Atomkraftmikroskop (AFM) – definition, funktion og anvendelser

Lær om atomkraftmikroskop (AFM): definition, hvordan det virker, driftstilstande og anvendelser inden for nanoteknologi og biologiske prøver med høj opløsning.

Atomkraftmikroskoper (AFM'er) er en type mikroskop, der giver tredimensionelle topografiske billeder af overflader med atomare eller nær-atomare opløsninger. AFM kan afbilde individuelle atomer og molekyler og bruges i vid udstrækning inden for nanoteknologi, materialeforskning, overfladevidenskab og biologisk forskning.

Princip for virkemåde

En AFM bruger en ultrafin nål (spids) monteret på en fleksibel cantilever-bjælke. Når spidsen føres tæt hen over prøvens overflade, påvirker topografien (højder og dale) cantileveren, som bøjes eller svinger. Ændringer i cantileverens position måles typisk ved hjælp af en laser, der reflekteres fra cantileverens bagside til en positionfølsom detektor (optisk lever-metode). Ændringen i reflektionsvinklen omdannes elektronisk til et signal, som styrer en feedbacksløjfe, der justerer z-positionen af prøven eller spidsen for at holde et givet setpunkt. På den måde opbygges et billede af overfladens topografi.

Vigtige komponenter

• Spids (tip): ofte lavet af silicium eller siliciumoxid med en tipradius på nogle få nanometer; tipkvalitet påvirker den laterale opløsning.
• Cantilever: har en bestemt fjederkonstant (typisk fra ~0,01 N/m til >100 N/m afhængig af anvendelsen) og bestemmer følsomhed over for kraft.
• Detektionssystem: almindeligvis optisk lever, men kan også være interferometrisk eller piezoresistiv.
• Piezoscanner: bevæger prøven eller spidsen i x, y og z med sub-nanometerskala præcision.
• Feedback- og kontrolelektronik: sikrer konstant kontaktkraft eller oscillationsamplitude afhængigt af driftsmode.

Driftsformer

Der findes flere driftsformer, som vælges ud fra prøvens type og hvad man ønsker at måle:

• Kontakttilstand (contact mode) – spidsen er i vedvarende kontakt med overfladen; cantileverens statiske udbøjning måles. God til hårde overflader, men risiko for at skade bløde prøver.
• Intermitterende kontakttilstand / Tapping mode (dynamisk) – cantileveren drives til at svinge og rører kun overfladen ved toppen af svingningen. Mindre lateral kraft og bedre egnet til bløde og biologiske prøver.
• Kontaktløs tilstand (non-contact) – cantileveren svinger tæt på, men uden at røre overfladen, og ændringer i oscillationsfrekvens eller amplitude bruges til billeddannelse. Velegnet til meget følsomme overflader, men kræver ofte stabilt miljø (fx vakuum).
• Dynamiske vs. statiske metoder – dynamiske metoder involverer svingning af cantilever; statiske måler konstante afbøjninger.

Andre måle- og billedtilstande

• Force–distance (FD) målinger – bruges til at bestemme mekaniske egenskaber som stivhed, adhesionskræfter og vortexer ved at registrere kraft vs. afstandskurver.
• Force spectroscopy – enkeltmolekylemålinger, fx aflåsning/udpakket af proteiner eller bindinger mellem ligand og receptor.
• Elektriske og magnetiske afledte metoder – f.eks. ledende AFM (C-AFM), Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) og Magnetic Force Microscopy (MFM) for at kortlægge elektriske/magnetiske egenskaber.
• Nanolithografi og manipulation – AFM kan bruges til at skrive mønstre (dip-pen nanolithography), flytte nanopartikler eller ændre overflader kemisk/mechanisk.

Anvendelser

AFM anvendes bredt:

• Karakterisering af materialers topografi og ruhed på nanoskala.
• Måling af mekaniske egenskaber (elasticitet, friktion, adhesionskræfter).
• Biologi: imaging af celler, membraner, proteiner og DNA i luft eller væske under nær-fysiologiske forhold.
• Elektroniske materialer: kortlægning af ledningsevne, work function og lokale elektriske egenskaber.
• Nanofabrikering: mønstering og positionering af nanopartikler.

Fordele og begrænsninger

Fordele:

• Høj vertikal opløsning (sub-ångström i nogle opsætninger) og mulighed for atomær opløsning på særligt veltilberedte flader.
• Kan måle i luft, væsker eller vakuum — ingen krav om ledende prøver som ved SEM.
• Kan måle både topografi og funktionelle egenskaber (mekaniske, elektriske, magnetiske).

Begrænsninger:

• Relativt lille billedområde sammenlignet med optiske mikroskoper og SEM.
• Langsommere billedoptagelsestid (selvom hurtige AFM-teknikker er under udvikling).
• Tipkonvolution: billedopløsningen i plan retning er begrænset af tipradius, hvilket kan give artefakter.
• Risiko for prøveskader ved forkert valg af driftsmode eller for høje kræfter.

Praktiske hensyn og prøveforberedelse

Prøveforberedelse afhænger af målingen: overflader bør være relativt flade og rene for støv eller kontaminanter. For biologiske prøver bruges ofte bufferopløsninger og skånsomme monteringsmetoder, og imaging i væske minimerer dehydrering og bevare biologisk funktion. Kalibrering af cantileverens fjederkonstant og detektionssystem er vigtig for kvantitative kræftemålinger.

Historie og udvikling

AFM blev opfundet i 1986 af Gerd Binnig, Christoph Gerber og Calvin Quate som en videreudvikling af scanning tunneling microscope (STM). Siden da er teknologien udviklet kraftigt med mange specialiserede moduler og metoder til både forskning og industriel anvendelse.

Samlet set er AFM et alsidigt værktøj til nanoskalaundersøgelser, der kombinerer høj opløsning med mulighed for at måle fysiske og kemiske egenskaber direkte på overflader og i væsker. Valget af driftsmode, probe-type og måleparametre afgør, om AFM er egnet til en given opgave, og korrekte indstillinger sikrer pålidelige og ikke-destruktive målinger.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er et atomkraftmikroskop (AFM)?

Spørgsmål: Hvordan fungerer AFM?

Spørgsmål: Hvilke fordele har AFM'er i forhold til scanningelektronmikroskoper (SEM'er)?

Q: Hvad er nogle af driftstilstandene for AFM'er?

Spørgsmål: Hvordan adskiller aflytningstilstand sig fra kontakttilstand?

Søg efter bogstav