Badanie topografii powierzchni mikroskopią sił atomowych dr Wiktor Niemiec Mikroskopia

1

Badanie topografii powierzchni mikroskopią sił atomowych

dr Wiktor Niemiec

Mikroskopia ze skanującą sondą (Scanning Probe Microscopy – SPM) jest to zbiór metod mikroskopowych, w których informacja o morfologii i właściwościach powierzchni uzyskiwana jest na podstawie oddziaływań pomiędzy powierzchnią, a skanującą sondą, będącą elementem mikroskopu.

Pierwsze mikroskopie SPM powstawały na początku lat 80-tych ubiegłego wieku, jako odpowiedź na ograniczenia metod elektronowych. W metodach tych, tj. skaningowej mikroskopii elektronowej (Scanning Electron Microscopy – SEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (Transmission Electron Microscopy – TEM) wzrost rozdzielczości uzyskiwany jest przez skrócenie długości fali wiązki elektronów, co uzyskuje się przez wzrost ich energii. Może to powodować niszczenie delikatnych próbek, ponadto wymaga pracy w próżni oraz przewodzącej próbki.

Pierwszą mikroskopią SPM była opisana w 1982 roku Skaningowa Mikroskopia Tunelowa (Scanning Tunneling Microscopy – STM), której twórcy, Gerd Binnig i Heinrih Rohrer, w 1986 roku otrzymali Nagrodę Nobla. Za śledzenie powierzchni próbki odpowiedzialny w niej jest prąd tunelowy między sondą a przewodzącą próbką. Ze względu na korzystanie z efektów bliskiego zasięgu (kilka Angstremów) badania tą metodą można wykonywać w powietrzu, a energie wykorzystywane nie niszczą próbek. Dalej jednak wymagana jest próbka przewodząca. W związku z tym 4 lata później została stworzona metoda Mikroskopii Sił Atomowych (Atomic Force Microscopy – AFM). W metodzie tej w celu śledzenia powierzchni próbki wykorzystuje się oddziaływania bliskiego zasięgu, co umożliwia zastosowanie tej metody do dowolnych próbek (nie tylko przewodzących).

Zasada działania AFM

AFM (akronim ten odnosi się zarówno do mikroskopii jak i mikroskopu sił atomowych) jest metodą skaningową. Oznacza to, że pomiar każdego punktu na płaszczyźnie odbywa się „punkt po punkcie”, tj. sonda porusza się w płaszczyźnie próbki (XY) po wyznaczonej trasie, by wykonać pomiar w każdym punkcie powierzchni. Do uzyskania informacji o wysokości danego punktu wykorzystuje się oddziaływania coulombowskie i van der Waalsa między atomami próbki i sondy. W zależności od odległości oddziaływania te mogą być przyciągające bądź odpychające (Rysunek 1). Mają one krótki zasięg, a ich siła zależy od odległości. Pomiar wysokości polega na przemieszczaniu ostrza względem próbki w pionie (osi Z) tak, by utrzymać stały poziom tych oddziaływań. Zapisywaną informacją jest odległość, o jaką ostrze (lub próbka, w zależności od konstrukcji układu) zostało przesunięte. Dzięki temu otrzymuje się mapę względnych wysokości w każdym punkcie próbki, czyli dokładną mapę topografii powierzchni próbki. W metodach elektronowych było to (prawie) niemożliwe - w metodzie SEM otrzymuje się dwuwymiarowe zdjęcie powierzchni, a w TEM uzyskiwany jest przekrój. Ze względu na krótki zasięg oddziaływań rozdzielczość w osi Z w mikroskopii AFM może sięgać 0,01 nm.

W przypadku płaszczyzny XY rozdzielczość zależy w dużej mierze od rozmiarów sondy, ze względu na swój kształt zwanej również ostrzem. Zazwyczaj dostępne komercyjnie sondy mają średnicę między 2 a 100 nm (w zależności od zastosowań), ale istnieje możliwość uzyskania rozdzielczości atomowej.

2

Rysunek 1. Zależność siły oddziaływania od odległości między atomami ostrza i próbki. Źródło:

http://www.labportal.pl/article/mikroskopia-sil-atomowych-afm

Schemat budowy AFM

Układ pomiarowy mikroskopu AFM (Rysunek 2.) składa się z lasera, którego promień pada na dźwignię, na której końcu znajduje się ostrze skanujące próbkę. Odbite światło jest kierowane na fotodiodę czterosekcyjną. Dodatkowo układ zawiera skaner piezoelektryczny, który umożliwia poruszanie próbki względem ostrza (istnieją również mikroskopy, w których to układ z dźwignią i sondą jest przesuwany względem nieruchomej próbki). Taka budowa umożliwia bardzo dokładną kontrolę przesunięcia – efekt piezoelektryczny jest niewielki dla stosunkowo dużych wartości przyłożonego napięcia. Przykładowo, skaner serii J (Mikroskop MultiMode VIII, Bruker) przy różnicy napięć 440 V zmienia swoją długość o ok. 5,5 μm. Natomiast użycie lasera umożliwia obserwację przesunięcia pozycji ostrza o setne części nanometra, dzięki możliwości wydłużania drogi optycznej, co nawet niewielką zmianę kąta padania czyni zauważalną.

Rysunek 2. Schemat budowy mikroskopu AFM. Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Schemat_AFM_(PL).svg

3

Rysunek 3. Schemat budowy skanera piezoelektrycznego. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

W celu kontroli położenia w trzech wymiarach skaner składa się z kilku elementów piezoelektrycznych, odpowiedzialnych za przesunięcia próbki w różnych kierunkach. Zazwyczaj stosuje się skanery w kształcie tuby (Rysunek 3.). Jedna część (na rysunku górna) odpowiada za przesunięcie próbki w pionie (osi Z). Druga część (na rysunku dolna) odpowiada za przesunięcie próbki w jej płaszczyźnie (XY). Jest to możliwe dzięki czterem elementom piezoelektrycznym, gdy jeden element się kurczy, a element naprzeciwko się rozszerza, następuje wygięcie skanera, a tym samym przesunięcie próbki (Rysunek 4.). Niestety powoduje to również przesunięcie próbki w osi Z, które jest częściowo (ale nie całkowicie) kompensowane przez pierwszą część skanera. Jest to powodem konieczności obróbki otrzymanych danych, w celu usunięcia tak powstałych artefaktów (czyli błędów spowodowanych budową/zasadą działania sprzętu).

Rysunek 4. Schemat przesunięcia próbki przez skaner piezoelektrycznegy. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

4

Mikroskop AFM składa się z właściwego mikroskopu, kontrolera odpowiedzialnego za działanie wszystkich elementów mikroskopu i automatyzację pojedynczego pomiaru i komputera wraz z urządzeniami wejścia/wyjścia umożliwiającymi kontrolę pomiaru przez użytkownika, zapis wyników i ich obróbkę. Dodatkowo często występującymi elementami jest mikroskop optyczny (OMV) umożliwiający wybór miejsca na próbce, które jest obrazowane AFM-em, jak również układy stabilizujące napięcie oraz niwelujące drgania pochodzące z otoczenia.

Rysunek 5. Elementy składowe przykładowego mikroskopu AFM. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

Tryby pracy

Istnieją cztery podstawowe tryby pracy mikroskopu sił atomowych, w zależności od odległości między ostrzem a próbką i oddziaływań z tego wynikających (Rysunek 6.).

Rysunek 6. Tryby pracy mikroskopu AFM. Źródło: Meghan Manning, Prezentacja - EEM. Nanotechnology and Nanoelectronics, http://slideplayer.com/slide/9702681/

5

Tryb kontaktowy (Contact Mode)

Był to pierwszy stworzony tryb pracy mikroskopu AFM. W trybie tym ostrze znajduje się bezpośrednim kontakcie z próbką – dominujące są silne oddziaływania odpychające. Ostrze zbliża się do powierzchni próbki, tak by pod wpływem dociskania do powierzchni dźwignia ugięła się o zadany kąt. W rzeczywistości wpisuje się jak bardzo ma się zmienić intensywność światła padającego na górną i dolną parę segmentów fotodetektora. Wartość tę, po kalibracji, można również przedstawić w postaci siły nacisku ostrza na próbkę. Zazwyczaj wynosi ona między 0,01 a 100 nN. W trakcie pomiaru utrzymywane jest stałe ugięcie dźwigni – w przypadku różnicy wysokości między punktami skaner przesuwa próbkę, tak, by dźwignia wróciła do zadanego ugięcia. Ze względu na znaczną zmianę siły oddziaływania przy niewielkiej zmianie odległości pomiędzy ostrzem a próbką tryb ten ma najszybszą odpowiedź układu na zmiany wysokości, co umożliwia najszybsze skanowanie. Niestety przesuwanie, najczęściej krzemowego, ostrza po delikatnych materiałach powoduje ich uszkodzenie, często całkowicie uniemożliwiające taki pomiar. W przypadku twardych próbek należy się liczyć ze zużyciem ostrza w trakcie pomiaru, co powoduje spadek rozdzielczości pomiaru.

Tryb bezkontaktowy

Przeciwieństwem trybu kontaktowego jest tryb bezkontaktowy. Ostrze znajduje się w nim w pewnej odległości od próbki, a dominującymi siłami są przyciągające siły van der Waalsa. W trakcie pomiaru utrzymywane jest stałe wychylenie dźwigni w kierunku próbki. Ze względu na dużo mniejsze różnice w sile oddziaływania pod wpływem zmian odległości między ostrzem a próbką, co powoduje jego słabą czułość, tryb ten jest stosowany rzadko. Lepsze wyniki można uzyskać wprawiając dźwignię w drgania i obserwację zmian ich amplitudy. Tryb ten jest całkowicie nieinwazyjny i nie powoduje niszczenia ostrza, jednak ze względu na niską czułość stosowany jest zazwyczaj do badania oddziaływań dalekiego zasięgu, takich jak oddziaływania magnetyczne czy elektrostatyczne.

Tryb semikontaktowy (Semicontact Mode/Tapping Mode

)

Tryb ten jest trybem pośrednim pomiędzy dwoma omówionymi wcześniej. Dźwignie z ostrzem wprowadza się w drgania bliskie jej częstotliwości rezonansowej. Następnie zbliża się ją do podłoża, dopóki amplituda drgań dźwigni nie spadnie do zadanej wartości (zazwyczaj 95% wartości amplitudy w powietrzu). Mikroskop kontroluje położenie próbki tak, by utrzymać stałą amplitudę drań. W trybie tym ostrze ma bezpośredni kontakt z próbką, jednak jest on zachowany jedynie przez niewielką część czasu pomiaru. Dodatkowo prawie natychmiastowe odrywanie ostrza od powierzchni próbki ogranicza jej niszczenie przez przesuwające się poziomo ostrze. Tryb ten jest wykorzystywany do badania próbek delikatnych oraz tych z dużą różnicą wysokości poszczególnych elementów próbki.

Dzięki ciągłemu odsuwaniu ostrza od próbki na odległość kilkudziesięciu nanometrów istnieje dużo mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia ostrza przez nagłe zmiany jej wysokości.

Spektroskopia sił (Force Spectroscopy)

Mikroskopy sił atomowych pozwalają również na bezpośrednią obserwację tychże sił. Po dokonaniu kalibracji dźwigni, dzięki czemu znana jest zależność ugięcia dźwigni od siły oddziaływania, można zmierzyć zależność siły oddziaływania ostrze próbka od odległości między nimi. W przypadku większości mikroskopów pomiar taki jest stosunkowo wolny. W takim przypadku zazwyczaj zbiera się informacje o topografii próbki w inny sposób, a następnie w wybranych miejscach dokonuje się pomiaru sił. Istnieje również tryb PeakForceTapping^TM umożliwiający pomiar sił w każdym miejscu próbki z dużą szybkością. W trybie tym elementem stałym pomiaru jest głębokość, na jaką wbija się

6

ostrze bądź maksymalna siła oddziaływania. Zebrane zależności siła-odległość pozwalają wyliczyć wiele parametrów, w tym wyznaczyć właściwości mechaniczne próbki z rozdzielczością kilku nanometrów.

Zastosowanie mikroskopii AFM

Mikroskopia AFM jest szeroko stosowana w nanotechnologii, biologii i medycynie ze względu na szereg zalet. Przygotowanie próbki do pomiaru jest zazwyczaj niepotrzebne, bądź ogranicza się do jej przycięcia w celu umieszczenia jej w mikroskopie. Można wykonywać pomiary próbek nieprzewodzących oraz o prawie dowolnej odporności mechanicznej. Pomiar może być wykonywany w dowolnym środowisku – zazwyczaj wykonywany jest w powietrzu, ale istnieją układy do pomiarów w próżni, dowolnych gazach, czy cieczach (w tym np. stężonym kwasie siarkowym). Można również w dużym zakresie zmieniać temperaturę pomiarów. Umożliwia to zastosowanie mikroskopii AFM nie tylko do badań materiałów, ale również np. żywych komórek. Dodatkowo istnieje wiele możliwości modyfikacji mikroskopu AFM w celu uzyskania informacji o różnych właściwościach próbek i tworzenia ich map wraz z mapą topografii. Przykładami mogą tu być mikroskopia sił magnetycznych (Magnetic Force Microscopy – MFM), mapująca domeny magnetyczne, mikroskopia oddziaływań chemicznych (Chemical Force Microscopy – CFM), mapująca miejsce i siłę oddziaływania między próbką a wybraną cząsteczką, przewodzący AFM (Conductive AFM – cAFM) mapujący domeny przewodzące prąd, czy wzmocniona ostrzem spektroskopia Ramana (Tip Enhanced Raman Spectroscopy – TERS) pozwalająca na mapowanie występowania wybranych wiązań w próbce.

Obróbka otrzymanych danych

Jak wspomniano wcześniej, wyniki uzyskane w trakcie pomiaru zawierają artefakty związane z jego metodologią. Przed dokonaniem interpretacji obrazu należy te artefakty usunąć. W tym celu stosuje się różne metody matematyczne, do podstawowych należy dopasowanie płaszczyzny oraz wypłaszczanie.

Dopasowanie płaszczyzny (Plane Fit)

Ze względu na sposób przesuwania próbki, następuje wygięcie rzeczywistej powierzchni próbki. Wygięcie to można usunąć dopasowując płaszczyznę odpowiedniego rzędu do wszystkich danych zebranych w pomiarze. Po zadaniu rzędu płaszczyzny, komputer dopasowuje tak płaszczyznę, by suma kwadratów różnicy jej i zebranej mapy topografii była jak najmniejsza, a następnie odejmuje dopasowaną płaszczyznę od zebranej mapy.

7

Rysunek 7. Dopasowanie płaszczyzny 3-ego stopnia. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

Płaszczyzna rzędu 0-ego przesuwa jedynie wyniki na osi Z, 1-ego redukuje pochylenie, a wyższych rzędów – zakrzywienie. Należy pamiętać, że zbyt duża ingerencja w uzyskane wyniki może wypaczyć rzeczywisty obraz próbki. Przykładowo, podczas badania powierzchni kuli użycie dopasowania płaszczyzny 2-ego stopnia spowoduje pokazanie wyniku jako płaskiej powierzchni.

Wypłaszczenie (Flatten)

Ze względu na sposób poruszania się ostrza względem próbki, w płaszczyźnie próbki rozróżniamy dwie osie – szybką X i wolną Y. Mikroskop wykonuje pomiar całej linii równoległej do osi X, następnie przesuwa się odrobinę wzdłuż osi Y, by wykonać pomiar kolejnej linii równoległej do osi X (w rzeczywistości ostrze porusza się po powierzchni zygzakiem). Powoduje to możliwość niewielkich zmian warunków zbierania pomiarów pomiędzy poszczególnymi liniami równoległymi do osi X. Jest to widoczne w postaci charakterystycznych poziomych pasów. Opcja wypłaszczania usuwa je, poprzez dopasowanie krzywej zadanego stopnia do każdej poziomej linii z osobna.

Rysunek 8. Zastosowanie opcji wypłaszczania. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

Podczas stosowania tej opcji należy pamiętać, że dla każdej linii poziom zerowy wyznaczany jest osobno na podstawie średniej wysokości. Jeżeli na powierzchni znajdował się jakiś wystający element, spowoduje on przesunięcie wszystkich punktów płaszczyzny próbki na liniach ten element zawierających poniżej tych, gdzie widoczna była tylko podstawowa płaszczyzna próbki.

8

Wyznaczanie parametrów powierzchni

Poza dwuwymiarową mapą topografii powierzchni mikroskopia AFM umożliwia pokazanie trójwymiarowego zdjęcia powierzchni, jak również wyliczenie wielu parametrów topografii.

Najczęściej używanymi metodami obrazowania wyników jest szorstkość powierzchni, jej przekrój, histogram wysokości oraz poziom.

Szorstkość powierzchni (Roughness)

Jest to wartość liczbowa obrazująca różnice wysokości powierzchni przy użyciu pojedynczej liczby, dzięki czemu umożliwia porównanie chropowatości powierzchni różnych próbek. Stosowane są dwa sposoby wyliczania chropowatości. Ra podaje chropowatość jako niepewność arytmetyczną średniej wysokości wyznaczanej z populacji wszystkich punktów w próbce, w przypadku Rq stosowany jest wzór niepewności kwadratowej. Zazwyczaj stosowanym parametrem jest Rq, którego wartość jest zazwyczaj o ok. jedną trzecią większa od parametru Ra. Należy pamiętać, że wyznaczona szorstkość w żaden sposób nie pokazuje rozkładu wysokości w próbce. Oznacza to, że przekrzywiona płaska powierzchnia może mieć taką samą wartość szorstkości, jak powierzchnia mocno

„pofalowana”.

Przekrój (Section)

Przekrój umożliwia pokazanie wykresu wysokości powierzchni wzdłuż wybranej linii.

Rysunek 9. Różne przekroje topografii próbki. Żródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

Należy zawsze dostosowywać wybór linii do tego, jaką informację chce się przekazać odbiorcy. Opcję tę można też wykorzystać do obliczenia odległości między dwoma punktami (zarówno w osi Z, płaszczyźnie XY, jak i rzeczywistej odległości wzdłuż próbki).

Histogram wysokości (Depth)

Opcja ta pokazuje wykres ilości punktów o danej wysokości. Umożliwia ona pomiar wysokości pomiędzy najczęściej występującymi wartościami wysokości.

9

Rysunek 10. Histogram wysokości próbki. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

Poziom (Step)

Opcja ta umożliwia określenie odległości w osi Z pomiędzy dwoma uśrednionymi powierzchniami. Opcja ta jest stosowana do badania grubości warstw bądź wyznaczania głębokości.

Rysunek 11. Zastosowanie opcji Step do pomiaru głębokości elementów topografii. Źródło: Bruker – MultiMode v8 Instruction Manual

Opcja ta umożliwia dużo lepszy pomiar grubości warstwy/głębokości ze względu na uśrednienie wartości wysokości na dwóch wybranych powierzchniach. Powoduje to zlikwidowanie

10

błędów wynikających z subiektywnego wyboru punktów do wyznaczania odległości w osi Z na przekroju. Należy jednak pamiętać, że zaznaczenie elementów niereprezentatywnych dla danej powierzchni może w znaczny sposób zaburzyć pomiar.

Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników

W trakcie ćwiczenia należy wykonać serię zdjęć topografii powierzchni szkła częściowo pokrytego warstwą odblaskową na granicy jej występowania. Uzyskane wyniki należy obrobić w celu otrzymania obrazów jak najbardziej zbliżonych do rzeczywistego wyglądu powierzchni, a następnie wyznaczyć grubość warstwy przy użyciu przekrojów (dwa-trzy przekroje na zdjęcie), histogramu wysokości oraz opcji Step (na całych zdjęciach oraz wybranych fragmentach). W sprawozdaniu należy umieścić obrobione zdjęcia oraz wyniki pomiarów grubości oraz określić źródło różnic pomiędzy wynikami.

Sugerowane materiały pomocnicze

 http://www.labportal.pl/article/mikroskopia-sil-atomowych-afm

 Wikipedia – Atomic Force Microscopy wraz z odnośnikami dotyczącymi różnych mikroskopii pochodnych

Poniżej podano kilka artykułów pokazujących przykładowe zastosowania mikroskopii AFM (wraz z opisem zasad jej działania).

 Niko Pavliček, Leo Gross, Nature Reviews Chemistry 1 (2017) Article number: 0005

 Threes Smijs, Federica Galli, Arianvan Asten, Forensic Chemistry 2 (2016) 93-104

 Alper D.Ozkan, Ahmet E.Topal, Aykutlu Dana, Mustafa O.Guler, Ayse B.Tekinay, Micron 89 (2016) 60-76

 Núria Gavara, Microscopy Research Technique 80 (2017) 75-84