AFMคืออะไร?
AFM (Atomic Force Microscope) เป็นกล้องจุลทรรศน์ที่ตรวจจับแรงกระทำระหว่างโพรบที่เรียกว่า cantilever กับอะตอมบนพื้นผิวของตัวอย่าง แล้วสแกนสิ่งนี้เพื่อแสดงภาพโครงสร้างพื้นผิวที่ดีของตัวอย่าง จากนั้นจึงเรียกว่าแรงอะตอม กล้องจุลทรรศน์. กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนมีประวัติยาวนานกว่าในฐานะกล้องจุลทรรศน์ที่แสดงภาพโครงสร้างที่ละเอียดของพื้นผิว แต่จำกัดเฉพาะการวัดตัวอย่างตัวนำเนื่องจากจะวัดโดยการสร้างกระแสอุโมงค์ระหว่างคานรับน้ำหนักกับตัวอย่าง นาข้าว AFM มีลักษณะเฉพาะที่สามารถวัดวัตถุได้หลากหลายตั้งแต่ตัวอย่างที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าไปจนถึงฉนวนและตัวอย่างทางชีววิทยา
วิธีเลือก AFM (กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม)
ความละเอียดและช่วงการวัดที่ต้องการ
ความละเอียดและช่วงการวัดที่ต้องการจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการวัด ตัวอย่างเช่น หากความหยาบผิว (Rq) หลังจากการขัดเงาไม่กี่นาโนเมตร ก็ประเมินได้โดยใช้ AFM ที่ราคาไม่แพง แต่เมื่อประเมินความหยาบน้อยกว่า 0.1 นาโนเมตรบนตัวอย่างหลังการขัด CMP มีความละเอียดสูง ต้องใช้ค่าความหยาบสูง -เครื่องท้ายไม่มีเสียงดังรบกวน นอกจากนี้ เมื่อตรวจวัดตัวอย่างทางชีวภาพในของเหลว AFM ที่เลือกจะแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าคุณต้องการสังเกตเซลล์ที่มีขนาดใหญ่กว่าหลายสิบไมโครเมตรในทิศทาง XY หรือคุณต้องการสังเกตชีวโมเลกุล เช่น โปรตีน ในพื้นที่ 100 นาโนเมตรหรือไม่ AFM ส่วนใหญ่ทำการควบคุมตำแหน่งระดับนาโนโดยใช้องค์ประกอบเพียโซ (เครื่องสแกน) แต่ช่วงการขยายและการหดตัวนั้นมีจำกัด ขนาดเครื่องสแกนของ AFM ที่มีจำหน่ายทั่วไปคือประมาณ 10 ถึง 100 µm ในทิศทาง X และ Y และ 1 ถึง 20 µm ในทิศทาง Z จำเป็นต้องตรวจสอบว่าช่วงการวัดไม่เกินช่วงของเครื่องสแกน อุปกรณ์บางอย่างสามารถใช้แทนกันได้กับสแกนเนอร์หลากหลายรุ่น
ความละเอียดของอุปกรณ์ถูกกำหนดโดยความแม่นยำในการควบคุมโดยละเอียดของเครื่องสแกนและระดับเสียงภายในอุปกรณ์ แม้ว่าความละเอียดสามารถคำนวณได้จากจำนวนบิต ADC/DAC ในข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์ของผู้ผลิต แต่จริงๆ แล้วระดับเสียงจะเป็นตัวกำหนดความละเอียด ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของ ADC/DAC แต่เมื่อเลือก AFM ระดับไฮเอนด์ คุณควรคำนึงถึงระดับเสียงด้วย เมื่อต้องการความละเอียดสูง จำเป็นต้องใช้โต๊ะแยกการสั่นสะเทือนหรือกล่องกันเสียง เพื่อป้องกันเสียงรบกวน เช่น การสั่นสะเทือนและเสียงจากภายนอก
หากจำเป็นต้องมีการเคลื่อนไหวหรือการวางตำแหน่งในระดับมิลลิเมตร ให้ตรวจสอบว่ามีแท่นแบบมอเตอร์และระยะการเคลื่อนที่หรือไม่ นอกจากนี้ยังมี AFM ที่มีสเตจแบบมอเตอร์ที่สามารถครอบคลุมเวเฟอร์ขนาด 200 มม. หรือ 300 มม.
ช่วงการสแกนอุปกรณ์
ในการวัดพื้นผิวด้วย AFM ต้องวางตัวอย่างอย่างมั่นคงและโพรบต้องสามารถเข้าถึงพื้นผิวได้
รูปจาน
AFM ใดๆ ก็สามารถวัดวัตถุที่มีรูปร่างเป็นแผ่นซึ่งมีความหนาหลายมิลลิเมตรได้ ซึ่งรวมถึงพื้นผิว กระจกสไลด์ เวเฟอร์ ส่วนต่างๆ จาน ฯลฯ หากไม่พอดีกับระยะตัวอย่าง ให้ตัดเป็นชิ้นเล็กๆ ใน AFM ที่ใช้แม่เหล็ก ตัวอย่างจะได้รับการแก้ไขบนแผ่นโลหะ
สิ่งของที่มีความสูงและน้ำหนัก
หากตัวอย่างมีความหนามากกว่าสองสามเซนติเมตรหรืออยู่ในภาชนะ ปลายโพรบอาจสัมผัสกับตัวอย่างก่อน ทำให้ไม่สามารถวัดได้ ตรวจสอบวิธีการติดตั้งคานยื่น AFM และโครงสร้างของเฮดยูนิต และเลือกตามขนาดและน้ำหนักของตัวอย่าง ตรวจสอบโหลดสูงสุดด้วย หากไม่สามารถทำให้ตัวอย่างมีขนาดเล็กลงได้ ให้พิจารณา AFM ที่มีระยะขนาดใหญ่หรือ AFM ที่ปรับแต่งเอง
ขนาดตัวอย่างอุปกรณ์และรูปร่างเวที
ตรวจสอบว่าขนาดและความสูงของตัวอย่างจะพอดีกับพื้นที่งาน และภาชนะจะไม่รบกวน ตัวอย่างเช่น ตัวอย่างที่อ่อนนุ่มหรือเคลื่อนไหวอาจเคลื่อนที่หรือเสียรูประหว่างการสแกนโพรบ ส่งผลให้ได้ภาพที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งเป็นเรื่องปกติโดยเฉพาะในการตรวจวัดของเหลวในสาขาชีววิทยาศาสตร์ เมื่อทำการวัดตัวอย่างดังกล่าว ให้เลือก AFM ที่มีโหมดการวัดซึ่งจะช่วยลดแรงที่หัววัดกระทำต่อตัวอย่าง โหมดไดนามิกซึ่งจะสั่นคานยื่นออกมาด้วยความถี่เรโซแนนซ์ ได้รับการติดตั้งเป็นมาตรฐานสำหรับผู้ผลิตแต่ละราย
โซลูชันขั้นสูงเพิ่มเติมคือ AFM ความเร็วสูง (HS-AFM) ซึ่งทำให้การสแกนเสร็จสิ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถจับภาพได้ตั้งแต่หลายภาพไปจนถึงหลายสิบภาพต่อวินาที
การเลือกโพรบ
นอกจากนี้ ให้พิจารณาโพรบที่จะใช้โดยขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ด้วย มีโพรบหลายประเภทซึ่งมีรูปทรง วัสดุ และวัสดุพื้นผิวที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รูปร่างของโพรบมีผลกระทบอย่างมากต่อความละเอียดและรูปร่างที่สามารถรับได้ สำหรับการวัดทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก มีโพรบที่เคลือบด้วยฟิล์มโลหะ และโพรบที่ทำจากเพชรนำไฟฟ้าหรือ PtSi เป็นความคิดที่ดีที่จะติดต่อผู้ผลิต AFM หรือผู้ผลิตคานยื่นเกี่ยวกับการเลือกโพรบที่เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ของคุณ
ข้อมูลอื่นๆ เกี่ยวกับ AFM (กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม)
สิ่งที่คุณสามารถเรียนรู้ได้โดยใช้ AFM
ด้วยการใช้ AFM ทำให้สามารถตรวจจับแรงดึงดูด แรงผลัก การยึดเกาะระหว่างปลายของโพรบกับพื้นผิวตัวอย่าง แรงยึดเหนี่ยว ฯลฯ นอกจากนี้ยังใช้ในด้านตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งช่วยให้สามารถสังเกตอะตอมของซีโอไลต์ผลึกเดี่ยวและแร่ธาตุดินเหนียวเป็นชั้นๆ ได้ AFM ไม่ต้องการการปรับสภาพล่วงหน้าเป็นพิเศษ และสามารถวัดได้ในอากาศหรือในของเหลว และใช้ในการวัดปรากฏการณ์การดูดซับและกระบวนการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีในพื้นที่เฉพาะของพื้นผิว ตัวอย่างเช่น สามารถวัดกระบวนการดูดซับของสารประกอบอินทรีย์ได้ สามารถเลือกวัดแรงจำเพาะได้โดยการปรับเปลี่ยนส่วนปลาย
เส้นโค้งแรง AFM
เส้นโค้งแรงใช้ในการวัดแรงอันตรกิริยา และทำการวัดโดยการนำตัวอย่างสัมผัสกับโพรบซ้ำแล้วซ้ำอีก และแยกออกจากกันโดยการหมุนโพรบไปกลับ สิ่งนี้ทำให้เรามีเส้นโค้งแรงเป็นฟังก์ชันของแรงและระยะทาง ความไม่มั่นคงของคานยื่นสามารถบิดเบือนเส้นโค้งแรงและจำเป็นต้องเลือกคานยื่นที่เหมาะสม การวัดเส้นโค้งของแรงในการวัดอากาศ แรง van der Waals รวมถึงแรงยึดเกาะและแรงวงเดือนโดยพิจารณาจากแรงตึงผิว นอกจากนี้ยังใช้กับการประเมินกรด-เบสของพื้นผิวของแข็งด้วย
ความแตกต่างระหว่าง AFM และ STM
แม้ว่า STM จะมีความละเอียดของอะตอมสูงในสุญญากาศสูงพิเศษ แต่ก็ไวต่อตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้าและการปนเปื้อนในบรรยากาศ ในทางกลับกัน AFM จะตรวจจับแรงที่กระทำระหว่างตัวอย่างกับโพรบ จึงสามารถวัดได้แม้กระทั่งตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้า และทำการวัดในบรรยากาศได้ด้วย
How to choose an AFM (atomic force microscope)
Required resolution and measurement range
The required resolution and measurement range vary depending on the purpose of measurement. For example, if the surface roughness (Rq) after polishing is a few nanometers, it can be evaluated using an inexpensive AFM, but when evaluating the roughness of less than 0.1 nm on a sample after CMP polishing, high-resolution, Requires a high-end machine with no noise. In addition, when measuring biological samples in liquid, the AFM selected differs depending on whether you want to observe cells larger than several tens of micrometers in the XY direction or whether you want to observe biomolecules such as proteins in a 100 nm square area. Most AFMs use piezo elements (scanners) to control nanoscale position, but their expansion and contraction range is limited. The scanner size of commercially available AFMs is approximately 10 to 100 µm in the X and Y directions, and 1 to 20 µm in the Z direction. It is necessary to check that the measurement range does not exceed the range of the scanner. Some devices are interchangeable with different ranges of scanners.
The resolution of the device is determined by the fine control accuracy of the scanner and the noise level within the device. Although resolution can be calculated by the number of ADC/DAC bits in the manufacturer's equipment specifications, the noise level actually determines resolution. Recent advances in semiconductor technology have improved the performance of ADCs/DACs, but when choosing a high-end AFM, you should consider the noise level. When high resolution is required, a vibration isolation table or soundproof box is required to prevent noise such as external vibrations and sounds.
If millimeter-level movement or positioning is required, check whether a motorized stage is available and its range of motion. There are also AFMs with motorized stages that can cover 200mm or 300mm wafers.
Device scan range
In order to measure a surface with AFM, the sample must be placed stably and the surface must be accessible to the probe.
plate-shaped
Any AFM can measure plate-shaped objects with a thickness of several millimeters. This includes substrates, glass slides, wafers, sections, dishes, etc. If it does not fit on the sample stage, cut it into small pieces. In AFM that uses magnets, the sample is fixed on a metal disk.
Items with height and weight
If the sample is more than a few centimeters thick or is in a container, the probe tip may come into contact with it first, making it impossible to measure it. Check the AFM cantilever mounting method and head unit structure, and select according to the size and weight of the sample. Also check the maximum load. If the sample cannot be made smaller, consider an AFM with a large stage or a customized AFM.
Equipment sample size and stage shape
Check that the size and height of the sample will fit on the stage and that the container will not interfere. For example, soft or moving samples may move or deform during the probe scan, resulting in inaccurate images. This is especially common in liquid measurements in the life science field. When measuring such samples, choose an AFM with a measurement mode that reduces the force exerted by the probe on the sample. Dynamic mode, which vibrates the cantilever at a resonant frequency, is equipped as standard with each manufacturer.
A more advanced solution is high-speed AFM (HS-AFM), which completes the scan quickly. This can capture from several to several dozen images per second.
Probe selection
Also consider the probe to be used depending on the purpose. There are a variety of probes with different shapes, materials, and surface materials. In particular, the shape of the probe has a significant impact on the resolution and the shape that can be obtained. For electrical and magnetic measurements, there are probes coated with metal film and probes made of conductive diamond or PtSi. It is a good idea to contact the AFM manufacturer or cantilever manufacturer about selecting a probe according to your purpose.
Other information about AFM (atomic force microscope)
What you can learn by using AFM
By using AFM, it is possible to detect attraction, repulsion, adhesion between the tip of the probe and the sample surface, bonding force, etc. It is also used in the catalysis field, allowing atomic observation of single-crystal zeolites and layered clay minerals. AFM does not require special pretreatment and can be measured in the air or in liquids, and is used to measure adsorption phenomena and chemical reaction processes in localized areas of surfaces. For example, it is possible to measure the adsorption process of organic compounds. Specific forces can also be selectively measured by modifying the tip.
AFM force curve
Force curves are used to measure interaction forces, and measurements are taken by repeatedly bringing the probe into contact with and separating from the sample through the reciprocating motion of the probe. This gives us a force curve as a function of force and distance. Cantilever instability can distort the force curve and requires proper cantilever selection. Force curve measurements in air measure van der Waals forces as well as adhesion forces and meniscus forces based on surface tension. It is also applied to acid-base evaluation of solid surfaces.
Difference between AFM and STM
Although STM has high atomic resolution in ultra-high vacuum, it is susceptible to non-conducting samples and atmospheric contamination. On the other hand, AFM detects the force acting between the sample and the probe, so it can measure even non-conductive samples and can even perform measurements in the atmosphere.
