Kính hiển vi lực nguyên tử – các chế độ thăm dò quét SPM

Kính hiển vi lực nguyên tử là một loại kính hiển vi quét thăm dò (SPM), nhưng không phải là loại duy nhất. Kính hiển vi lực nguyên tử và kính hiển vi quét đường hầm (STM) là hai loại SPM phổ biến nhất.

Tất cả các loại kính hiển vi quét thăm dò đều sử dụng đầu dò vật lý chạm vào bề mặt mẫu để quét bề mặt và thu thập dữ liệu. Tuy nhiên, cơ chế đo lường của chúng rất khác nhau:

• STM sử dụng dòng điện giữa đầu quét của kính hiển vi và bề mặt mẫu; mẫu phải dẫn điện hoặc bán dẫn.
• AFM đo độ lệch của thanh nhô (độ cong) do lực giữa đầu dò và bề mặt mẫu gây ra; AFM có thể được sử dụng để đo phạm vi vật liệu rộng hơn nhiều so với STM.

 

Kính hiển vi lực nguyên tử được phân loại thành “”quét đầu”, trong đó đầu dò AFM được quét trên một mẫu tĩnh hoặc “quét mẫu”, trong đó mẫu được quét chủ động dưới một đầu dò AFM tĩnh. Cấu hình quét đầu cung cấp những lợi thế đáng kể về tính linh hoạt của hệ thống và kích thước mẫu. Vì mẫu không bị di chuyển, nên hệ thống quét đầu có thể chứa các mẫu lớn hơn, nặng hơn nhiều hoặc nhiều mẫu nhỏ hơn và dễ dàng được sửa đổi hơn để tương quan/tích hợp các kỹ thuật bổ sung.

AFM mẫu lớn của Bruker là hệ thống quét đầu dò. Nền tảng truy cập mở kết quả mang lại tính linh hoạt tối đa để đáp ứng nhiều loại thí nghiệm, chế độ, kỹ thuật và phép đo bán tự động nhất mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.

Chế độ tiếp xúc là chế độ chụp ảnh AFM đầu tiên và là cơ sở cho tất cả các kỹ thuật AFM khác trong đó đầu dò luôn tiếp xúc vật lý với bề mặt mẫu, hoạt động với nguyên lý như sau:

• Khi đầu dò AFM quét dọc theo đỉnh của mẫu, các thay đổi về độ cao trên bề mặt mẫu sẽ gây ra độ lệch theo chiều dọc của thanh dầm.
• Vòng phản hồi duy trì độ lệch theo phương thẳng đứng ở lực tải được cài đặt trước và sử dụng phản hồi để tạo ra hình ảnh địa hình.

Mặc dù khá dễ vận hành, chế độ tiếp xúc có nhược điểm cố hữu là lực bên tác dụng lên mẫu trong quá trình quét có thể khá cao. Các lực này có thể dẫn đến biến dạng/hư hỏng mẫu hoặc chuyển động/dịch chuyển các vật thể được gắn tương đối lỏng lẻo.

Chế độ gõ của kính hiển vi lực nguyên tử

TappingMode AFM được phát triển để giải quyết các lực ngang lớn liên quan đến chế độ tiếp xúc. Chế độ gõ AFM hoạt động như thế nào?

• Thanh AFM dao động gần với tần số cộng hưởng của nó trong khi vuông góc với bề mặt mẫu. Khi đầu dao động “chạm” liên tục dọc theo bề mặt, các biến thể về độ cao gây ra những thay đổi về biên độ dao động.
• Vòng phản hồi tăng/giảm khoảng cách từ đầu đến mẫu để duy trì biên độ không đổi và sử dụng chuyển động này để tạo ra hình ảnh địa hình.

Sự phát triển của TappingMode cho phép các nhà nghiên cứu có được hình ảnh địa hình có độ phân giải cao của các mẫu quá mỏng manh không thể chịu được lực ngang của chế độ tiếp xúc.

Trong khi việc giới thiệu TappingMode cho phép chụp ảnh AFM cho nhiều mẫu hơn, thì một nhược điểm của nó so với chế độ tiếp xúc là nó không thể đo lực trực tiếp. Tuy nhiên, PeakForce Tapping của Bruker đã giải quyết vấn đề này bằng cách thực hiện đường cong lực tại mọi vị trí pixel trên bề mặt mẫu.

Cách thức hoạt động:

• PeakForce Tapping là chế độ chụp ảnh không cộng hưởng, trong đó khoảng cách từ đầu đến mẫu được điều chế theo chuyển động hình sin ở biên độ thường nhỏ hơn 100 nm và ở tần số điển hình là 1-2 kHz.
• Khi đầu dò AFM tiếp xúc với bề mặt mẫu, tương tác giữa đầu dò và mẫu được kiểm soát bằng cách duy trì lực tối đa hoặc “lực cực đại” giữa đầu dò và mẫu không đổi.

Một lợi thế mà PeakForce Tapping có so với các chế độ chụp ảnh dựa trên đường cong lực-khoảng cách khác là nó sử dụng vòng phản hồi liên tục để điều chỉnh vị trí tương đối của đầu tip-mẫu. Do đó, điều khiển lực chụp ảnh được hưởng lợi từ kết quả của các tương tác đầu tip-mẫu trước đó. PeakForce Tapping cũng sử dụng ramping hình sin thay vì ramping tuyến tính để khi đầu tip di chuyển gần bề mặt hơn, vận tốc của nó tiến tới bằng không.

Cùng nhau, các tính năng này của PeakForce Tapping cho phép kiểm soát trực tiếp và chính xác lực tương tác giữa đầu dò và mẫu, tạo điều kiện chụp ảnh ở lực xuống tới ~10 pN. Kiểm soát lực vượt trội này duy trì hình dạng đầu dò và tính toàn vẹn của mẫu, dẫn đến hình ảnh có độ phân giải cao và chính xác nhất quán ngay cả đối với các cấu trúc nhỏ nhất, chẳng hạn như khuyết tật nguyên tử và chuỗi xoắn kép DNA.

Với chế độ dựa trên đường cong lực-khoảng cách, có lẽ sức mạnh lớn nhất của công nghệ PeakForce Tapping đến từ khả năng đồng thời kích hoạt và tăng cường các kỹ thuật lập bản đồ tương quan và định lượng khác, mang đến những khả năng mới trong một loạt các ứng dụng địa hình, cơ học, sinh học, điện và hóa học đang không ngừng mở rộng ở cấp độ nano.

Bảng so sánh các chế độ chạm của AFM

Chế Độ	Chế Độ Tiếp Xúc	Chế Độ Gõ (Tapping Mode)	Chế Độ PeakForce Tapping
Nguyên Lý Hoạt Động	Đầu dò tiếp xúc vật lý với bề mặt mẫu, tạo hình ảnh địa hình dựa trên độ lệch của thanh dầm.	Đầu dò dao động gần tần số cộng hưởng, “chạm” vào bề mặt mẫu để tạo hình ảnh.	Đầu dò điều chế theo chuyển động hình sin, duy trì lực tối đa giữa đầu dò và mẫu.
Lực Tác Dụng	Lực bên có thể cao, dễ gây biến dạng hoặc hư hỏng mẫu.	Giảm lực ngang, hạn chế hư hỏng mẫu mỏng manh.	Kiểm soát lực tương tác chính xác, giảm thiểu hư hỏng.
Độ Phân Giải Hình Ảnh	Khá tốt nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi lực tác dụng lớn.	Cung cấp hình ảnh địa hình có độ phân giải cao cho mẫu nhạy cảm.	Hình ảnh có độ phân giải cao, chính xác cho cấu trúc nhỏ.
Ứng Dụng	Thích hợp cho mẫu có độ bền cao.	Sử dụng cho mẫu mỏng manh, nhạy cảm với lực.	Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu kiểm soát lực chính xác ở cấp độ nano.
Ưu Điểm	Dễ vận hành, đơn giản.	Giảm lực tác động, phù hợp cho mẫu không chịu được lực lớn.	Kiểm soát lực tốt hơn, bảo vệ mẫu và đầu dò, hình ảnh nhất quán.
Nhược Điểm	Có nguy cơ hư hỏng mẫu, lực bên lớn.	Không đo lực trực tiếp, nhạy cảm với biến động.	Phức tạp hơn, đòi hỏi kỹ thuật cao.

Trên đây là những thông tin chi tiết về ba chế độ tiếp xúc mẫu của đầu dò AFM cũng như về kính hiển vi lực nguyên tử. Vui lòng liên hệ với chúng tôi để được tư vấn, giới thiệu thêm về các giải pháp hấp dẫn nhất.