Атомно-силовая микроскопия - Atomic force microscopy

АСМ генерирует изображения путем сканирования небольшого кантилевера по поверхности образца. Острый наконечник на конце кантилевера соприкасается с поверхностью, изгибая кантилевер и изменяя количество лазерного света, отраженного в фотодиод. Затем высота кантилевера регулируется для восстановления ответного сигнала, в результате чего измеренная высота кантилевера отслеживает поверхность.

Атомно-силовая микроскопия (AFM) или же сканирующая силовая микроскопия (SFM) - это тип изображения с очень высоким разрешением. сканирующая зондовая микроскопия (SPM), с продемонстрированным разрешением порядка долей нанометр, более чем в 1000 раз лучше, чем предел оптической дифракции.

Обзор

Слева атомно-силовой микроскоп, справа - управляющий компьютер.

Атомно-силовая микроскопия[1] (AFM) - это тип сканирующая зондовая микроскопия (SPM), с продемонстрированным разрешением порядка долей нанометр, более чем в 1000 раз лучше, чем предел оптической дифракции. Информация собирается путем «ощупывания» или «прикосновения» к поверхности механическим зондом. Пьезоэлектрический элементы, которые облегчают крошечные, но точные движения по (электронной) команде, обеспечивают точное сканирование.

Способности

Атомно-силовой микроскоп

AFM обладает тремя основными возможностями: измерение силы, получение топографических изображений и манипуляции.

При измерении силы АСМ можно использовать для измерения сил между зондом и образцом в зависимости от их взаимного разделения. Это может применяться для выполнения силовая спектроскопия, для измерения механических свойств образца, таких как Модуль для младших, мера жесткости.

Для получения изображений реакция зонда на силы, которые на него оказывает образец, может быть использована для формирования изображения трехмерной формы (топографии) поверхности образца с высоким разрешением. Это достигается растровое сканирование положение образца относительно наконечника и запись высоты зонда, которая соответствует постоянному взаимодействию зонда и образца (более подробную информацию см. в разделе «Топографическое изображение в АСМ»). Топография поверхности обычно отображается как псевдоцвет Хотя первая публикация Биннига, Куэйта и Гербера об атомно-силовой микроскопии в 1986 году предполагала возможность достижения атомного разрешения, необходимо было преодолеть серьезные экспериментальные проблемы, прежде чем атомное разрешение дефектов и краев ступеней в окружающих (жидких) условиях было продемонстрировали в 1993 году Онезорге и Бинниг.[2] Истинное атомное разрешение поверхности кремния 7x7 - атомные изображения этой поверхности, полученные с помощью СТМ, убедили научное сообщество в впечатляющем пространственном разрешении сканирующей туннельной микроскопии - пришлось подождать немного дольше, прежде чем оно было показано Гиссиблом.[3]

При манипуляции силы между зондом и образцом также могут использоваться для контролируемого изменения свойств образца. Примеры этого включают атомные манипуляции, литография сканирующим зондом и местная стимуляция клеток.

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

Другие технологии микроскопии

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

Существует несколько видов сканирующей микроскопии, в том числе сканирующая зондовая микроскопия (который включает AFM, сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (SNOM / NSOM), STED-микроскопия (STED) и сканирующая электронная микроскопия и электрохимический АСМ, EC-AFM). Хотя SNOM и STED используют видимый, инфракрасный или даже терагерц свет для освещения образца, их разрешение не ограничено дифракционным пределом.

Конфигурация

На рис. 3 показан AFM, который обычно состоит из следующих элементов.[5] Цифры в скобках соответствуют пронумерованным объектам на рис. 3. Координатные направления определяются системой координат (0).

Рис. 3: Типичная конфигурация АСМ.
(1): Консольный, (2): Опора для кантилевера, (3): Пьезоэлемент (для колебания кантилевера на собственной частоте), (4): Наконечник (фиксируется на открытом конце кантилевера, действует как зонд), (5): Детектор прогиба и движения кантилевера, (6): Образец для измерения с помощью АСМ, (7): xyz drive, (перемещает образец (6) и столик (8) в направлениях x, y и z относительно вершины наконечника (4)), и (8): Этап.

Маленькая пружинная консоль (1) поддерживается опорой (2). Необязательно пьезоэлектрический элемент (обычно изготовленный 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 столик для образца (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 подключены независимые приводы, поскольку необходимо контролировать относительное смещение образца и наконечника. Контроллеры и плоттер на рис.3 не показаны.

Согласно конфигурации, описанной выше, взаимодействие между зондом 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 зондом и образцом, чаще всего это величина отклонения, амплитуда вынужденных колебаний кантилевера или смещение резонансной частоты кантилевера (см. Раздел Режимы визуализации).

Детектор

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

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

Формирование имиджа

Примечание. В следующих параграфах предполагается, что используется «контактный режим» (см. Раздел «Режимы визуализации»). Для других режимов визуализации процесс аналогичен, за исключением того, что «отклонение» следует заменить соответствующей переменной обратной связи.

При использовании АСМ для изображения образца игла соприкасается с образцом, и образец сканируется в растровом формате по координатной сетке x – y (рис. 4). Чаще всего используется электронная петля обратной связи для поддержания постоянной силы между зондом и образцом во время сканирования. Этот контур обратной связи имеет на входе отклонение кантилевера, а его выход регулирует расстояние по оси z между опорой зонда (2 на рис. 3) и опорой для образца (8 на рис. 3). Пока острие остается в контакте с образцом и образец сканируется в плоскости x – y, изменение высоты образца будет изменять отклонение кантилевера. Затем обратная связь регулирует высоту опоры зонда так, чтобы отклонение восстановилось до заданного пользователем значения (уставки). Правильно отрегулированная петля обратной связи регулирует расстояние между опорой и образцом непрерывно во время сканирования, так что отклонение остается приблизительно постоянным. В этой ситуации выходной сигнал обратной связи соответствует топографии поверхности образца с точностью до небольшой ошибки.

Исторически использовался другой метод работы, при котором расстояние между образцом и зондом поддерживается постоянным и не контролируется обратной связью (сервомеханизм ). В этом режиме, обычно называемом «режимом постоянной высоты», отклонение кантилевера регистрируется как функция от положения образца по оси x – y. Пока наконечник находится в контакте с образцом, отклонение соответствует топографии поверхности. Основная причина, по которой этот метод больше не пользуется большой популярностью, заключается в том, что силы между зондом и образцом не контролируются, что может привести к достаточно высоким силам, чтобы повредить зонд или образец. Однако распространенной практикой является запись отклонения даже при сканировании в «режиме постоянной силы» с обратной связью. Это выявляет небольшую ошибку отслеживания обратной связи и иногда может выявить функции, которые не удалось отрегулировать с помощью обратной связи.

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

Рис. 5: Формирование топографического изображения методом АСМ.
(1): Вершина кончика, (2): Поверхность образца, (3): Z-орбита вершины наконечника, (4): Консольный.

История

AFM был изобретен учеными IBM в 1985 году.[6] Предшественник AFM, сканирующий туннельный микроскоп (STM), был разработан Герд Бинниг и Генрих Рорер в начале 1980-х на IBM Research - Цюрих, разработка, которая принесла им 1986 Нобелевская премия по физике. Бинниг изобрел[5] атомно-силовой микроскоп и первая экспериментальная реализация была сделана Биннигом, Quate и Гербер в 1986 г.[7]

Первый коммерчески доступный атомно-силовой микроскоп был представлен в 1989 году. АСМ - один из передовых инструментов для получения изображений, измерения и манипулирования материей в наноразмер.

Приложения

AFM был применен к проблемам в широком спектре дисциплин естественных наук, включая физика твердого тела, полупроводник наука и технология, молекулярная инженерия, химия полимеров и физика, химия поверхности, молекулярная биология, клеточная биология, и лекарство.

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 атомных манипуляций.

В молекулярной биологии AFM можно использовать для изучения структуры и механических свойств белковых комплексов и сборок. Например, AFM использовался для изображения микротрубочки и измерить их жесткость.

В клеточной биологии АСМ можно использовать 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 культуральной системе. АСМ также можно использовать для вдавливания клеток, чтобы изучить, как они регулируют жесткость или форму клеточной мембраны или стенки.

В некоторых вариантах электрические потенциалы также можно сканировать с помощью консоли. В более продвинутых версиях токи можно пропустить через наконечник для проверки электрическая проводимость или перенос подстилающей поверхности, но это сложная задача, поскольку несколько исследовательских групп сообщают согласованные данные (по состоянию на 2004 г.).[8]

Принципы

Электронная микрофотография использованного кантилевера АСМ. Ширина изображения ~ 100 мкм
Электронная микрофотография использованного кантилевера АСМ. Ширина изображения ~ 30 мкм

AFM состоит из консоль с острым наконечником (зондом) на конце, который используется для сканирования поверхности образца. Кантилевер обычно кремний или же нитрид кремния с наконечником радиус кривизны порядка нанометров. Когда игла приближается к поверхности образца, силы между зондом и образцом приводят к отклонению кантилевера в соответствии с Закон Гука.[9] В зависимости от ситуации силы, которые измеряются в AFM, включают механическое контактное усилие, силы Ван дер Ваальса, капиллярные силы, химическая связь, электростатические силы, магнитные силы (см. магнитно-силовой микроскоп, MFM), Казимира силы, силы сольватации и т. д. Наряду с силой, дополнительные величины могут одновременно измеряться с помощью специальных типов датчиков (см. сканирующая тепловая микроскопия, сканирующая микроскопия с расширением джоуля, фототермическая микроскопия, так далее.).

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

AFM может работать в нескольких режимах в зависимости от приложения. В целом возможные режимы визуализации делятся на статические (также называемые контакт) режимы и различные динамические (бесконтактные или «постукивающие») режимы, в которых кантилевер колеблется или колеблется с заданной частотой.[7]

Режимы визуализации

Работа AFM обычно описывается 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, режим переменного тока или режим вибрации, или, после механизма обнаружения, АСМ с амплитудной модуляцией; бесконтактный режим, или, опять же после механизма обнаружения, АСМ с частотной модуляцией.

Несмотря на номенклатуру, отталкивающий контакт может возникать или его можно избежать как в АСМ с амплитудной модуляцией, так и в АСМ с частотной модуляцией, в зависимости от настроек.[нужна цитата ]

Контактный режим

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

Режим нажатия

Одиночные полимерные цепи (толщиной 0,4 нм) записывали в режиме постукивания в водной среде с различным pH.[10]

В условиях окружающей среды в большинстве образцов образуется жидкий менисковый слой. Из-за этого удерживание наконечника зонда достаточно близко к образцу для того, чтобы можно было обнаружить силы ближнего действия, а также предотвращение прилипания наконечника к поверхности представляет собой серьезную проблему для контактного режима в условиях окружающей среды. Режим динамического контакта (также называемый прерывистым контактом, режимом переменного тока или режимом постукивания) был разработан для решения этой проблемы.[11] В настоящее время режим простукивания является наиболее часто используемым режимом AFM при работе в условиях окружающей среды или в жидкостях.

В режим нажатиякантилевер совершает колебания вверх и вниз на своей резонансной частоте или около нее. Это колебание обычно достигается с помощью небольшого пьезоэлемента в держателе кантилевера, но другие возможности включают в себя 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 колебаний кантилевера до тех пор, пока нет дрейфа или взаимодействия с поверхностью. Взаимодействие сил, действующих на кантилевер при приближении острия к поверхности, Силы Ван-дер-Ваальса, диполь-дипольные взаимодействия, электростатические силы и т.д. вызывают изменение (обычно уменьшение) амплитуды колебаний кантилевера по мере приближения иглы к образцу. Эта амплитуда используется как параметр, который входит в электронный сервопривод который контролирует высоту кантилевера над образцом. Сервопривод регулирует высоту для поддержания заданной амплитуды колебаний кантилевера при сканировании кантилевера по образцу. А постукивание AFM Таким образом, изображение создается путем отображения силы прерывистого контакта иглы с поверхностью образца.[12]

Хотя пиковые силы, прикладываемые во время контактирующей части колебания, могут быть намного выше, чем обычно используются в контактном режиме, режим постукивания обычно уменьшает повреждение, нанесенное поверхности и наконечнику, по сравнению с величиной, нанесенной в контактном режиме. Это можно объяснить короткой продолжительностью приложенного усилия, а также тем, что поперечные силы между зондом и образцом значительно ниже в режиме постукивания по сравнению с режимом контакта. Получение изображения в режиме постукивания достаточно мягкое даже для визуализации поддерживаемых поверхностей. липидные бислои или адсорбированные одиночные молекулы полимера (например, цепи синтетических полиэлектролитов толщиной 0,4 нм) в жидкой среде. При правильных параметрах сканирования соответствие одиночные молекулы может оставаться неизменным часами,[10] и даже одиночные молекулярные моторы можно визуализировать во время движения.

При работе в режиме постукивания также может быть записана фаза колебаний кантилевера относительно управляющего сигнала. Этот сигнальный канал содержит информацию об энергии, рассеиваемой кантилевером в каждом колебательном цикле. Образцы, которые содержат участки различной жесткости или с разными адгезионными свойствами, могут давать контраст в этом канале, который не виден на топографическом изображении. Однако количественное извлечение свойств материала образца из фазовых изображений часто невозможно.

Бесконтактный режим

В бесконтактная атомно-силовая микроскопия В режиме острие кантилевера не соприкасается с поверхностью образца. Вместо этого кантилевер колеблется либо на своем резонансная частота (частотная модуляция) или чуть выше (амплитудная модуляция), где амплитуда колебаний обычно составляет от нескольких нанометров (<10 нм) до нескольких пикометров.[13] В силы Ван дер Ваальса, которые являются самыми сильными на расстоянии от 1 до 10 нм над поверхностью, или любая другая дальнодействующая сила, которая распространяется над поверхностью, снижает резонансную частоту кантилевера. Это уменьшение резонансной частоты в сочетании с системой обратной связи поддерживает постоянную амплитуду или частоту колебаний за счет регулировки среднего расстояния между зондом и образцом. Измерение расстояния от зонда до образца в каждой точке данных (x, y) позволяет программе сканирования построить топографическое изображение поверхности образца.

АСМ в бесконтактном режиме не страдает эффектами деградации наконечника или образца, которые иногда наблюдаются после выполнения многочисленных сканирований с помощью контактной АСМ. Это делает бесконтактную АСМ предпочтительнее контактной АСМ для измерения мягких образцов, например биологические образцы и органическая тонкая пленка. В случае жестких образцов контактные и бесконтактные изображения могут выглядеть одинаково. Однако если несколько монослоев адсорбированный жидкости лежат на поверхности жесткого образца, изображения могут выглядеть совершенно иначе. АСМ, работающий в контактном режиме, проникает в слой жидкости, чтобы отобразить нижележащую поверхность, тогда как в бесконтактном режиме АСМ будет колебаться над слоем адсорбированной жидкости, чтобы отображать как жидкость, так и поверхность.

Схемы работы в динамическом режиме включают: модуляция частоты где ФАПЧ используется для отслеживания резонансной частоты кантилевера и более распространенных амплитудная модуляция с серво петля на месте, чтобы поддерживать возбуждение кантилевера на определенной амплитуде. При частотной модуляции изменения частоты колебаний предоставляют информацию о взаимодействиях зонд-образец. Частоту можно измерить с очень высокой чувствительностью, поэтому режим частотной модуляции позволяет использовать очень жесткие кантилеверы. Жесткие кантилеверы обеспечивают стабильность очень близко к поверхности, и в результате этот метод был первым методом АСМ, обеспечивающим истинное атомное разрешение в сверхвысокий вакуум условия.[14]

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

Амплитуда Модуляция также использовалась в бесконтактном режиме для получения изображений с атомарным разрешением за счет использования очень жестких кантилеверов и малых амплитуд в условиях сверхвысокого вакуума.

Топографическое изображение

Формирование изображения - это метод построения графика, который создает цветовое отображение путем изменения положения наконечника по x – y при сканировании и записи измеряемой переменной, то есть интенсивности управляющего сигнала, для каждой координаты x – y. Цветовая карта 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 примечаниях, сопровождающих изображение.

Что такое топографическое изображение атомно-силового микроскопа?

Режимы формирования изображения AFM обычно подразделяются на две группы с точки зрения того, использует ли он петлю z-обратной связи (не показана) для поддержания расстояния зонд-образец для сохранения интенсивности сигнала, экспортируемого детектором. Первый (с использованием цикла z-обратной связи), называемый "постоянным XX Режим" (XX это то, что хранится в петле z-обратной связи).

Режим формирования топографического изображения основан на указанной выше постоянной XX mode », контур z-обратной связи управляет относительным расстоянием между зондом и образцом посредством выдачи управляющих сигналов, чтобы поддерживать постоянными одну из частоты, вибрации и фазы, которые обычно соответствуют движению кантилевера (например, напряжение подается на Z- пьезоэлемент, который перемещает образец вверх и вниз в направлении Z.

Подробности будут объяснены в случае, особенно "режима постоянной df" (FM-AFM) среди AFM в качестве примера в следующем разделе.

Топографическое изображение FM-AFM

Когда расстояние между зондом и образцом доведено до диапазона, в котором может быть обнаружена атомная сила, в то время как кантилевер возбуждается с его собственной собственной частотой (f0), возникает такое явление, что резонансная частота (f) кантилевера смещается от его исходной резонансной частоты (собственной собственной частоты). Другими словами, в диапазоне, где может быть обнаружена атомная сила, сдвиг частоты (df = f-f0) будет соблюдаться. Таким образом, когда расстояние между зондом и образцом составляет бесконтактный области частотный сдвиг увеличивается в отрицательном направлении по мере уменьшения расстояния между зондом и образцом.

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

С другой стороны, df может поддерживаться постоянным, перемещая зонд вверх и вниз (см. (3) на фиг.5) в направлении z, используя отрицательную обратную связь (используя петлю z-обратной связи), в то время как сканирование растра поверхность образца в направлении x – y. Изображение, на котором количество отрицательной обратной связи (расстояние перемещения датчика вверх и вниз по оси z) нанесено на график в зависимости от координаты x – y каждой точки измерения, является топографическим изображением. Другими словами, топографическое изображение является следом кончика зонда, отрегулированным так, чтобы df была постоянной, и его также можно рассматривать как график поверхности постоянной высоты df.

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

Силовая спектроскопия

Еще одно важное применение АСМ (помимо получения изображений) - это силовая спектроскопия, прямое измерение сил взаимодействия зонд-образец в зависимости от зазора между зондом и образцом (результат этого измерения называется кривой сила-расстояние). Для этого метода наконечник АСМ выдвигается к поверхности и отводится от поверхности, поскольку отклонение кантилевера отслеживается как функция пьезоэлектрический смещение. Эти измерения использовались для измерения наноразмерных контактов, атомная связь, Силы Ван-дер-Ваальса, и Казимира силы, растворение силы в жидкостях и силы растяжения и разрыва одиночных молекул.[15] Кроме того, АСМ использовали для измерения в водной среде дисперсионной силы, обусловленной адсорбцией полимера на подложке.[16] Силы порядка нескольких пиконьютон 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 прогиба, отслеживается информация о вибрации кантилевера.[17]

Проблемы с этой техникой включают отсутствие прямого измерения расстояния между зондом и образцом и общую потребность в кантилеверах с низкой жесткостью, которые имеют тенденцию «защелкиваться» на поверхности. Эти проблемы не являются непреодолимыми. Разработан АСМ, который непосредственно измеряет расстояние между зондом и образцом.[18] Защелкивание можно уменьшить, измеряя в жидкостях или используя более жесткие консоли, но в последнем случае необходим более чувствительный датчик отклонения. Применяя небольшой дрожать к наконечнику также можно измерить жесткость (градиент силы) соединения.[19]

Биологические приложения и другие

Силовая спектроскопия используется в биофизике для измерения механических свойств живого материала (например, ткани или клеток)[20][21][22] или обнаруживать структуры различной жесткости, погруженные в основную массу образца, с помощью томографии жесткости.[23] Другое приложение заключалось в измерении сил взаимодействия между материалом, застрявшим на кончике кантилевера, с одной стороны, и поверхностью частиц, либо свободной, либо занятой тем же материалом. Среднее значение сил было получено из кривой распределения силы сцепления. Это позволяло делать картографию поверхности частиц, покрытых или не покрытых материалом.[24] АСМ также использовались для механического разворачивания белков.[25] В таких экспериментах анализ средних сил разворачивания с соответствующей моделью[26] приводит к получению информации о скорости разворачивания и параметрах профиля свободной энергии белка.

Идентификация отдельных поверхностных атомов

AFM можно использовать для получения изображений и управления атомами и структурами на различных поверхностях. Атом на вершине острия «чувствует» отдельные атомы на подстилающей поверхности, когда он образует зарождающиеся химические связи с каждым атомом. Поскольку эти химические взаимодействия незначительно изменяют частоту колебаний наконечника, их можно обнаружить и отобразить. Этот принцип использовался, чтобы различать атомы кремния, олова и свинца на поверхности сплава, сравнивая эти «атомные отпечатки пальцев» со значениями, полученными в результате крупномасштабных измерений. теория функционала плотности (DFT) моделирование.[27]

Уловка состоит в том, чтобы сначала точно измерить эти силы для каждого типа атомов, ожидаемых в образце, а затем сравнить с силами, полученными при моделировании DFT. Команда обнаружила, что острие наиболее сильно взаимодействует с атомами кремния и на 24% и 41% меньше взаимодействует с атомами олова и свинца соответственно. Таким образом, каждый разный тип атома может быть идентифицирован в матрице по мере того, как острие перемещается по поверхности.

Зонд

Зонд AFM имеет острый наконечник на свободно вращающемся конце консоль который выступает из держателя.[28] Размеры консоль в микрометрах. Радиус наконечника обычно составляет от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. (Существуют специальные зонды с гораздо большими концевыми радиусами, например зонды для вдавливания мягких материалов.) Консольный держатель, также называемый держателем чипа - часто размером 1,6 мм на 3,4 мм - позволяет оператору удерживать узел кантилевера / зонда АСМ с помощью пинцетом и вставьте его в соответствующие зажимы держателя на сканирующей головке атомно-силового микроскопа.

Это устройство чаще всего называют «зондом АСМ», но другие названия включают «наконечник АСМ» и «консоль "(с использованием названия отдельной части в качестве названия всего устройства). Зонд АСМ - это особый тип СЗМ (сканирующая зондовая микроскопия ) зонд.

Зонды АСМ производятся с Технология MEMS. Большинство используемых зондов AFM изготовлены из кремний (Si), но боросиликатное стекло и нитрид кремния также используются. Зонды AFM считаются расходными материалами, поскольку их часто заменяют, когда вершина наконечника затупляется или загрязняется, или когда кантилевер сломан. Они могут стоить от пары десятков до сотен долларов за кантилевер для наиболее специализированных комбинаций кантилевер / зонд.

Просто кончик подносят очень близко к поверхности исследуемого объекта, консоль отклоняется при взаимодействии иглы с поверхностью, для измерения чего и предназначен АСМ. Пространственная карта взаимодействия может быть составлена ​​путем измерения отклонения во многих точках на 2D-поверхности.

Можно обнаружить несколько типов взаимодействия. В зависимости от исследуемого взаимодействия поверхность острия зонда АСМ необходимо модифицировать покрытием. Среди используемых покрытий: золото - за ковалентная связь биологических молекул и обнаружение их взаимодействия с поверхностью,[29] алмаз для повышения износостойкости[30] и магнитные покрытия для определения магнитных свойств исследуемой поверхности.[31] Существует другое решение для получения магнитных изображений с высоким разрешением: оснащение датчика microSQUID. Наконечники AFM изготавливаются с использованием кремниевой микрообработки, а точное позиционирование петли microSQUID осуществляется с помощью электронно-лучевой литографии.[32]

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

Силы против геометрии наконечника

Силы между иглой и образцом сильно зависят от геометрии иглы. В последние годы были проведены различные исследования для записи сил как функции параметров наконечника.

Среди различных сил между зондом и образцом очень интересны силы водяного мениска как в воздухе, так и в жидкой среде. Следует учитывать и другие силы, такие как Кулоновская сила, силы Ван дер Ваальса, двухслойные взаимодействия, сольватация силы, гидратация и гидрофобные силы.

Водный мениск

Силы водяного мениска очень интересны для измерений методом АСМ в воздухе. Из-за окружающего влажность, при измерениях на воздухе между зондом и образцом образуется тонкий слой воды. Возникающая в результате капиллярная сила вызывает сильную силу притяжения, которая притягивает наконечник к поверхности. Фактически, сила адгезии, измеренная между зондом и образцом в окружающем воздухе с конечной влажностью, обычно определяется капиллярными силами. Как следствие, насадку трудно оторвать от поверхности. Для мягких образцов, включающих многие полимеры и, в частности, биологические материалы, сильная адгезионная капиллярная сила вызывает деградацию и разрушение образца при визуализации в контактном режиме. Исторически эти проблемы были важной мотивацией для разработки динамических изображений в воздухе (например, «режим постукивания»). Во время визуализации в режиме постукивания в воздухе капиллярные мостики все еще образуются. Тем не менее, для подходящих условий визуализации капиллярные мостики формируются и разрушаются в каждом цикле колебаний кантилевера, перпендикулярного поверхности, как можно заключить из анализа кривых амплитуды кантилевера и зависимости фазы от расстояния.[33] Как следствие, разрушающие силы сдвига значительно снижаются, и можно исследовать мягкие образцы.

Чтобы количественно оценить равновесную капиллярную силу, необходимо начать с уравнения Лапласа для давления:

Модель водяного мениска АСМ

где γL - поверхностная энергия, а r0 и г1 определены на рисунке.

Давление прикладывается к области

где d, θ и h определены на рисунке.

Сила, стягивающая две поверхности, равна

Ту же формулу можно рассчитать как функцию относительной влажности.

Гао[34] рассчитанные формулы для различной геометрии наконечника. Например, форсе уменьшается на 20% для конического наконечника по сравнению со сферическим наконечником.

При расчете этих сил необходимо различать ситуацию «мокрый по сухому» и «мокрый по мокрому».

Для сферического наконечника сила равна:

для сушки по мокрому

для мокрого по мокрому

где θ - угол контакта сухой сферы, а φ - угол погружения, как показано на рисунке. На этом же рисунке показаны R, h и D.

Для конического наконечника формула выглядит следующим образом:

для сушки по мокрому

для мокрого по мокрому

где δ - угол полуконуса, а r0 h - параметры профиля мениска.

Измерение отклонения кантилевера AFM

Измерение отклонения луча

Обнаружение отклонения луча АСМ

Наиболее распространенным методом измерения отклонения кантилевера является метод отклонения балки. В этом методе лазерный свет от твердотельного диода отражается от задней части кантилевера и собирается позиционно-чувствительным детектором (PSD), состоящим из двух близко расположенных фотодиоды, выходной сигнал которого собирается дифференциальный усилитель. Угловое смещение кантилевера приводит к тому, что один фотодиод собирает больше света, чем другой фотодиод, создавая выходной сигнал (разность между сигналами фотодиода, нормированную на их сумму), который пропорционален отклонению кантилевера. Чувствительность метода отклонения луча очень высока, минимальный уровень шума порядка 10 фм Гц.−​1⁄2 могут быть получены в обычном порядке в хорошо спроектированной системе. Хотя этот метод иногда называют методом «оптического рычага», сигнал не усиливается, если путь луча увеличивается. Более длинный путь луча увеличивает движение отраженного пятна на фотодиодах, но также расширяет пятно на ту же величину из-за дифракция, так что одинаковое количество оптической мощности передается от одного фотодиода к другому. «Оптическое плечо» (выходной сигнал детектора, деленный на отклонение кантилевера) обратно пропорционален числовая апертура оптики для фокусировки луча, пока сфокусированное лазерное пятно достаточно мало, чтобы полностью упасть на кантилевер. Она также обратно пропорциональна длине кантилевера.

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

Другие методы измерения прогиба

Существует множество других методов измерения отклонения луча.

  • Пьезоэлектрическое обнаружение - Консоли из кварц[35] (такой как qPlus конфигурация) или другое пьезоэлектрический материалы могут непосредственно определять отклонение как электрический сигнал. С помощью этого метода были обнаружены колебания кантилевера до 22:00.
  • Лазерная доплеровская виброметрия - А лазерный доплеровский виброметр может использоваться для очень точных измерений прогиба колеблющегося кантилевера[36] (таким образом используется только в бесконтактном режиме). Этот метод дорогостоящий и используется лишь относительно небольшим количеством групп.
  • Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - Первый атомный микроскоп использовал СТМ с собственным механизмом обратной связи для измерения отклонения.[7] Этот метод очень сложно реализовать, и он медленно реагирует на изменения прогиба по сравнению с современными методами.
  • Оптическая интерферометрия – Оптическая интерферометрия может использоваться для измерения прогиба кантилевера.[37] Из-за отклонений в нанометровом масштабе, измеренных в АСМ, интерферометр работает в субполосном режиме, таким образом, любой дрейф мощности или длины волны лазера оказывает сильное влияние на измерения. По этим причинам измерения с помощью оптического интерферометра должны выполняться с большой осторожностью (например, с использованием сопоставление индексов жидкости между переходами оптического волокна) с очень стабильными лазерами. По этим причинам оптическая интерферометрия используется редко.
  • Емкостное обнаружение - Консоли с металлическим покрытием могут образовывать конденсатор с другим контактом, расположенным за кантилевером.[38] Отклонение изменяет расстояние между контактами и может быть измерено как изменение емкости.
  • Пьезорезистивное обнаружение - Консоли могут быть изготовлены из пьезорезистивные элементы которые действуют как тензодатчик. Используя Мост Уитстона можно измерить деформацию кантилевера АСМ из-за отклонения.[39] Это обычно не используется в вакуумных приложениях, поскольку пьезорезистивное обнаружение рассеивает энергию системы, влияя на Q резонанса.

Пьезоэлектрические сканеры

Сканеры AFM производятся из пьезоэлектрический материал, который расширяется и сжимается пропорционально приложенному напряжению. Удлиняются они или сжимаются, зависит от полярности приложенного напряжения. Обычно зонд или образец устанавливают на «штативе» из трех пьезокристаллов, каждый из которых отвечает за сканирование в Икс,у и z направления.[7] В 1986 году, в том же году, когда был изобретен AFM, новый пьезоэлектрический Сканер, трубчатый сканер, был разработан для использования в СТМ.[40] Позднее трубные сканеры были включены в АСМ. Сканер трубок может перемещать образец в Икс, у, и z направлений с помощью однотрубного пьезо с одним внутренним контактом и четырьмя внешними контактами. Преимуществом трубчатого сканера по сравнению с оригинальной конструкцией штатива является лучшая виброизоляция, обусловленная более высокой резонансной частотой одноэлементной конструкции в сочетании с каскадом изоляции низкой резонансной частоты. Недостатком является то, что Икс-у движение может вызвать нежелательные z движение, приводящее к искажению. Еще одна популярная конструкция сканеров AFM - это изгиб Этап, который использует отдельные пьезоэлектрические преобразователи для каждой оси и соединяет их посредством механизма изгиба.

Сканеры характеризуются своей чувствительностью, которая представляет собой отношение пьезодвижения к пьезо напряжению, то есть насколько пьезоматериал расширяется или сжимается на приложенное вольт. Из-за различий в материале или размере чувствительность варьируется от сканера к сканеру. Чувствительность изменяется нелинейно в зависимости от размера сканирования. Пьезосканеры показывают большую чувствительность в конце сканирования, чем в начале сканирования. Это приводит к тому, что прямое и обратное сканирование ведут себя по-разному и отображаются гистерезис между двумя направлениями сканирования.[41] Это можно исправить, приложив нелинейное напряжение к пьезоэлектродам, чтобы вызвать линейное движение сканера, и соответствующим образом откалибровав сканер.[41] Одним из недостатков этого подхода является то, что он требует повторной калибровки, поскольку точное нелинейное напряжение, необходимое для исправления нелинейного движения, будет изменяться по мере старения пьезоэлемента (см. Ниже). Эту проблему можно обойти, добавив линейный датчик к столику для образца или пьезоэлементу для определения истинного движения пьезоэлемента. Отклонения от идеального движения могут быть обнаружены датчиком и внесены поправки в сигнал пьезопривода для коррекции нелинейного пьезодвижения. Эта конструкция известна как АСМ с замкнутым контуром. Несенсорные пьезо-АСМ называются АСМ с открытым контуром.

Чувствительность пьезоэлектрических материалов экспоненциально уменьшается со временем. Это приводит к тому, что большая часть изменения чувствительности происходит на начальных этапах эксплуатации сканера. Пьезоэлектрические сканеры работают примерно 48 часов перед отправкой с завода, так что они прошли точку, где у них могут быть большие изменения чувствительности. По мере старения сканера чувствительность со временем будет меняться меньше, и сканеру редко потребуется повторная калибровка.[42][43] хотя различные руководства производителей рекомендуют ежемесячную или полумесячную калибровку АСМ без обратной связи.

Преимущества и недостатки

Первый атомно-силовой микроскоп

Преимущества

AFM имеет несколько преимуществ перед растровый электронный микроскоп (SEM). В отличие от электронного микроскопа, который обеспечивает двумерную проекцию или двухмерное 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 необратимо изменяет или повреждает образец, и обычно не страдает от артефактов заряда на конечном изображении. А электронному микроскопу нужен дорогой вакуум Для правильной работы в условиях окружающей среды большинство режимов АСМ могут отлично работать в окружающем воздухе или даже в жидкой среде. Это дает возможность изучать биологические макромолекулы и даже живые организмы. В принципе, АСМ может обеспечить более высокое разрешение, чем СЭМ. Было показано, что он дает истинное атомное разрешение в сверхвысоком вакууме (UHV), а в последнее время и в жидких средах. АСМ высокого разрешения сопоставимо по разрешению с сканирующая туннельная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия. АСМ также можно комбинировать с различными методами оптической микроскопии и спектроскопии, такими как флуоресцентная микроскопия или инфракрасная спектроскопия, что позволяет сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, нано-FTIR и дальнейшее расширение его применимости. Комбинированные АСМ-оптические приборы применялись в основном в биологических науках, но в последнее время они привлекли большой интерес к фотовольтаике.[12] и исследования в области накопления энергии,[44] полимерные науки,[45] нанотехнологии[46][47] и даже медицинские исследования.[48]

Недостатки

Недостаток АСМ по сравнению с растровый электронный микроскоп (SEM) - это размер одного сканированного изображения. За один проход SEM может отобразить область порядка квадрата миллиметры с глубина резкости порядка миллиметров, тогда как АСМ может отображать только максимальную область сканирования около 150 × 150 микрометров и максимальную высоту порядка 10–20 микрометров. Одним из методов улучшения размера области сканирования для АСМ является использование параллельных зондов аналогично тому, как это делается в многоножка для хранения данных.

Скорость сканирования AFM также является ограничением. Традиционно АСМ не может сканировать изображения так же быстро, как SEM, требуя нескольких минут для типичного сканирования, в то время как SEM может сканировать почти в реальном времени, хотя и с относительно низким качеством. Относительно низкая скорость сканирования при формировании изображений с помощью АСМ часто приводит к тепловому дрейфу изображения.[49][50][51] что делает АСМ менее пригодным для точного измерения расстояний между топографическими объектами на изображении. Однако несколько быстродействующих конструкций[52][53] были предложены для увеличения производительности сканирования микроскопа, включая то, что называется videoAFM (изображения приемлемого качества получаются с помощью videoAFM со скоростью видео: быстрее, чем в среднем SEM). Для устранения искажений изображения, вызванных тепловым дрейфом, было введено несколько методов.[49][50][51]

Отображение артефакта AFM, возникающего из-за наконечника с большим радиусом кривизны по отношению к визуализируемому элементу
Артефакт AFM, крутая топография образца

На изображения АСМ также может влиять нелинейность, гистерезис,[41] и слизняк пьезоэлектрического материала и перекрестных помех между Икс, у, z оси, которые могут потребовать доработки программного обеспечения и фильтрации. Такая фильтрация может «сгладить» реальные топографические особенности. Однако более новые AFM используют программное обеспечение коррекции в реальном времени (например, функционально-ориентированное сканирование[42][49]) или сканеры с обратной связью, которые практически устраняют эти проблемы. В некоторых АСМ также используются отдельные ортогональные сканеры (в отличие от одиночной трубки), которые также служат для устранения части проблем перекрестных помех.

Как и в случае любого другого метода визуализации, существует возможность артефакты изображения, которые могут быть вызваны неподходящим наконечником, плохой рабочей средой или даже самим образцом, как показано справа. Эти артефакты изображения неизбежны; однако их появление и влияние на результаты можно уменьшить с помощью различных методов. Артефакты, возникающие из-за слишком грубого наконечника, могут быть вызваны, например, неправильным обращением или фактическим столкновением с образцом из-за слишком быстрого сканирования или необоснованно шероховатой поверхности. приводя к фактическому износу наконечника.

Из-за природы зондов AFM они обычно не могут измерять крутые стены или выступы. Специально изготовленные кантилеверы и AFM могут использоваться для модуляции зонда в боковом направлении, а также вверх и вниз (как в динамическом контактном и бесконтактном режимах) для измерения боковых стенок за счет более дорогих кантилеверов, более низкого разрешения по горизонтали и дополнительных артефактов.

Другие приложения в различных областях обучения

АСМ изображение части аппарат Гольджи изолирован от HeLa клетки

Последние усилия по интеграции нанотехнологии и биологические исследования были успешными и показывают многообещающие перспективы на будущее. Поскольку наночастицы являются потенциальным средством доставки лекарств, биологические реакции клеток на эти наночастицы постоянно исследуются, чтобы оптимизировать их эффективность и способы улучшения их конструкции.[54] Pyrgiotakis et al. смогли изучить взаимодействие между CeO2 и Fe2О3 сконструированные наночастицы и клетки путем прикрепления сконструированных наночастиц к наконечнику АСМ.[55] В исследованиях использовалась АСМ для получения дополнительной информации о поведении живых клеток в биологических средах. Спектроскопия атомных сил в реальном времени (или наноскопия) и динамическая спектроскопия атомных сил использовались для изучения живых клеток и мембранных белков и их динамического поведения с высоким разрешением на наноуровне. Визуализация и получение информации о топографии и свойствах клеток также дало представление о химических процессах и механизмах, которые происходят посредством межклеточного взаимодействия и взаимодействия с другими сигнальными молекулами (например, лигандами). Эванс и Колдервуд использовали силовую микроскопию одиночных клеток для исследования клеточная адгезия силы, кинетика связи / динамическая прочность связи и ее роль в химических процессах, таких как передача сигналов клетками.[56] Шеринг, Леви и Риго рассмотрели исследования, в которых АСМ используется для изучения кристаллической структуры мембранных белков фотосинтезирующих бактерий.[57]Alsteen et al. использовали наноскопию на основе АСМ для выполнения анализа взаимодействия между живыми микобактерии и антимикобактериальные препараты (в частности изониазид, этионамид, этамбутол, и стрептомицин ),[58] который служит примером более глубокого анализа взаимодействий патогенных микроорганизмов с лекарственными средствами, который можно провести с помощью АСМ.

Смотрите также

Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал

Рекомендации

  1. ^ «Измерение и анализ кривых сила-расстояние с помощью атомно-силовой микроскопии» (PDF). afmworkshop.com.
  2. ^ Онезорге, Франк (1 января 1993 г.). «Истинное атомное разрешение с помощью атомно-силовой микроскопии с помощью сил отталкивания и притяжения». Наука. 260 (5113): 1451–6. Bibcode:1993Научный ... 260.1451O. Дои:10.1126 / science.260.5113.1451. PMID  17739801. S2CID  27528518.
  3. ^ Гиссибль, Франц (1 января 1996 г.). «Атомное разрешение поверхности кремния (111) - (7x7) с помощью атомно-силовой микроскопии». Наука. 267 (5194): 68–71. Дои:10.1126 / science.267.5194.68. PMID  17840059. S2CID  20978364.
  4. ^ «Исследования с использованием атомно-силовой микроскопии, включающие изучение забытых тропических болезней». www.afmworkshop.com.
  5. ^ а б Патент US4724318 - Атомно-силовой микроскоп и метод получения изображений поверхностей с атомным разрешением.
  6. ^ Binnig, G .; Quate, C. F .; Гербер, гл. (1986). «Атомно-силовой микроскоп». Письма с физическими проверками. 56 (9): 930–933. Bibcode:1986ПхРвЛ..56..930Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.930. PMID  10033323.
  7. ^ а б c d Binnig, G .; Quate, C. F .; Гербер, гл. (1986). «Атомно-силовой микроскоп». Письма с физическими проверками. 56 (9): 930–933. Bibcode:1986ПхРвЛ..56..930Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.930. ISSN  0031-9007. PMID  10033323.
  8. ^ Lang, K.M .; Д. А. Хайт; Р. В. Симмондс; Р. Макдермотт; Д. П. Паппас; Джон М. Мартинис (2004). «Проведение атомно-силовой микроскопии для определения наноразмерных характеристик туннельного барьера». Обзор научных инструментов. 75 (8): 2726–2731. Bibcode:2004RScI ... 75.2726L. Дои:10.1063/1.1777388. Архивировано из оригинал 23 февраля 2013 г.
  9. ^ Cappella, B; Дитлер, G (1999). «Кривые зависимости силы от расстояния с помощью атомно-силовой микроскопии» (PDF). Отчеты по науке о поверхности. 34 (1–3): 1–104. Bibcode:1999СурСР..34 .... 1С. Дои:10.1016 / S0167-5729 (99) 00003-5. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-12-03.
  10. ^ а б Ройтер, Y; Минко, С (ноябрь 2005 г.). "Одномолекулярные эксперименты AFM на границе твердое тело-жидкость: конформация адсорбированных гибких полиэлектролитных цепей in situ". Журнал Американского химического общества. 127 (45): 15688–9. Дои:10.1021 / ja0558239. ISSN  0002-7863. PMID  16277495.
  11. ^ Чжун, Q; Inniss, D; Kjoller, K; Элингс, V (1993). «Поверхность изломанного полимера / волокна диоксида кремния, исследованная методом атомно-силовой микроскопии в отводном режиме». Письма о науке о поверхности. 290 (1): L688. Bibcode:1993SurSL.290L.688Z. Дои:10.1016 / 0167-2584 (93) 90906-У.
  12. ^ а б Гейссе, Николас А. (июль – август 2009 г.). «АСМ и комбинированные оптические методы». Материалы сегодня. 12 (7–8): 40–45. Дои:10.1016 / S1369-7021 (09) 70201-9.
  13. ^ Gross, L .; Mohn, F .; Moll, N .; Liljeroth, P .; Мейер, Г. (27 августа 2009 г.). «Химическая структура молекулы, разрешенная с помощью атомно-силовой микроскопии». Наука. 325 (5944): 1110–1114. Bibcode:2009Научный ... 325.1110G. Дои:10.1126 / science.1176210. PMID  19713523. S2CID  9346745.
  14. ^ Гиссибль, Франц Дж. (2003). «Успехи атомно-силовой микроскопии». Обзоры современной физики. 75 (3): 949–983. arXiv:cond-mat / 0305119. Bibcode:2003RvMP ... 75..949G. Дои:10.1103 / RevModPhys.75.949. S2CID  18924292.
  15. ^ Hinterdorfer, P; Дюфрен, Юф (май 2006 г.). «Обнаружение и локализация одиночных событий молекулярного распознавания с использованием атомно-силовой микроскопии». Методы природы. 3 (5): 347–55. Дои:10.1038 / nmeth871. ISSN  1548-7091. PMID  16628204. S2CID  8912697.
  16. ^ Ferrari, L .; Kaufmann, J .; Winnefeld, F .; Планк, Дж. (Июль 2010 г.). «Взаимодействие модельных систем цемента с суперпластификаторами исследовано с помощью атомно-силовой микроскопии, дзета-потенциала и измерений адсорбции». J Коллоидный интерфейс Sci. 347 (1): 15–24. Bibcode:2010JCIS..347 ... 15F. Дои:10.1016 / j.jcis.2010.03.005. PMID  20356605.
  17. ^ Стык, H; Cappella, B; Каппл, М. (2005). «Силовые измерения с помощью атомно-силового микроскопа: методика, интерпретация и приложения». Отчеты по науке о поверхности. 59 (1): 1–152. Bibcode:2005СурСР..59 .... 1Б. CiteSeerX  10.1.1.459.3771. Дои:10.1016 / j.surfrep.2005.08.003.
  18. ^ Гэвин М. Кинг; Эшли Р. Картер; Эллисон Б. Чернсайд; Луиза С. Эберле и Томас Т. Перкинс (2009). «Сверхстабильная атомно-силовая микроскопия: стабильность на атомном уровне и регистрация в условиях окружающей среды». Нано буквы. 9 (4): 1451–1456. Bibcode:2009 НаноЛ ... 9,1451 тыс.. Дои:10.1021 / nl803298q. ЧВК  2953871. PMID  19351191.
  19. ^ Питер М. Хоффманн; Ахмет Орал; Ральф А. Гримбл (2001). «Прямое измерение градиентов межатомных сил с использованием атомно-силового микроскопа сверхнизкой амплитуды». Труды Королевского общества А. 457 (2009): 1161–1174. Bibcode:2001RSPSA.457.1161M. CiteSeerX  10.1.1.487.4270. Дои:10.1098 / rspa.2000.0713. S2CID  96542419.
  20. ^ Радмахер М. (1997). «Измерение упругих свойств биологических образцов с помощью АСМ». IEEE Eng Med Biol Mag. 16 (2): 47–57. Дои:10.1109/51.582176. PMID  9086372.
  21. ^ Перкинс, Томас. «Атомно-силовая микроскопия измеряет свойства белков и сворачивание белков». Отдел новостей SPIE. Получено 4 марта 2016.
  22. ^ Гальванетто, Никола (2018). «Одноклеточное снятие кровли: исследование топологии и наномеханики нативных мембран». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны. 1860 (12): 2532–2538. arXiv:1810.01643. Дои:10.1016 / j.bbamem.2018.09.019. PMID  30273580. S2CID  52897823.
  23. ^ Родуит, Чарльз; Секацкий, Сергей; Дитлер, Джованни; Катсикас, Стефан; Лафон, Франк; Касас, Сандор (2009). «Томография жесткости с помощью атомно-силовой микроскопии». Биофизический журнал. 97 (2): 674–677. Bibcode:2009BpJ .... 97..674R. Дои:10.1016 / j.bpj.2009.05.010. ЧВК  2711326. PMID  19619482.
  24. ^ Thomas, G .; Ю. Уаббас; П. Гроссо; М. Барон; А. Чамаю; Л. Гале (2009). «Моделирование средних сил взаимодействия между частицами энергии. Применение к смесям силикагеля и стеарата магния». Прикладная наука о поверхности. 255 (17): 7500–7507. Bibcode:2009ApSS..255.7500T. CiteSeerX  10.1.1.591.1899. Дои:10.1016 / j.apsusc.2009.03.099.
  25. ^ Риф, М; Gautel, M; Oesterhelt, F; Фернандес, Дж. М.; Гауб, HE (1997). «Обратимое разворачивание индивидуальных иммуноглобулиновых доменов титина с помощью АСМ». Наука. 276 (5315): 1109–1112. Дои:10.1126 / science.276.5315.1109. PMID  9148804.
  26. ^ Петросян, Р. (2020). «Определение разворачивающей силы и единая модель зависимости средней разворачивающей силы от скорости нагружения». J. Stat. Мех. 2020 (33201): 033201. Дои:10.1088 / 1742-5468 / ab6a05.
  27. ^ Сугимото, Y; Pou, P; Абэ, М; Елинек, П; Pérez, R; Морита, S; Custance, O (март 2007 г.). «Химическая идентификация отдельных поверхностных атомов с помощью атомно-силовой микроскопии». Природа. 446 (7131): 64–7. Bibcode:2007Натура 446 ... 64S. CiteSeerX  10.1.1.552.6764. Дои:10.1038 / природа05530. ISSN  0028-0836. PMID  17330040. S2CID  1331390.
  28. ^ Bryant, P.J .; Miller, R.G .; Yang, R .; «Совмещение сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике, Июнь 1988 г., том: 52, выпуск: 26, с. 2233–2235, г. ISSN  0003-6951.
  29. ^ Оскар Х. Виллемсен, Марго М.Э. Снель, Алессандра Камби, Ян Грев, Барт Г. Де Грот и Карл Г. Фигдор «Биомолекулярные взаимодействия, измеренные с помощью атомно-силовой микроскопии» Биофизический журнал, Volume 79, Issue 6, December 2000, страницы 3267–3281.
  30. ^ Ку-Хюн Чунг и Дэ-Ын Ким, «Износостойкость зонда атомно-силового микроскопа с алмазным покрытием». Ультрамикроскопия, Том 108, выпуск 1, декабрь 2007 г., страницы 1–10
  31. ^ Сюй, Синь; Раман, Арвинд (2007).«Сравнительная динамика микрокантилеверов, приводимых в действие магнитным, акустическим и броуновским движением, в жидкостях». J. Appl. Phys. 102 (1): 014303–014303–7. Bibcode:2007JAP ... 102a4303Y. Дои:10.1063/1.2751415.
  32. ^ Hasselbach, K .; Ладам, К. (2008). «Магнитная визуализация высокого разрешения: силовая микроскопия MicroSQUID». Journal of Physics: Серия конференций. 97 (1): 012330. Bibcode:2008JPhCS..97a2330H. Дои:10.1088/1742-6596/97/1/012330.
  33. ^ Цицлер, Лотар; Гермингхаус, Стефан; Мугеле, Фридер (2002). «Капиллярные силы в режиме атомно-силовой микроскопии». Phys. Ред. B. 66 (15): 155436. Bibcode:2002PhRvB..66o5436Z. Дои:10.1103 / PhysRevB.66.155436.
  34. ^ Чао Гао (1997). «Теория менисков и ее приложения». Письма по прикладной физике. 71 (13): 1801. Bibcode:1997АпФЛ..71.1801Г. Дои:10.1063/1.119403.
  35. ^ Гиссибль, Франц Дж. (1 января 1998 г.). «Высокоскоростной датчик силы для силовой микроскопии и профилометрии с кварцевым камертоном» (PDF). Письма по прикладной физике. 73 (26): 3956. Bibcode:1998АпФЛ..73.3956Г. Дои:10.1063/1.122948.
  36. ^ Нисида, Шухей; Кобаяси, Дай; Сакурада, Такео; Накадзава, 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. Дои:10.1063/1.3040500. PMID  19123565.
  37. ^ Rugar, D .; Mamin, H.J .; Гетнер, П. (1 января 1989 г.). «Усовершенствованный волоконно-оптический интерферометр для атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике. 55 (25): 2588. Bibcode:1989АпФЛ..55.2588Р. Дои:10.1063/1.101987.
  38. ^ Гёдденхенрих, Т. (1990). «Силовой микроскоп с емкостным обнаружением смещения». Журнал вакуумной науки и техники A. 8 (1): 383. Bibcode:1990JVSTA ... 8..383G. Дои:10.1116/1.576401.
  39. ^ Giessibl, F.J .; Трафас, Б. М. (1 января 1994 г.). «Пьезорезистивные кантилеверы для сканирующего туннельного и сканирующего силового микроскопа в сверхвысоком вакууме» (PDF). Обзор научных инструментов. 65 (6): 1923. Bibcode:1994RScI ... 65.1923G. Дои:10.1063/1.1145232.
  40. ^ Binnig, G .; Смит, Д. П. Э. (1986). «Однотрубный трехмерный сканер для сканирующей туннельной микроскопии». Обзор научных инструментов. 57 (8): 1688. Bibcode:1986НИ ... 57.1688Б. Дои:10.1063/1.1139196. ISSN  0034-6748.
  41. ^ а б c Лапшин Р.В. (1995). «Аналитическая модель для аппроксимации петли гистерезиса и ее приложение к сканирующему туннельному микроскопу» (PDF). Обзор научных инструментов. 66 (9): 4718–4730. arXiv:2006.02784. Bibcode:1995RScI ... 66.4718L. Дои:10.1063/1.1145314. ISSN  0034-6748. S2CID  121671951. (Русский перевод доступен).
  42. ^ а б Лапшин Р.В. (2011). «Функционально-ориентированная сканирующая зондовая микроскопия». В Х. С. Налва (ред.). Энциклопедия нанонауки и нанотехнологий (PDF). 14. США: Американские научные издательства. С. 105–115. ISBN  978-1-58883-163-7.
  43. ^ Лапшин Р.В. (1998). «Автоматическая боковая калибровка сканеров туннельных микроскопов» (PDF). Обзор научных инструментов. 69 (9): 3268–3276. Bibcode:1998RScI ... 69.3268L. Дои:10.1063/1.1149091. ISSN  0034-6748.
  44. ^ Айаш, Морис; Люкс, Саймон Франц; Костецки, Роберт (2015-04-02). "ИК ближнеполевое исследование межфазной границы твердого электролита на оловянном электроде". Письма в Журнал физической химии. 6 (7): 1126–1129. Дои:10.1021 / acs.jpclett.5b00263. ISSN  1948-7185. PMID  26262960.
  45. ^ Поллард, Бенджамин; Рашке, Маркус Б. (22.04.2016). «Корреляционное инфракрасное наноспектроскопическое и наномеханическое отображение микродоменов блок-сополимера». Журнал нанотехнологий Beilstein. 7 (1): 605–612. Дои:10.3762 / bjnano.7.53. ISSN  2190-4286. ЧВК  4901903. PMID  27335750.
  46. ^ Huth, F .; Schnell, M .; Wittborn, J .; Ocelic, N .; Хилленбранд, Р. (2011). «Инфракрасно-спектроскопическое наноизображение с использованием источника тепла». Материалы Природы. 10 (5): 352–356. Bibcode:2011НатМа..10..352H. Дои:10.1038 / nmat3006. PMID  21499314.
  47. ^ Bechtel, Hans A .; Muller, Eric A .; Олмон, Роберт Л .; Мартин, Майкл С .; Рашке, Маркус Б. (20 мая 2014 г.). «Сверхширокополосная инфракрасная наноспектроскопическая визуализация». Труды Национальной академии наук. 111 (20): 7191–7196. Bibcode:2014ПНАС..111.7191Б. Дои:10.1073 / pnas.1400502111. ISSN  0027-8424. ЧВК  4034206. PMID  24803431.
  48. ^ Paluszkiewicz, C .; Piergies, N .; Chaniecki, P .; Ренкас, М .; Miszczyk, J .; Квятек, В. М. (30 мая 2017 г.). «Дифференциация вторичной структуры белков в прозрачных и непрозрачных линзах человека: исследования AFM - IR». Журнал фармацевтического и биомедицинского анализа. 139: 125–132. Дои:10.1016 / j.jpba.2017.03.001. PMID  28279927. S2CID  21232169.
  49. ^ а б c Лапшин Р.В. (2004). «Методология объектно-ориентированного сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий» (PDF). Нанотехнологии. 15 (9): 1135–1151. Bibcode:2004Нанот..15.1135Л. Дои:10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN  0957-4484.
  50. ^ а б Лапшин Р.В. (2007). «Автоматическое устранение дрейфа в изображениях зондового микроскопа на основе методов встречного сканирования и распознавания элементов топографии» (PDF). Измерительная наука и техника. 18 (3): 907–927. Bibcode:2007MeScT..18..907L. Дои:10.1088/0957-0233/18/3/046. ISSN  0957-0233.
  51. ^ а б В. Ю. Юров; Климов А.Н. (1994). «Калибровка сканирующего туннельного микроскопа и восстановление реального изображения: устранение дрейфа и наклона». Обзор научных инструментов. 65 (5): 1551–1557. Bibcode:1994RScI ... 65.1551Y. Дои:10.1063/1.1144890. ISSN  0034-6748. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-07-13.
  52. ^ Г. Шиттер; М. Дж. Рост (2008). «Сканирующая зондовая микроскопия на видео-скорости». Материалы сегодня. 11 (специальный выпуск): 40–48. Дои:10.1016 / S1369-7021 (09) 70006-9. ISSN  1369-7021.
  53. ^ Р. В. Лапшин; О. В. Объедков (1993). «Быстродействующий пьезоактюатор и цифровой контур обратной связи для сканирующих туннельных микроскопов» (PDF). Обзор научных инструментов. 64 (10): 2883–2887. Bibcode:1993RScI ... 64.2883L. Дои:10.1063/1.1144377. ISSN  0034-6748.
  54. ^ Jong, Wim H De; Борм, Пол Дж. А. (июнь 2008 г.). «Доставка лекарств и наночастицы: применение и опасности». Международный журнал наномедицины. 3 (2): 133–149. Дои:10.2147 / ijn.s596. ЧВК  2527668. PMID  18686775.
  55. ^ Пиргиотакис, Георгиос; Blattmann, Christoph O .; Демокриту, Филипп (10 июня 2014 г.). «Взаимодействие наночастиц и клеток в физиологических средах в реальном времени с помощью атомно-силовой микроскопии». ACS Устойчивая химия и инженерия. 2 (Устойчивая нанотехнология 2013): 1681–1690. Дои:10,1021 / sc500152g. ЧВК  4105194. PMID  25068097.
  56. ^ Evans, Evan A .; Колдервуд, Дэвид А. (25 мая 2007 г.). «Силы и динамика связей в клеточной адгезии». Наука. 316 (5828): 1148–1153. Bibcode:2007 Наука ... 316.1148E. Дои:10.1126 / science.1137592. PMID  17525329. S2CID  15109093.
  57. ^ Шеуринг, Саймон; Леви, Даниэль; Риго, Жан-Луи (1 июля 2005 г.). «Наблюдая за компонентами». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны. 1712 (2): 109–127. Дои:10.1016 / j.bbamem.2005.04.005. PMID  15919049.
  58. ^ Альстинс, Дэвид; Вербелен, Клэр; Даг, Этьен; Никак, Доминик; Baulard, Alain R .; Дюфрен, Ив Ф. (апрель 2008 г.). «Организация микобактериальной клеточной стенки: наномасштаб». Архив Пфлюгера: Европейский журнал физиологии. 456 (1): 117–125. Дои:10.1007 / s00424-007-0386-0. PMID  18043940.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка