Microscop sił atomowych - Instytut Fizyki

Microscop sił atomowych - Instytut Fizyki

UNIWERSYTET PEDAGOGICZNY
im. Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie
Wydział Matematyczno-Fizyczno-Techniczny
Instytut Fizyki
LABORATORIUM NANOSTRUKTUR
Microscop sił atomowych
Nanosurf easyScan 2 AFM
Opracowane:
Sylwia Sowa
Magdalena Krupska
Hoa Kim Ngan Nhu-Tarnawska
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Nauka w skali nanometrów i Technologia w skali nanometrów (nanotechnologia) jest
nową dziedzinę nauki i technologii, na który obecnie przeznaczane są największych środki
finansowe z budżetów państw. Nanomateriały - ziaren/cząstki w rozmiarze nanometrów
posiadają struktury i wykazują właściwości, które nie występują w skali makroskopowej w
tych samych materiałach. Te unikalne cechy stanowią o właściwościach użytkowych
produktów wytwarzanych przez nanotechnologie.
Laboratorium Nanostruktur (NanoLab) Instytutu Fizyki (IF) Uniwersytetu
Pedagogicznego w Krakowie (UP) wyposażone jest w mikoskop Nanosurf easyScan 2 AFM i
STM (Rys.1) [1]. Umożliwia badania struktury powierzchni ciał stałych, cienkich warstw i
układów nanostruktur z atomową rozdzielczością. System Nanosurf easyScan 2 jest
modułowym systemem skaningowego mikroskopu z sondą SPM, który może zostać
zmodernizowany, aby uzyskać więcej możliwości pomiarowych. SPM ten został
zaprojektowany tak, aby każda osoba mogła robić eksperymenty w świecie atomów. Jego
konstrukcja jest kompaktowa, prosta i wygodna w obsłudze [1,2]. Główne elementy systemu
podstawowego AFM lub STM to: głowica skanująca, uchwyt i platforma do przymocowania
próbki (sample stage), układ sterujący skaningowego mikroskopu/kontroler (Nanosurf
easyScan 2 controller) razem z oprogramowanie sterującym oraz komputer PC z systemem
operacyjnym sterujący pracą mikroskopu. Głowica skanująca AFM oraz STM została tak
skonstruowana aby można go było podłączyć do samego układu sterującego.
Mikroskop AFM i STM pozwala wykonać pomiary z rozdzielczością w skali
nanometrowej. Pozwala na uzyskanie informacji dotyczących topografii zbadanych
materiałów oraz na obserwacji nanostruktur utworzonych na powierzchni poprzez
przetworzenie skanowanych obrazów dwuwymiarowych (color map), na widoki
trójwymiarowe (3D view) oraz profile głębokości (line graph).
Rys. 1. Mikroskop Nanosurf easyScan 2 STM i AFM w Laboratorium Nanostruktur Instytutu
Fizyki Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie. Umieszczony jest na stole
antywibracyjnym.
2
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
I.
Zasada działania
Mikroskop sił atomowych (AFM) został wynaleziony w 1986 przez G. Binniga, C.F.
Quate'a i C. Gerbera w laboratorium IBM w Zurychu [3].
Ostrze (tip) – sonda mikroskopu AFM umieszczona na końcu dźwigni (cantilever)
skanuje powierzchnię próbki. Siła jaka występuje pomiędzy atomami ostrza a atomami
badanej próbki powoduje skręcenie lub ugięcie dźwigni (Rys. 2). Pomiar wychylenia dźwigni
wykonuje się metodą optyczną za pomocą zogniskowanej wiązki lasera, która trafia do
fotodetektora po odbiciu od powierzchni dźwigni. Każde wychylenie dźwigni wywołuje
zmianę pozycji plamki lasera na detektorze, co umożliwia wyznaczenie zmiany położenia
dźwigni z dokładnością poniżej 1nm. Mapa sił dla każdego punktu znajdującego się na
powierzchni próbki jest przetwarzana komputerowo na obraz topografii próbki [4].
Rys. 2. Schemat mikroskopu sił atomowych AFM [5].
Typowe dźwignie mają długość 100–200 µm o stałej sprężystości k = 0.01 – 1 N/m i
częstości rezonansowe w zakresie 3 – 500 kHz. Ostrze AFM wykonuje się zazwyczaj z
krzemu i azotku krzemu (Si3N4). Ostrze może być wykonane wraz z dźwignią lub do dźwigni
przyklejane. Czubek ostrza składa się z jednego do kilkuset atomów. Podczas skanowania
AFM można mierzyć siły nacisku na powierzchnię z zakresu 10-7 – 10-11 N.
AFM może być stosowane do badania zarówno izolatorów, jak półprzewodników czy
przewodników. AFM może być używana do pomiaru właściwości sprężystych w danym
punkcie na powierzchni materiałów. W tym przypadku w funkcji wysokości monitorowana
jest składowa prostopadła do powierzchni siły działającej na dźwignię. Układ detekcji
optycznej jest zbudowany z diody laserowej, której powierzchnia jest podzielona na cztery
kwadraty. Różnica prądów pochodzących od górnej i dolnej połówki detektora jest miarą sił
działających prostopadle.
I.1.
Podstawy fizyczne
Spośród wielu typów oddziaływań, które są źródłem sił działających na dźwignie
AFM, dominujące są przyciągające oddziaływania van der Waalsa oraz odpychanie
elektrostatyczne. Oddziaływania pomiędzy atomami ostrza a próbki wyraża się wzorem tzw.
potencjał Lennarda-Jonesa:
3
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
=4
−
Potencjał Lennarda-Jonesa składa się z dwóch części: odpychania (~σ12) i przyciągania(~σ6).
Wprowadzane jest odpychanie na małych odległościach, gdzie ε oznaczane jest jako
głębokość studni potencjału, σ jako skończona odległość przy której potencjał
międzycząsteczkowy wynosi zero i r oznacza odległość pomiędzy atomami ostrza a próbki.
Zależność potencjału Lennarda-Jonesa od odległości od powierzchni próbki (odległość ostrzepróbka) zilustrowana jest na Rys.3.
odległość ostrze-próbka
Rys.3. Zależność potencjału Lennarda-Jonesa od odległości ostrze-próbka i strefy potencjału
Lennarda-Jonesa wykorzystywanego przez podstawowe tryby pracy AFM [6].
I.2.
Tryby pracy
Tryby pracy AFM związane są z zależnością oddziaływania ostrze-próbka od
odległości ostrze-próbka. Wykorzystywane są siły krótko- lub długo-zasięgowe (Rys. 3).
Tryby pracy możemy podzielić na:
tryb kontaktowy (contact mode/contact regim (CR)): podczas pracy w trybie CR
ostrze znajduje się delikatnym, fizycznym kontakcie z próbką. Pomiędzy atomami na czubku
ostrza a atomami próbki zachodzą bezpośrednie oddziaływanie sił(na wskutek nakładania się
chmur elektronowych), które powodują wygięcie dźwigni.
Zalety:
- duża szybkość obrazowania,
- wysoka rozdzielczość obrazów (ograniczona przez promień igły),
Wady:
-uszkodzenia powierzchni miękkich próbek i igły,
- zniekształcenia dla próbek o różnej twardości lokalnej,
- duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni.
tryb bezkontaktowy (non-contact mode/non-contact regim (NCR)) w którym ostrze
jest utrzymane w odległości od kilku do kilkudziesięciu nm od powierzchni próbki (ostrze nie
dotyka próbki). W tym przypadku pomiędzy próbką a sonda działają siły
przyciągania(oddziaływanie van der Waalsa). W tym trybie dźwignia wibruje o częstości
4
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
zbliżonej do jej częstości rezonansowej. Zmiana siły oddziaływania (gdy drgająca igła zbliża
się do powierzchni) powoduje zmianę częstości rezonansowej i amplitudy co stanowi
informację pozwalającą uzyskać obraz powierzchni próbki.
Zalety:
-unikanie uszkodzenia próbki lub ostrza.
Wady:
-słabe siły,
- mniejsza rozdzielczość obrazów,
- nie można stosować do próbek ciekłych.
tryb stukający z przerywanym kontaktem (tapping mode): w tym trybie dźwignia
wprowadzana jest w drgania blisko powierzchni. Ostrze cyklicznie uderza w powierzchnię.
Pomiar zmian amplitudy drgań dźwigni pozwala na tworzenie obrazu topologii próbki.
Zalety:
-dobra zdolność rozdzielcza,
- możliwość stosowania do próbek miękkich i delikatnych (uniknięcie uszkodzenia
powierzchni próbki związanego z tarciem i szarpaniem próbki).
Wady:
-wymaganie dużej stałej sprężystości dźwigni (sztywne dźwignie; k = 20–80 N/m) i wysokiej
częstotliwości rezonansowej (f = 200–400 kHz).
I.3.
Zastosowanie AFM w badaniach naukowych i w technice
AFM umożliwia pomiary z nanometrową rozdzielczością różnych rodzajów
materiałów (metali, półprzewodników i izolatorów), praktycznie z pominięciem preparatyki
próbek. AFM znalazła szerokie zastosowania w wielu różnych obszarach badawczych, w tym
nanotechnologii i biotechnologii. AFM można obecnie wykorzystywać w warunkach
wysokiej próżni, normalnej atmosfery lub nawet w warunkach, gdy badana próbka oraz sonda
są zanurzone w cieczy. Ta możliwość pozwala na stosowanie AFM do badań układów
biologicznych.
II.
Nanosurf easyScan 2 AFM (w NanoLab-IF-UP)
II.1.
Głowica skanująca (AFM scanhead)
Głowica skanująca AFM (Rys. 4) zawiera zatrzask przymocowujący dźwignię, śruby
poziomujące służące do wyrównywania płaszczyzny skanera z płaszczyzną próbki,
krokowego silnika (który zmienia odległość pomiędzy ostrzem i próbką) i sterowania (układ
sterujący/kontroler) [7]. Do zestawu pomiarowego można zaliczyć takie elementy jak: złącze
kablowe głowicy skanującej do podłączenia kabla głowicy skanującej, które łączy się z
układem sterującym, otwór na narzędzie wprowadzające dźwignie oraz element wyrównujący
do montażu dźwigni na głowicy skanującej.
Próbkę można umieścić bezpośrednio na platformie lub przymocować najpierw na
uchwycie zanim ją zamontujemy. Nad głowicą AFM są dwa małe otwory/okienka. Poprzez
widoki z góry oraz widoki boku (Rys. 5), można ustalić ręcznie (skręcając śruby
poziomujące) odległość ostrza do powierzchni próbki do 1-2 mm. Sterowanie odległości
mniejszej niż 1 mm obywa się przez program sterujący.
5
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Rys. 4. Głowica skanująca AFM z kamerą. Widok od góry (lewo) i od spodu (prawo).
Widok z góry
Widok z boku
Najniższy punkt
głowicy
próbka
uchwyt
platforma
Rys. 5. Głowica skanująca AFM oraz uchwyt do przymocowania próbki na platformie [1].
II.2.
Kontroler AFM
Układ sterujący (AFM Controller) jest połączony bezpośrednio z głowicą i
komputerem za pomocą kabla USB (Rys. 6). Wszystkie wyświetlacze stanu na górze
kontrolera zapalają się na jedną sekundę, gdy zasilanie zostanie włączone.
Wyświetlacz pozycji sondy (Probe status light) wskazuje odległość ostrza od próbki.
W czasie pracy może wskazać następujące stany:
- czerwony: ostrze znajduje się za blisko próbki, grozi to zniszczeniem,
- pomarańczowy/żółty: ostrze znajduje się za daleko od badanej próbki, może to oznaczać
brak kontaktu z badaną próbką,
- zielony: właściwa odległość ostrza z próbką, pozwala przeprowadzić pomiary,
- mrugający zielony: sprzężenie zwrotne jest wyłączane przez oprogramowanie sterujące,
- mrugający kolor czerwony: brak sygnału sprzężenia zwrotnego: zbyt mała intensywność
światła na fotodetektor z układu odchylenia wiązki laserowej.
6
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Wyświetlacz głowicy sterującej określa czy głowica skanująca jest podłączona do układu
sterującego.
Wyświetlacz modułów wskazuje które z modułów jest podłączone z układem sterującym.
Rys. 6. Kontroler-układ sterujący Nanosurf EasyScan 2 AFM.
III.
Przygotowanie do pomiarów
III.1. Montaż próbki
Bardzo istotnym warunkiem przeprowadzenia prawidłowego skanowania jest to, aby badany
materiał był tak umocowany do podłoża, aby nie mógł się przesuwać w trakcie skanowania.
Krok 1:
Za pomocą dwustronnej taśmy przylepnej (Rys. 7) umieść próbkę na środku metalowego
krążka (uchwytu).
Krok 2:
Umieść uchwyt na środku platformy.
Rys.7. Próbka zamontowana na uchwycie próbki.
7
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
III.2. Uruchomienie Nanosurf easyScan 2
Krok 1:
Upewnij się, że: 1) układ sterujący jest połączony z głowicą skanującą i komputerem za
pomocą kabla USB oraz 2) jest podłączony do głównego źródła zasilania.
Krok 2:
Włącz komputer i układ sterujący.
Krok 3:
Kliknij ikonkę „Nanosurf easyScan 2” na ekranie komputera. Lampka LED na głowicy
skanującej oraz wiązka laserowa powinna być włączona: widać oświetlony biały obszar
próbki oraz czerwoną wiązką laserową w najniższym punkcie głowicy.
III.3. Wybór trybu pracy i dźwigni
Nanosurf easyScan 2 w NanoLab-IF-UP pracuje w trybie kontaktowym CR (Static Force).
Krok 1:
Kliknij ikonę „Panels/Operating Mode”.
Krok 2:
Wybierz typ dźwigni/Mounted cantilever „CONTR” (stosowany w trybie CR).
Krok 3:
Wybierz tryb pracy/Operating mode „Static Force” (spośród podanych trybów: Static Force,
Dynamic Force, Phase Contact, Force Modulation, Spreading Resistance, Lateral Force).
Krok 4:
Wybierz środowisko pomiarów/Measurement „Air”.
Krok 5:
Skorzystaj z domyślnych parametrów kontrolera Z:
Z-controller Panel: Set point:18nN, P-Gain:10000, I-Gain:1000. Tip properties: 0V.
III.4. Ustalenie parametrów skanowania
Krok 1:
Kliknij ikonę „Imaging Panel”
Krok 2:
W „Imaging Area” ustalić: Image: 100µm
Skorzystaj z domyślnych parametrów: Time /1s; Point /256; Rotation 0o .
IV.
Ustawienie odległości ostrze-próbka
IV.1. Ustawienie próbki
Przesunąć uchwyt pod głowicę tak aby próbka znajdowała się w odległości 5-10 mm
od najniższego punktu głowicy (patrz Rys. 5).
IV.2. Zbliżanie ostrza do próbki
Aby rozpocząć pomiar, ostrze musi przybliżyć się do powierzchni próbki na odległość
mniejszą od nanometra. Osiągnięcie tego bez łamania ostrza odbywa się w trzech
następujących etapach.
Etap 1: Zbliżanie manualne/ręczne do ustalenia odległości ostrze-powierzchnia próbki ~2mm.
Etap 2: Zbliżanie mechaniczne do ustalenia odległości ostrze-powierzchnia próbki ~ 0.5mm.
Etap 3: Zbliżanie automatyczne do przybliżania ostrza do punktu startu (setpoint)
przygotowujące do skanowania.
8
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Etap 1: Zbliżanie manualne/ręczne
Gdy próbka jest oświetlona (lampą LED), poprzez okna na głowicy (widok z góry oraz widok
z boku pod kątem 45o), widoczne jest lustrzane odbicie dźwigni. Jak pokazano na Rys. 8,
odległość pomiędzy dźwignią a jej obiciem (odległość dźwignia-odbicie dźwigni) jest dwa
razy większa niż odległość pomiędzy dźwignią a powierzchnią próbki (odległość dźwigniapowierzchnia próbki).
Za pomocą trzech śrub wyrównujących obniż głowicę skanująca tak, aby ostrze znalazło się
w odległości 1-2 mm od powierzchni próbki: odległość dźwignia–odbicie dźwigni powinna
wynosić 2-4 mm.
Należy uregulować trzy śruby aby głowica skanująca znajdowała się równolegle do
powierzchni próbki.
dźwignia
powierzchnia próbki
odbicie dźwigni
Rys. 8. Widok z góry i z boku podczas zbliżania ręcznego. Odległość dźwignia-obicie dźwigni
jest dwa razy większa niż odległości dźwignia-powierzchnia próbki.
W przypadku gdy próbka nie jest oświetlona, cień ostrza może nie być widoczny. Jeśli ani
lustrzane odbicie, ani cień nie są widoczne, należy dostarczyć dodatkowe oświetlenie.
Etap 2: Zbliżanie mechaniczne (przy pomocy silnika krokowego)
Dźwignia jest przybliżana jest do powierzchni próbki bez dotykania jej.
Krok 1:
Wybierz ikonę „Positioning”: okienko „Approach Panel” jest otwarte.
Krok 2:
Obserwując odległość między dźwignią a próbką (w widoku z boku) i kliknij pojedynczymi
naciśnięciami przycisk „Advance” (Rys. 9) aż do osiągnięcia odległości 0.5 mm (Rys. 10).
Rys. 9. Zbliżanie mechaniczne za pomocą opcji „Advance”.
9
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Rys. 10. Widok z boku podczas zbliżania mechanicznego.
Widać, że odległość dźwignia-odbicie dźwigni jest ok. 0.5 mm,
dużo mniejsza niż odległości pokazanej na Rys. 8.
Uwaga: Po wykonaniu tego kroku należy wyprowadzić kursor myszy poza pole zakładki
„Approach”. Pozostawienie kursora myszy na pozycji przycisku „Advance” lub „Approach”,
może spowodować przypadkowy ruch, który mógłby uszkodzić ostrze.
Etap 3: Zbliżanie automatyczne
W tym etapie dźwignia automatycznie zbliża się do powierzchni próbki, do punktu startu
(setpoint) w celu skanowania.
Krok 1:
Załóż przezroczystą osłonę na głowicę AFM (Rys. 11). Jest to dodatkowa ochrona głowicy
podczas skanowania.
Rys. 11. Głowica AFM pokryta dodatkową osłoną ochronną.
Krok 2:
Wybierz ikonkę „Positioning”: wówczas zostanie otwarte okienko „Approach Panel”.
Krok 3:
W zakładce „Approach” naciśnij przycisk „Approach” (Rys. 12).
Otrze przesuwane jest automatycznie w kierunku próbki. Ruch ten trwa dopóki dźwignia nie
osiągnie punktu startu (setpoint) do skanowania. Pojawia się komunikat „Approach Done!”
Wyświetlacz pozycji sondy (Probe status light) zmienia kolor na zielony.
10
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Rys. 12. Zbliżanie automatyczne za pomocą opcji „Approach”.
Krok 4:
Pomiar zostaje rozpoczęty automatycznie. Uruchom automatycznie proces regulacji
nachylenia X-slope, Y-slope (Rys. 13)
Rys. 13. Regulacja X-slope oraz Y-slope zostaje
rozpoczęta automatycznie, podobnie jak proces
skanowania.
V.
Skanowanie - Zadanie do wykonania
Urządzenie jest ustawione domyślnie na automatyczne
automatycznym zbliżaniu.
Jeśli pomiar nie został rozpoczęty, zacznij pomiar ręcznie.
rozpoczęcie
pomiaru
po
ZADANIE 1:
V.1. Skanowanie obszaru o rozmiarze 100µm (Rys. 14)
Skanowanie należy rozpocząć od największego rozmiaru obrazu: 100µm (imaging area), a
następnie wybrać mniejszy obszar skanowania.
Krok 1:
Sprawdź (wybierz i ustalaj) parametry domyślne (patrz sesji III.4).
Krok 2:
Wybierz ikonkę „Imaging”.
Krok 3:
Naciśnij „Start”.
Krok 4:
Po zakończeniu pomiaru naciśnij „Stop”.
V.2. Przechowywanie danych skanowania
Krok 1:
Kliknij na ikonkę „Spec” a następnie na ikonkę „Photo”.
Krok 2:
Kliknij na > File > Save as…
Zapisz dane jako „Nazwa_scan_n.nid” w folderze C:/Uzytkownicy/User/Pulpit/AFM DLA
STUDENTOW/
n=1,2,3,4…(nr skanowania)
Przechowywane pomiary/skanowania mogą być ładowane do oprogramowania easyScan 2
AFM do późniejszego oglądania i analizy.
11
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Rys.14. Rozpoczęcie skanowania obrazu o rozmiarze 100µm. Próbka siatki SiO2/Si.
Uwaga:
W przypadku gdy pomiar zawiera duże zakłócenia, lub dwie linie skanowania nie są podobne,
powinno się zatrzymać pomiar i zmniejszyć/wyeliminować niedogodności. Aby to zrobić:
1/ Naciśnij przycisk „Stop” w zakładce „Imaging window”.
2/ Dokonaj ewentualnej zmiany parametrów (points, X-slope, Y-Slope itd.) by otrzymać
najlepszą jakość obrazu skanowania, m.in. zwróć uwagę czy linia skanowania znajdująca się
na wykresie liniowym ma charakter stabilny.
3/ Kliknij „Start” by wykonać nowe skanowanie,
4/ Po zakończeniu pomiaru naciśnij „Stop”.
ZADANIE 2:
V.3. Skanowanie wybranego wyciętego obszaru o rozmiarze 50µm
Krok 1:
Kliknij przycisk „Zoom” na pasku narzędzi: podczas przesuwania na mapie topografii
pojawia się kursor myszy w kształcie pióra.
Krok 2:
Kliknij w jednym rogu obszaru wybranego. Przytrzymaj przycisk myszy i przeciągnij kursor
do przeciwległego rogu obszaru w kształcie kwadratu (Rys. 15).
Krok 3:
Zwolnij przycisk myszy: wybrane pole określone jest przez położenie początkowe kursora
myszy i przeciwległy róg w którym przycisk myszy został zwolniony. W wynikowym panelu
narzędzi pokazywana jest wielkość i położenie wybranego pola.
Rys.15. Wycięcie części obszaru skanowanego obrazu.
12
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Krok 4:
Kliknij przycisk „Zoom” na zakładce „Tool Status”.
Krok 5:
Wykonaj skanowania:
Naciśnij „Start” i po zakończeniu pomiaru naciśnij „Stop”.
Krok 6:
Zapisz dane:
Kliknij na ikonkę „Spec” a następnie na ikonkę „Photo”. Zapisz dane jako
„Nazwa_scan_n.nid”.
ZADANIE 3:
V.4. Skanowanie wybranego wyciętego obszaru o rozmiarze 15µm
Krok 1:
Kliknij przycisk „Zoom” na pasku narzędzi.
Wybieraj obszar o rozmiarze 15µm.
Kliknij przycisk „Zoom” na zakładce „Tool Status”.
Krok 2:
Wykonaj skanowania:
Naciśnij „Start” i po zakończeniu pomiaru naciśnij „Stop”.
Krok 3:
Zapisz dane:
Kliknij na ikonkę „Spec” a następnie na ikonkę „Photo” i zapisz dane.
VI.
Zakończenie skanowania
Po zakończeniu skanowania, przed wyłączeniem urządzenia, należy wysunąć ostrze na
bezpieczną odległość od próbki.
Krok 1:
Wybierz ikonkę „Positioning”.
Krok 2:
W zakładce „Approach” kliknij przycisk ”Withdraw” (Rys. 16). Otrze jest odsuwane
automatycznie od próbki. Ruch ten trwa dopóki ostrze nie zostanie wysunięte na bezpieczną
odległość od próbki. Pojawia się komunikat „Ready”.
Krok 3:
Delikatnie zdejmij przezroczystą osłonę.
Krok 4:
W zakładce „Approach” kliknij przycisk „Retract” (Rys. 16). Otrze dalej odsuwane jest
automatycznie od próbki. Ruch ten trwa dopóki nie pojawi się komunikat ”Retract done”.
Krok 5:
Poprzez widok z góry oraz widok boku przez okna na głowicy, za pomocą trzech śrub
wyrównujących zwiększ odległość ostrze-próbka do > 10 mm.
Krok 6:
Zamknij oprogramowanie i wyłącz kontroler.
Krok 7:
Odłącz kabel USB pomiędzy kontrolerem i komputerem.
Krok 8:
Delikatnie odsunąć uchwyt od głowicy i potem wyjąc próbki od uchwytu i schować próbki.
13
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Rys. 16. Automatyczne i ręczne oddalenie ostrza od próbki odpowiednio za pomocą opcji
„Withdraw” i potem „Retract”.
VII. Przeglądanie i analiza danych pomiarowych
VII.1. Analiza danych pomiarowych
Przechowywane pomiary/skanowania w formacie „Nazwa_pliki.nid” mogą być ładowane do
oprogramowania easyScan 2 AFM w celu analizy.
Wykres (Charts) jest graficzną reprezentacją danych pomiarowych.
Krok 1:
Może uruchomić oprogramowanie easyScan 2 bez podłączania mikroskopu do komputera.
Opcja ta jest wykorzystywana do analizy danych.
Kliknij ikonę „Nanosurf easyScan 2” na pulpicie. Pojawia się komunikat widoczny na Rys.
17.
Kliknij przycisk „OK”.
Rys. 17. Komunikat po uruchomieniu oprogramowania easyScan
2 bez wykonywania pomiaru/skanowania.
Krok 2:
Otwórz pliki, które są przeznaczone do analizy: File > Open >Nazwa_skan_n.nid
Uwaga: klikając dwukrotnie plik np. „Nazwa_skan_n.nid” można go bezpośrednio
uruchomić do analizy „Nanosurf easyScan 2” .
VII.2. Analiza danych pomiarowych
Analizy danych można dokonać za pomocą „Evaluation Tools” (Narzędzia ewaluacji) na
Pasku Narzędzi.
Krok 1:
Wybierz „Tools” i „measurelength” do wyznaczenia długości pomiędzy dwoma dowolnymi
punktami,
14
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
Wybierz „Tools” i „measuredistance” do wyznaczenia odległości pomiędzy dwoma
dowolnymi równoległymi liniami,
Wybierz „Tools” i „measureangle” do wyznaczenia kąta pomiędzy dwoma liniami,
Wybierz „Tools” i „Create cross-section” do stworzenia profilu głębokości (przekroju) i
ewentualnego wyznaczenia wysokości nanostruktur obecnych na powierzchni próbki. (Rys.
17).
Krok 2:
Za pomocą opcji „Select Chart Type” można wybierać różne typy obrazu: obraz
dwuwymiarowy – topologii (Color map), obraz trójwymiarowy (3D view), profil głębokościprzekrój (Line graph).
Krok 3:
Za pomocą opcji „Select Data Filter” można wybrać rożne opcje korekty tła np. Mean Fit,
Linear Fit.
Rys. 17. Wyznaczenie długości
między
dwoma
punktami,
odległości
między
dwoma
równoległymi liniami, kąta między
dwoma liniami oraz stworzenie
profilu głębokości do wyznaczenia
wysokości
nanostruktur
na
powierzchni próbki.
15
Atomic Force Microscopy (AFM)
Mikroskop Sił Atomowych
VIII. Przygotowanie i oddanie raportu
Raport to krótki i rzeczowy opis podstaw fizycznych i otrzymanych danych skanowania
Nanosurf easyScan 2 AFM.
Raport powinien zawierać:
1/ Nazwisko, imię, grupa, data oddania raportu.
2/ Podstaw fizyczne AFM
3/ Opis Nanosurf easyScan 2 AFM
4/ Wyniki skanowania próbki:
- trzy obrazy o rozmiarze:
100µm (color map, mean fit),
50µm (shade map, line fit),
15µm (shade map, derived data),
- dla obrazu o rozmiarze 50µm oraz 15µm:
color map,
3D view,
line graph (profil głębokości).
- dla obrazu o rozmiarze 50µm:
wyznaczenie długości pomiędzy dowolnymi jasnymi punktami,
wyznaczenie odległości pomiędzy dowolnymi jasnymi liniami.
Zapisz obrazy w formacie „*.bmp” aby można było dołączyć je do raportu.
Raport można zakończyć sugestiami, komentarzem, krytyką, rozwinięciem tematu,
zgłoszeniem zauważonych błędów...
Literatura
[1] Nhu-Tarnawska Hoa Kim Ngan, wykład Mikroskopia sił atomowych (AFM). 2008-2014.
[2] http://nanosurf.com
[3] G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber, Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56,
930 (1986).
[4] R. Howland, L. Benatar, Mikroskopy ze skanującą sondą-Elementy teorii i praktyki.
Warszawa 2002.
[5] http://www2.if.uj.edu.pl/polyfilms/pdf/AFM_Instrukcja.pdf
[6] http://pl.wikipedia.org/wiki/Mikroskop_sił_atomowych
[7] NanosurfeasyScan 2 AFM Operating Instructions for SPM Control Software Version 3.0
(2011)http://intro.phys.psu.edu/class/p457/experiments/AFM_STM/easyscan2afmmanual
_3_0.pdf
16