoses olevad tõukejõud. Need vahetusseose tõukejõud kompenseerivad kiiresti van der Waalsi tõmbejõud. Teraviku edasisel lähendamisel pinnale muutuvad jõud Pauli keeluprintsiibi tõttu tõukuvateks. Mehaaniline kontakt defineeritakse kui piirkond, kus on tasakaal tõmbe- ja tõukejõudude vahel (joonis 3).

Joonis 3. Teraviku ja objekti vaheline interaktsioon

Jõusensorite omadused

Jõusensorid ja nende külge kinnituvad teravikud on kõige olulisemad komponendid aatomjõumikroskoobis, sest nende omadustest otseselt sõltub uuritavale objektile rakendatav jõud ja pinnast saadava pildi lateraalne lahutus. Seega on vajalik leida jõusensoritele optimaalsed omadused, mis vastaksid esitatud nõuetele. Väikeste jõudude (nN suurusjärgus) määramiseks peab vedrukese enda jäikus olema samuti piisavalt väike s.t. mida painduvam vedru, seda suurem tundlikkus saavutatakse. Samas on vajalik vedrukese kõrge resonantssagedus, et vähendada mikroskoobi tundlikkust mehaanilistele müradele. Vedrukese resonantssageduse ω₀ saab esitada avaldisega: $\omega _{0}={\sqrt {\frac {c}{m}}}$ (1), kus c on vedrukese jäikus ja m vedrukese mass.

Avaldisest (1) selgub, et suure resonantssageduse ja väikese jäikusega vedrukese puhul peab tema mass olema võimalikult väike. Vedrukese jäikust saab hinnata tahkise aatomite vahelise sideme tüüpilise jäikuse kaudu järgmise avaldisega: $c_{at}={w_{at}}^{2}m_{at}=10{\frac {N}{m}}$ (2), kus ω_at ~ 10¹³ Hz on aatomite võnkumise sagedus ja m_at ~ 10^-25 kg on aatomi mass. Peale piisava jäikuse ja kõrge resonantssageduse on suure lateraalse lahutuse (aatomlahutuse) saamiseks vajalik väikese tipuraadiusega teravikud. Oluline on ka, et teraviku poolnurk oleks väike ja teravik oleks piisavalt pikk. Pikem ja peenem teravik võimaldab korrektselt esitada järske üleminekuid ning sügavaid auke ja/või poore. Tavaliselt selliseid pikki ja peenikesi teravikke iseloomustatakse pikkuse ja laiuse suhtega st. mida suurem suhtarv seda peenem teravik.

Teravikele esitatud tingimuste ja hästi väljaarendatud tehnoloogia tõttu valmistatakse tänapäeval enamik vedrukesi räninitriidist (Si₃N₄) või puhtast ränist (Si). Sõltuvalt uuritavate objektide iseärasustest on võimalik kasutada nii V-kujulisi kui ka ristkülikukujulisi vedrukesi (joonis 4). Suurema jäikuse saavutamiseks kasutatakse sageli V-kujulisi vedrukesi, mistõttu need vedrukesed ei ole väga tundlikud hõõrdejõudude suhtes. Samas ristkülikukujulised vedrukesed väänduvad kergemini ning see muutub oluliseks kui objekti pind on väga reljeefne .

Joonis 4. Aatomjõumikroskoobi erineva kujuga jõusensorid, a) V-kujuline ja b) ristkülikukujuline

Joonisel 4 on näidatud ka olulised vedrukese parameetrid, millega saavutatakse optimaalsed jäikus- ja sagedusparameetrid. Vedrukeste pikkus (l) on 100–200 μm, laius (w) 10–40 μm ning paksus (t) 0,3–2 μm. Jäikused ja resonantssagedused jäävad vastavalt vahemiku 0.1–10 N m^-1 ja 5–400 kHz .

Teravike kuju poolest on kasutusel peamiselt koonilised või püramiidsed teravikud, millede tipuraadius on tavaliselt alla 50 nm, parematel juhtudel isegi alla 10 nm, mistõttu selliste teravikega on võimalik saavutada aatomlahutust. Joonisel 5 on esitatud skaneeriva elektronmikroskoobi pildid vasakul koonilisest ja paremal püramiidsest räniteravikust .

Joonis 5. Püramiidjas teravik

Jõusensorile rakendatud jõudude detekteerimine

Kui aatomjõumikroskoobi teravik on lähendatud uuritava objekti pinnale, siis interaktsiooni tulemusena paindub vedruke vastavalt Hooke’i seadusele , mis avaldub järgmiselt: $F=c\cdot \Delta f$ (3), kus c on vedru jäikus, F- vedrukese elastsusjõud ja Δf vedru pikkuse muutus.

Objekti topograafia saamiseks kontaktses töörežiimis tuleb registreerida väga täpselt vedrukese paine. Selleks, et saada aatomlahutust, peab painde detekteerimise tundlikkus olema parem kui 0.1 nm . Seega peab detekteerimissüsteem olema väga täpne ning ei tohi avaldada vedrukesele märgatavat mõju ega põhjustada kujutiste moonutusi pildil.

Varasematel aatomjõumikroskoopidel kasutati vedrukese painde määramiseks tunnelvoolu, samuti mahtuvuse muutuse mõõtmist vedrukese ja abielektroodi vahel. Seevastu tänapäevastes mikroskoopides on kasutusel optiline detekteerimissüsteem, kus vedrukese paine registreeritakse tema tagaküljelt peegeldunud laserkiire detekteerimisega positsioonitundliku fotodetektori abil (joonis 6). Parema signaali saamiseks kaetakse vedruke tagaküljelt peegeldava kattega (nt metallikihiga).

Joonis 6. Vedrukese painde optiline detekteerimissüsteem a) ja positsioonitundlik fotodetektor b)

Positsioonitundlik fotodetektor on jaotatud neljaks sektoriks (Joonis 6 b) ning täpselt justeeritud laserkiir vastab punasele täpile joonisel. Kui objekti skaneeritakse kontaktses režiimis, siis vedrukese painet detekteeritakse laserkiire vertikaalse nihkumisega (sinine osa joonisel 6 b). Hõõrdejõust tingitud vedrukese väändumist iseloomustab joonise roheline osa, antud juhul laserkiir nihkub horisontaalselt. Vertikaalne või horisontaalne laserkiire liikumine detekteeritakse signaalide erinevusega vastavates sektorites – (A+B)-(C+D) vastab vertikaalsele nihkele ja (A+C)-(B+D) vastavalt horisontaalsele. Fotodetektoriga on võimalik mõõta laserkiire nihkeid suurusjärgus 1 nm.

Aatomjõumikroskoobi töörežiimid

Aatomjõumikroskoobi põhilised töörežiimid on kontaktne (ingl. keeles contact-AFM, CM-AFM), mittekontaktne (ingl. keeles Non-contact AFM, NC-AFM) või puutekontaktne (ingl. keeles Intermittent-contact AFM või Tapping-mode AFM, IC-AFM) . Iga töörežiimi jaoks on kasutusel erinevad teravikud, mille valik sõltub väga palju uuritava objekti pinnastruktuurist.

Kontaktses režiimis töötades saadakse topograafiline kujutis kas konstantse kõrguse või konstantse jõu režiimis. Konstantse kõrguse puhul skaneerimise jooksul piesoskänner ei muuda oma pikkust ning topograafilised andmed saadakse fotodetektori signaali muutustest ehk vedrukese paindumisest. Konstantse kõrguse tööviisi kasutatakse sageli aatomlahutuse saamiseks. Sellega vaadeldakse atomaarselt siledaid pindu, mille puhul vedrukese painded ja seega ka jõud on väiksed ning ei tekita objektis märgatavaid deformatsioone . Konstantse jõu töörežiimis kontrollitakse piesoskänneri liikumist z-sihis ja hoitakse vedrukese paine konstantne. Sellisel juhul saadakse topograafiline pilt registreerides piesoskänneri pikkust reguleerivat pinget.

Mittekontaktse töörežiimi (NC-AFM) korral vibreeritakse jäika vedrukest uuritava objekti kohal peaaegu tema resonantssagedusega (30–400 kHz) ja amplituudiga 1–10 nm. Teraviku lähendamisel pinnale või topograafia muutumisel, hakkab antud režiimis muutuma vedrukese võnkumise sagedus, kindla sagedusega võnkumise amplituud, või võnkefaas . Võnkumise amplituudi säilitamiseks muudetakse skänneri pikkust ning viimase pinge muutus kirjutab üles pinna topograafia muutused. Kuna antud režiimis teraviku ja objekti vaheline kaugus on ligikaudu 1–10 nm ja objektile mõjuv jõud on väike, siis saab selles režiimis uurida pehmeid objekte .

Puutekontaktse töörežiimi (IC-AFM) tööpõhimõte on sarnane mittekontaktse omaga, kuid erineb viimasest selle poolest, et puutekontaktses lähendatakse teravikku objektile senikaua kuni ta hetkeks puudutab pinda. Analoogselt mittekontaktsele režiimile saadakse ka selles režiimis topograafiline signaal skänneri z-suunaliste pingete muutuste abil ning samal ajal kontrollitakse tagasisideahelaga vedrukese amplituudi muutusi.

Teravikmikroskoopia meetodeid saab rakendada mitmesugustes keskkondades alustades ülikõrgvaakumist ning lõpetades vedelikega. Kõige sagedamini töötatakse AFM-ga õhu käes ja toatemperatuuril, mis tähendab seda, et mõõtmistel tuleb alati arvestada võimaliku õhukese veekile tekkimisega objektile, eriti oksiidkilede korral (joonis 7). Selline veekile võib tekitada mittekontaktses režiimis töötades objekti pinnale väärkujutisi ning raskendab pildil oleva informatsiooni interpreteerimist.

Joonis 7. Topograafia erinevates töörežiimides, kui objekti pinnal on õhuke veekile . a) mittekontaktne ja b) kontaktne režiim

Välislingid

 Aatomijõumikroskoopia – pildid, videod ja helifailid Wikimedia Commonsis