Højfølsom atomkraftmikroskopi åbner op for lysfølsomme materialer

Atomic force microscopy (AFM) bragte billedopløsningen i atomskala for scanning af tunnelmikroskopi, en teknik, der vandt Nobelprisen i fysik, til ikke-ledende overflader. Imidlertid, begrænsninger forbliver, når man prøver at bruge teknikken på sin mest følsomme måde med lysfølsomme prøver i væsker. Nu viser forskere ved Kanazawa University, hvordan man kan overvinde disse begrænsninger, ved at køre en cantilever et par mikrometer i størrelse ved megahertz -frekvenser med stabilitet og kontrol i væske og uden potentielt at udsætte prøven for lys.

Atomkraftmikroskoper overvåger de kræfter, der spiller mellem en overflade og en spids fastgjort til en cantilever for at udtrække information om overfladetopografi og sammensætning. Ved at svinge udliggeren over overfladen i stedet for at trække den kan styrken af ​​interaktioner med udliggeren og spidsen udledes af ændringer i oscillationsamplituden eller resonansfrekvensen uden at beskadige overfladen.

Normalt genererer en piezo -aktuator en akustisk bølge, der driver udliggeren til at svinge ved sin resonansfrekvens. Imidlertid, denne fremgangsmåde er tilbøjelig til falske bidrag til resonansen fra komponenterne i anordningen, der forbinder aktuatoren med udliggeren. Virkningen af ​​disse effekter er større for de mest følsomme cantilevers, som er små og har høje megahertz resonansfrekvenser. Alternativer er fototermiske, elektrostatisk eller elektrostriktiv cantilever -excitation, men hvis det undersøgte materiale er lysfølsomt eller opbevaret i en elektrokemisk aktiv væske, også disse har ulemper. I stedet fulgte Takeshi Fukuma og kolleger ved Kanazawa University op med en magnetisk excitationstilgang.

Forskerne undersøgte, hvordan de kan implementere deres tilgang med tre fabrikater af cantilever, som de tilpassede ved at tilføje en magnetisk perle dekoreret med en kul nanoskala. De påførte derefter et skiftevis magnetfelt ved at føre en vekselstrøm til en lille magnet, der var fremstillet af en 0,2 mm diameter tråd viklet omkring en cylinder på 3 mm i diameter.

Selvom andre grupper tidligere har demonstreret dynamisk AFM drevet af magnetisk excitation, tilgangen løber igen ind i problemer for små cantilevers. Tilbagekoblingssløjfen til håndtering af kredsløbsforsinkelsen og kompensation for den frekvensafhængige impedans, så enheden dækker en bred frekvensbåndbredde, fungerer ikke så godt ved høje frekvenser. I stedet designede forskerne et differentialkredsløb med åben sløjfe, der tilfører en kompleks spolespænding, der er proportional med frekvensen og indgangsspændingen.

For at demonstrere anvendeligheden af ​​deres tilgang målte de cantilever-resonanskurver og atomskala-topografien af ​​en glimmeroverflade i phosphatbufret saltopløsning med forskellige tilpassede cantilevers, herunder dem med en megahertz-orden resonansfrekvens.

Atomkraftmikroskopi

Det første billede ved hjælp af AFM blev rapporteret af Gerd Binnig, Calvin Quate og Christoph Gerber i 1986, fem år efter scanningstunnelmikroskopet. Teknikken er i stand til atomskalaopløsning og genererer billeder ved at måle sumstyrken af ​​et antal kræfter i spil mellem spids og prøve, herunder van der Waals og elektrostatisk.

AFM bruger en cantilever med en lille spids fastgjort for enden. For statisk AFM trækkes spidsen hen over overfladen, og udligningsbøjningen måles eller, udkragningshøjden justeres for at opretholde en konstant afbøjning. I dynamisk AFM, hvor udliggeren oscillerer ved sin resonansfrekvens og banker på overfladen med spidsen, kontakt mellem spidsen og overfladen forårsager mindre skade på prøven. Det er i stand til højfølsom billeddannelse uden overhovedet at komme i kontakt med overfladen i kontaktfri tilstand, ved at overvåge påvirkningen af ​​interaktioner med overfladen på amplituden og frekvensen af ​​cantilever -svingningerne.

Udover piezo aktiveret og fototermisk cantilever excitation kan elektrostatiske og elektrostriktive interaktioner bruges ved at anvende en forspænding mellem spids og overflade eller begge sider af en cantilever. Imidlertid, i mange af de væsker, der bruges til at huse prøver, dette kan forårsage ukontrollerede kemiske reaktioner.

Lukket sløjfe kontra åben sløjfe med differentieringskredsløb

Når man bruger magnetiske felter til at excitere svingninger i cantilever, kredsløbet, der leverer strøm til magnetspolen, skal opretholde en konstant strømamplitude. Imidlertid, kredsløbets impedans stiger med frekvensen, så der er behov for et højere spændingssignal for at opretholde en konstant strømamplitude. Dette opnås normalt med en feedback loop, som konverterer spolestrømmen til en spænding og sammenligner den med indgangsspændingen. Imidlertid, denne feedback loop bliver ustabil ved megahertz frekvenser.

I det åbne kredsløb, der bruges i stedet, indgangsspændingen føres ind i et differentieringskredsløb, der returnerer en kompleks spolespænding, der er proportional med indgangsspændingen og frekvensen ( V _spole =i .V _i , hvor V _spole er spolespændingen, V _i er indgangsspændingen og ω er frekvensen.) På denne måde skaleres spolespændingen automatisk med frekvensen, kompensere for de frekvensafhængige impedansændringer.