Преимущества анализа на уровне наномасштабов с помощью атомно-силовых микроскопов серии NX компании Park Systems

ДЕК142018

Атомно-силовая микроскопия ультравысокого разрешения

Цель всех видов микроскопии – предоставить возможность увидеть более мелкие объекты и их детали и характеристики, которые нельзя увидеть без вспомогательных устройств. Естественно, что ход научного исследования требует, чтобы мы в результате исследовали абсолютные пределы имеющихся методик метрологии и атомно-силовая микроскопия (АСМ) не является исключением.

Было обнаружено, что АСМ позволяет получать изображения с разрешением, достаточным для визуализации характеристик образцов, измеренных в долях нанометров – такие изображения часто называются изображениями, достигнувшими так называемого «атомного разрешения». Однако, несмотря на это название, разрешение данных изображений не находится на уровне, достаточно точном для определения и выделения отдельных атомов, а позволяет только определить порядок резонанса между атомами, из которых состоят материалы с атомарно плоскими поверхностями [1, 2, 3], такими как графит или слюда. Поверхности этих материалов расположены в форме однородной решетки с константами, чья ширина составляет всего несколько десятков нанометров. Эти поверхности сканируются с помощью зондов, которые имеют характерные радиусы кривизны рабочего острия всего на порядок больше (2 – 5 нм).

Новый кантилевер, определяющий топографические характеристики с размерами меньше, чем его радиус кривизны, можно сравнить с раскрытой ладонью, перебирающей клавиши на клавиатуре. Используя контактную обратную связь, можно мысленно представить примерный образ схемы клавиатуры, но при этом будет очень сложно разобрать отдельные клавиши. Современные АСМ системы, в том числе созданные компанией Park Systems, способны получать изображения с «атомным разрешением» с топографическими структурами, составляющими всего лишь десятые доли ангстрем.

Но необходимо отличать сканирование с помощью резонансной зависимости от сканирования характеристик по методу обратной связи кантилевера. Пока производство зонда переходит на уровень, где радиус кривизны острия может быть порядка ширины одиночных атомов, инновации в АСМ сверхвысокого разрешения должны исходить из других направлений.

Так как истинный предел разрешения сканирования в АСМ зависит от геометрии острия зонда, то логично, что для сохранения очень высокого качества изображения в течение длительного времени изучения необходимо защищать данное острие во время сканирования и в течение нескольких сканирований. Контактный режим, самая базовая рабочая методика АСМ, требует, чтобы зонд перемешался по поверхности образца для получения топографических данных.

Природа данного контакта зонд-образец приводит к крошению острия, что влияет на радиус кривизны острия и, как следствие, приводит уменьшению пространственного разрешения и снижению точности сканирования. Увеличенные долгосрочные расходы на поставку запасных зондов для контактного режима являются дополнительным поводом для беспокойства для многих лабораторий.

Чтобы сохранить самое сверхвысокое разрешение в течение долгого времени наиболее экономически-выгодным способом, АСМ изображения должны быть получены в бесконтактном режиме. В данной рабочей методике, рабочее расстояние между кантилевером и поверхностью образца во время сканирования поддерживается постоянным с помощью точного и высокоскоростного механизма обратной связи.

Ультрасовременные электронные устройства, используемые в управляющих контроллерах серии NX [4], поддерживают зонд в бесконтактном режиме, когда измерение производится на уровне Ван-дер-Ваальсовых сил межатомного взаимодействия между кантилевером и образцом. Отклонения амплитуды колебания зонда записываются в виде трекинговых следов зонда над образцом, а затем используются для создания топографических изображений. Так как кантилевер и образец не контактируют напрямую во время сканирования, долговечность зонда чрезвычайно возрастает без видимой потери в разрешении даже после десятков сканирований [5].

Для демонстрации эффективности бесконтактного режима сканирования со сверхвысоким разрешения требуется образец со сложными структурными характеристиками, а также зонды с наименьшими радиусами кривизны, которые имеются в продаже. Чтобы еще больше усилить аргумент в пользу увеличения срока службы кантилевера при сканировании в бесконтактном режиме после нескольких процедур сканирования, образец должен быть рассмотрен научным сообществом на предмет его сложности как объекта для последовательного, воспроизводимого наноразмерного сканирования.

Наноразмерные материалы, которые отвечают обоим критериям – это материалы, которые имеют такую характерную особенность, как муаровый узор (муаровая структура). Это вторичные и визуально наблюдаемые структуры, которые являются результатом перекрытия периодических структур (таких как атомные решетки) путем их помещения друг на друга и последующего вращения с образованием новой смещенной структуры. Воспроизводимое сканирование муаровых структур и постоянных супер-решетки, которые их составляют, с высоким разрешением представляют значительные проблемы, если сканирование не выполнено в бесконтактном режиме, так как разрешение, которое должно быть достигнуто, примерно равно размеру радиуса кривизны острия кантилевера.

Любая потеря в остроте кантилевера, такая как появление сколов и т.п., преобладающего в режимах АСМ, за исключением бесконтактного режима, ведет к нежелательным рассогласованиям по воспроизводимости при сборе данных. Борьба с этой сложностью для получения любых пригодных АСМ изображений и данных, не говоря уже о сверхвысоком разрешении для методов, является трудоемкой задачей даже для опытных пользователей АСМ, так как аппаратные ограничения и оптимизация постоянных параметров сканирования методом проб и ошибок также усложняют задачу. Удаление любого лишнего недостатка, который повышает износ сканирующего зонда, будет представлять собой благоприятную отсрочку для конкретного применения.

В ходе эксперимента, наряду с особенностями типоисполнения и надежным автоматическим программным обеспечением, было продемонстрировано сверхвысокое разрешение при анализе образца графен/гексагонального нитрид бора (hBN), проведенного с помощью АСМ NX10 производства компании Park Systems. Образец, состоящий из подложки hBN, покрыли слоем графена и просканировали в условиях окружающей среды.

Цель эксперимента состояла в том, чтобы оценить, способен ли микроскоп NX10 охарактеризовать топографию муаровых структур, которые были созданы при наложении одного слоя поверх другого и совмещены при их вращении. Используя бесконтактный режим True Non-Contact и стандартный кантилевер [6], было получено изображение супер-константы решетки муаровой структуры образца [7] для области размером 500 × 500 нм (см. Рис. 1а). Второе изображение (см. Рис. 1b), для области размером 250 × 250 нм, было получено при анализе дефекта исследуемого образца, находящегося в верхней левой четверти первого изображения. Сверхструктура решетки вокруг дефекта в центре стала еще более визуально наглядной, чем на первом изображении.

Рис. 1. Серия из четырех топографических АСМ изображений, полученных при бесконтактном режиме измерения графеновых образцов, имеющих муаровые структуры: (а) 500 × 500 нм, (b) 250 × 250 нм , (с) 125 × 125 нм и (d) 60 × 60 нм. Все изображения были сделаны с помощью системы NX10 с использованием автоматического режима работы программного обеспечения Park SmartScan.

Последние два сканирования в серии являются убедительным доказательством того, что АСМ NX10 может поддерживать сверхвысокое разрешение анализа даже после нескольких сканирований одним и тем же кантилевером. На рис. 1с диагональные полосы, наложенные на муаровые структуры, стали видимыми по мере их повторения на поверхности образца.

Конечное изображение в серии (Рис. 1d) было сделано при сканировании области размером 60 × 60 нм, и подтверждает, что суперструктурные константы решетки муаровых образцов по ширине равны 15 нм [7], а расстояние между каждой полосой на муаровом образе составляют около 4 – 5 нм в длину.  Ранее сообщалось о наблюдениях таких полос на системах графен/hBN [8]. Полученное значение расстояния совпадает с ожидаемыми значениями радиуса кривизны острия кантилевера, используемого для получения всех четырех наборов данных. Данное достижение является действительно значимым, учитывая согласованность и ясность данных по мере возрастания  масштаба получаемых изображений, а также общепринятую сложность образца для определения характеристик с помощью АСМ.

Полученное четкое разрешение периодической структуры с шагом в 5 нм согласовывается с теорией еще больше, если учесть, что эти данные могут быть получены неопытными исследователями с помощью автоматического программного обеспечения. Данные преимущества бесконтактного режима для анализа со сверхвысоким разрешением могут стать более значимыми по мере уменьшения радиуса кривизны острия кантилевера и по мере того, как эффект притупления острия становится более явным, поскольку мы анализируем все более мелкие топографические структуры.

Быстрое сканирование с помощью атомно-силового микроскопа

Атомно-силовая микроскопия предназначена для измерений и сканирования с высоким разрешением в исследовательской и промышленной областях на уровне наномасштабов, но долгое время она была ограничена относительно медленной скоростью сканирования. Для некоторых областей применения, таких как анализ зарождения центров кристаллов и их рост, транспортировка материалов и процесс самосборки белка [9, 10, 11], важно следить за топографическими изменениями и переносом частиц.

Для таких исследований атомно-силовая микроскопия должна позволять проводить сканирование как можно быстрее и без большой потери точности данных, необходимых для обеспечения воспроизводимости работы. Для решения этой задачи, инженеры компании Park Systems постарались модернизировать существующие АСМ системы для сканирования с повышенной частотой без потери разрешения и точности, а также без необходимости в дополнительном удорожании системы в целом.

На сегодняшний день, с помощью АСМ серии NX компании Park Systems и высокочастотных кантилеверов, можно получить АСМ изображения при предполагаемом высоком разрешении, одновременно поддерживая значительно увеличенную скорость сканирования по сравнению с  системами предыдущего поколения. Все АСМ серии NX созданы для быстрого сбора обратного отклика сигнала по скорости для Z-сканера и оптимального управления сервоприводом, поэтому единственное, что необходимо для получения высокоскоростных изображений – это сверхвысокочастотный кантилевер.

Режим быстрого сканирования Fast Imaging компании Park Systems является самым оптимальным решением для ускоренного получения АСМ изображений. Он позволяет Вам выполнять быстрое и точное сканирование поверхности образца, охватывая широкий диапазон топографических перепадов от единиц до десятков нанометров.

Эксперимент

Для того чтобы определить, позволяют ли технологии Park Systems поддерживать высокую скорость сканирования, одновременно поддерживая воспроизводимость высокого разрешения, для выполнения быстрого сканирования с помощью ультракоротких кантилеверов (USC) производства NanoWorld был использован АСМ серии NX10. USC кантилевер имеет коэффициент жесткости 3 Н/м и резонансную частоту 2 МГц. Три широко доступных образца были отсканированы для проверки простоты использования и определения точности при быстром сканировании. Все эксперименты проводились в бесконтактном режиме с помощью программного обеспечения Park SmartScan.

Первый образец для сканирования представлял собой пленку пентацена. Пентацен это полициклический ароматический углеводород, молекула которого состоит из пяти выстроенных в линию конденсированных бензольных колец. Кольца соединяются с образованием структуры, которая имеет поверхностные перепады по высоте около 10 нм. Это сильно сопряженное соединение, которое используется в качестве органического полупроводника.

Вторым образцом был производственный образец алюминия треугольной формы.

Третий образец для проверки – Селгард (Celgard), материал, используемый в качестве сепаратора или фильтрующей мембраны в пористых литий-ионных батареях, а также в некоторых медицинских целях. Поверхность Селгарда имеет много вариаций характерных пиков порядка 10 нм. Все образцы сканировали с увеличением скорости от 1 Гц до 10 Гц, чтобы определить, возможно ли сохранить высокое разрешение сканирования одновременно со сбором данных о топографических изменениях и переносе частиц образов.

Результаты

Эксперимент четко показывает, что атомно-силовой микроскоп серии NX10 компании Park обеспечивает высокое разрешение, высокую производительность, а также высокую эффективность при повышенных скоростях сканирования. На рис. 1 отчетливо показаны поверхностные характеристики пентацена, такие как дыры (дефекты) и монослойные структуры. С повышением скорости сканирования от 1 Гц (Рис. 1a) до 10 Гц (Рис. 1b) не наблюдалось никакой очевидной разницы между получаемыми данными. Мы считаем, что при сканирующей скорости 10 Гц изменения в поверхностной топографии пентацена можно хорошо отследить в средах, которые способствуют реальному росту или растворению.

Рис. 1. Топографические изображения пленки пентацена, полученные при (а) 1 Гц и (b) 10 Гц. Размер области сканирования: 1 × 1 мкм, размер изображения: 512 × 512 пикселей.

На рис. 2 отчетливо видны острые края треугольных областей алюминия высотой 15 нм, как при низких, так и при высоких скоростях сканирования без потери качества изображения. Более высокая скорость сканирования в 10 Гц позволяет получить изображение такого же качества, как и полученное при 1 Гц.

Рис. 2. Топографические изображения производственного образца алюминия треугольной формы, полученные при (а) 1 Гц и (b) 10 Гц. Размер области сканирования: 1 × 1 мкм, размер изображения: 512 × 512 пикселей.

Из-за пористой структуры Селгард является одним из самых структурно-сложных из трех образцов, изученных с помощью быстрого сканирования. Вариации высот и тот факт, что волокна находятся во взвешенном состоянии, усложняют отслеживание с помощью стандартных техник. Рис. 3 доказывает, что детали поверхностной структуры были идеально зафиксированы даже при увеличении скорости сканирования до 10 Гц.

Рис. 3. Топографические изображения Селгарда, полученные при (а) 1 Гц и (b) 10 Гц. Размер области сканирования: 1 × 1 мкм, размер изображения: 512 × 512 пикселей.

Заключение

Эксперименты четко показывают, что топографии пентацена, образец с проекцией алюминия и Селгард могут быть эффективно и точно проанализированы даже при повышенной скорости в 10 Гц при использовании АСМ NX10. Все АСМ серии NX компании Park Systems могут выполнить быстрое сканирование (Fast Imaging), используя высокочастотные кантилеверы без какого-либо дополнительного оборудования.

Мы можем сделать вывод, что эта встроенная характеристика во всех системах позволит исследователям методом успешно получать данные о поверхностной топографии критических материалов методом in-situ в режиме реального времени, а также информации об изменении свойств для их динамических исследований.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. Park, S. Ultimate Resolution of AFM in Air. Retrieved from https://drive.google.com/open?id=0BxAebzniH1MvWjQyWkFXUTlHanM (2004).
2. Mizes, H., Park, S., & Harrison, W. Phys. Rev. B 36 4491 (1987).
3. Albrecht, T.A., Mizes, H.A., Nogami, J., et al. App. Phys. Lett. 52, 362 (1988)
4. Park NX10 – Technical Info. Retrieved fromhttp://www.parkafm.com/index.php/products/researchafm/park-nx10/technical-info (2016)
5. True Non-Contact™ Mode. Retrieved from http://www.parkafm.com/index.php/park-spmmodes/91-standard-imaging-mode/217-true-non-contact-mode (2016)
6. AFM tips PPP-NCHR. Retrieved from http://www.nanosensors.com/PointProbe-Plus-Non-Contact-Tapping-Mode-High-Resonance-Frequency-Reflex-Coating-afm-tip-PPP-NCHR (2016)
7. Zandiatashbar, A. Automated Non-Destructive Imaging and Characterization of Graphene/hBN Moiré Pattern with Non-Contact Mode AFM. NanoScientific, Fall 2015 14-17 (2015)
8. Gallagher, P., Lee, M., Amet, F., et.al. Nature Comm. 7 10745 (2016)
9. Geochim. Cosmochim. Acta 141, 228-239
10.  Cryst. Growth Des. 15 (1), 129-136
11.  PloS one 9 (4), e95333