| TappingMode-Darstellung ist ein Schlüsselfortschritt in der Atomkraftmikroskopie (AFM) von weichen, klebenden oder zerbrechlichen Proben. Diese patentierte Technik erlaubt hoher Auflösung topographische Darstellung von Beispieloberflächen, die leicht geschädigt werden, lose gehalten zu ihrem Substrat, oder andernfalls schwierig zum Bild durch andere FLUGHANDBUCH-Techniken. Speziell überwindt TappingMode die Probleme, die mit Reibung, Adhäsion, elektrostatischen Kräften und anderen Schwierigkeiten, die, verbunden sind herkömmliche FLUGHANDBUCH-Scannenmethoden quälen können. Die Technik hat extrem erfolgreiches für Darstellung der hohen Auflösung einer großen Vielfalt der Proben einschließlich geprüft: • Siliziumscheibeoberflächen • Dünnfilme • Metalle und Isolatoren • Fotoresist • Polymere • biologische Proben • und zahlreiche andere. TappingMode-Bild von gereinigten Kollagenmonomere- und -oligomermolekülen ohne telopeptides. TappingMode macht Darstellung diese Oberflächen routinemäßig in der Luft oder in den Flüssigkeiten und stellt einen bedeutenden Fortschritt in FLUGHANDBUCH-Technologie dar. Zwei herkömmliche Scannenmodi - Kontaktmodus und berührungsfreier Modus - sind eine Zeitlang mit unterschiedlichem Erfolg für eine Strecke der Materialien verwendet worden. Jedes hat Beschränkungen, die unten besprochen werden und zu TappingMode-Scannen kontrastiert. Herkömmliche Methoden von FLUGHANDBUCH-Darstellung In herkömmlichem Kontaktmodus FLUGHANDBUCH (Tabelle 2), die Sondenspitze wird einfach über der Oberfläche geschleppt und das resultierende Bild ist eine topographische Karte der Oberfläche der Probe. Während diese Technik für viele Proben sehr erfolgreich gewesen ist, hat sie einige ernste Nachteile. Die schleppende Bewegung der Sondenspitze, kombiniert mit Klebkraft zwischen der Spitze und der Oberfläche, kann erheblichen Schaden der Probe verursachen und Artefakte in den Bilddaten prüfen und schaffen. 
Vergleich des Kontaktmodus, des berührungsfreien Modus und TappingMode-Abtastverfahren. Die Kontaktmodusdarstellung (gelassen) wird schwer durch die Reibungs- und Klebkraft beeinflußt, die Proben beschädigen und Bilddaten verzerren können. Berührungsfreie Darstellung (Mitte) im Allgemeinen liefert niedrige Auflösung und kann durch die Schadstoffschicht auch gehemmt werden, die Oszillation behindern kann. TappingMode-Darstellung (recht) beseitigt Reibungskräfte, indem sie stoßweise mit der Oberfläche in Verbindung tritt und mit genügendem Umfang oszilliert, um die Spitze an durch klebende Meniskuskräfte eingeschlossen werden an der Schadstoffschicht zu verhindern. Die Diagramme unter den Bildern stellen wahrscheinliche Bilddaten dar, resultierend aus den drei Techniken. Unter Luftzuständen werden die meisten Oberflächen durch eine Schicht adsorbierte Gase abgedeckt (Kondenswasserdampf und andere Schadstoffe) die gewöhnlich einige Nanometer dick ist. Wenn die Scannenspitze diese Schicht berührt, veranlaßt haarartige Aktion einen Meniskus sich zu bilden und Oberflächenspannung zieht den Kragbalken unten in die Schicht (Tabelle 3). Aufgefangene elektrostatische Aufladung auf der Spitze und der Probe kann zusätzliche Klebkraft beitragen. Diese abwärts Kräfte erhöhen die Gesamtkraft auf der Probe und, wenn sie mit den seitlichen Scherkräften kombiniert werden, die durch die Scannenbewegung verursacht werden, können Maßdaten verzerren und strengen Schaden der Probe, einschließlich Bewegung oder das Zerreißen von Oberflächeneigenschaften verursachen. 
In Kontakt FLUGHANDBUCH ziehen Kräfte der elektrostatischen und/oder Oberflächenspannung von der adsorbierten Gasschicht die Scannenspitze in Richtung zur Oberfläche. Einige Forscher haben die Probleme überwunden, die mit den Klebkraft durch funktionierenden AF mit der Probe verbunden sind, die in der Flüssigkeit untergetaucht wird. Bei der Überprüfung in den Flüssigkeiten, sind die Gesamtkräfte im Kontaktmodus niedriger als in der Luft, weil die flüssige Schicht/Meniskus nicht anwesend ist und elektrostatische Kräfte zerstreut werden oder aussortiert werden können. Jedoch weil hydratisierte Proben häufig im Wesentlichen weicher als getrocknete Proben sind, kann die Spurhaltung von Kräften verringerte Bildqualität und den Beispielschaden wegen der Deformation und/oder der Bewegung der Probe durch die Scannensonde noch verursachen. Darüber hinaus können viele Proben, wie Halbleiterwafer, nicht in der Flüssigkeit praktisch untergetaucht werden. Ein Versuch, dieses Problem zu vermeiden ist der berührungsfreie Modus, in dem die Sonde ein kleiner Abstand über der Probe gehalten wird (Tabelle 2). Attraktive Kräfte Vans Der Waals, die zwischen der Spitze und der Probe fungieren, werden ermittelt, und topographische Bilder werden konstruiert, indem man die Spitze über der Oberfläche scannt. Leider sind die attraktiven Kräfte Vans Der Waals von der Probe im Wesentlichen schwächer als die Kräfte, die tatsächlich durch den Kontaktmodus - so schwach aufgewendet werden, dass die Spitze eine kleine Oszillation gegeben werden muss, damit WECHSELSTROM-Nachweismethoden angewendet werden können, um die kleinen Kräfte zwischen Spitze und Probe zu ermitteln. Die Anziehungskräfte verlängern auch nur einen kleinen Abstand von der Oberfläche, in der die adsorbierte Gasschicht möglicherweise einen großen Bruch ihrer nützlichen Strecke besetzt. Folglich selbst wenn die Pipettenspitzentrennung erfolgreich aufrechterhalten wird, liefert berührungsfreier Modus im Wesentlichen niedrigere Entschließung als entweder Kontakt oder TappingMode. In der Praxis wird die Sonde häufig zur Beispieloberfläche durch die adsorbierten Gase' Oberflächenspannung, mit dem Ergebnis des unbrauchbaren Daten- und Beispielschadens gezeichnet, der dem ähnlich ist, der durch die Kontakttechnik verursacht wird. Darüber hinaus ist der berührungsfreie Modus im Allgemeinen für Routinescannen in den Flüssigkeiten, weil die Kräfte Vans Der Waals jetzt sogar kleiner sind, eine erhebliche Beschränkung für biologische Proben insbesondere unpraktisch. TappingMode FLUGHANDBUCH-Darstellung in einer Luft TappingMode-Darstellung überwindt die Beschränkungen der herkömmlichen Scannenmodi, indem sie abwechselnd die Spitze in Verbindung mit der Oberfläche setzt, um hohe Auflösung zur Verfügung zu stellen und dann die Spitze weg von der Oberfläche anhebt, um die, Spitze über der Oberfläche zu schleppen zu vermeiden. TappingMode-Darstellung wird in der Luft eingeführt, indem man die freitragende Versammlung nahe an der Eigenfrequenz des Kragbalkens unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalles oszilliert. Die piezo Bewegung veranlaßt den Kragbalken, mit einem großen Umfang (der „Freifeld“ Umfang, das gewöhnlich größer als 20nm) zu oszillieren wenn die Spitze nicht in Verbindung mit der Oberfläche ist. Die oszillierende Spitze wird dann in Richtung zur Oberfläche bewegt, bis sie anfängt, leicht sich zu berühren, oder „klopfen Sie“ die Oberfläche. Während des Scannens tritt die vertikal oszillierende Spitze abwechselnd mit der Oberfläche in Verbindung und hebt, im Allgemeinen bei einer Frequenz von 50.000 bis 500.000 Zyklen pro Sekunde weg. Während der oszillierende Kragbalken anfängt, mit der Oberfläche stoßweise in Verbindung zu treten, wird die freitragende Oszillation notwendigerweise verringert (die Tabelle 4) wegen des Energieverlustes verursacht durch die Spitze, die mit der Oberfläche in Verbindung tritt. Die Reduzierung im Schwankungsumfang wird verwendet, um Oberflächeneigenschaften zu identifizieren und zu messen. 
Freitragender Oszillationsumfang TappingMode im Freifeld und während des Scannens. Während TappingMode-Operation ist der freitragende Oszillationsumfang aufrechterhaltene Konstante durch eine Rückkopplungsschleife (Tabelle 5). 
Santendiagramm für TappingMode-Operation. Auswahl der optimalen Schwingungszahl ist die unterstützte Software und die Kraft auf der Probe wird automatisch auf dem niedrigsten möglichen Niveau eingestellt und aufrechterhalten (Tabelle 1 und Tabelle 6). TappingMode-Spezifikationen. | | | Fahren Sie Frequenzbereich | 10KHz zu 1MHz | | Fahren Sie Spannungsbereich | 0-20V mit Geräuschpegel EFFEKTIVWERT-1mV | | Fahren Sie Umfangs-und Frequenz-Anpassung | Digital vorgewählt. Software-Steuerung und Anzeige von TappingMode-Parametern gewährt schnell, halbautomatisierte Bildschirmoptimierung. | | Detektor | Detektor des Umfanges Effektivwert-zu-DC liefert Phase-imdependent Umfangssignal; Geräuschpegel > EFFEKTIVWERT 0.5Å | | Kragbalken | Geätzte Silikonkragbalken; Eigenfrequenzen 60-400KHz | | Spitze-Probe Annäherung | Motorisierte Beispielannäherung wendet automatisch Kragbalken TappingModean der niedrigsten möglichen Spurhaltungskraft an | 
Der freitragende Melodieschirm unterstützt den Betreiber, wenn er die optimale TappingMode-Schwingungszahl vorwählt. Wenn die Spitze über einen Stoß in der Oberfläche überschreitet, hat der Kragbalken weniger Raum zu oszillieren und der Umfang von Oszillation verringert sich. Andererseits wenn die Spitze über eine Krise überschreitet, hat der Kragbalken mehr Raum zu oszillieren und die Umfangszunahmen (dem maximalen Freifeldumfang nähernd). Der Oszillationsumfang der Spitze wird durch den Detektor und den Input zur Prüferelektronik NanoScope III gemessen. Die digitale Rückkopplungsschleife justiert dann die Spitzeprobe Trennung, um einen konstanten Umfang und eine Kraft auf der Probe beizubehalten. TappingMode verhindert in sich selbst die Spitze am Festhalten an der Oberfläche und am Verursachen des Schadens während des Scannens. Anders Als Kontakt und berührungsfreie Modi wenn die Spitze mit der Oberfläche in Verbindung tritt, hat es den genügenden Oszillationsumfang, zum der Spitzeprobe Adhäsionskräfte zu überwinden. Auch das Oberflächenmaterial wird seitlich nicht durch Scherkräfte gezogen, da die angewandte Kraft immer vertikal ist. Ein Anderer Vorteil der TappingMode-Technik ist sein großer, linearer Betriebsbereich (Tabelle 7). Dieses macht das vertikale Feed-backsystem in hohem Grade stabil und erlaubt reproduzierbare Beispielroutinemäßigmaße. Einige Hinweise, die TappingMode-Darstellung besprechen, sind am Ende dieser Anwendungsanmerkung aufgeführt. 
Vergleich des großen linearen Betriebsbereichs für TappingMode gegen kleinen Betriebsbereich für berührungsfreien Modus. TappingMode FLUGHANDBUCH-Darstellung in den Flüssigkeiten Ähnliche Vorteile werden mit TappingMode-Operation in den Flüssigkeiten verwirklicht. In diesem Fall jedoch neigt das flüssige Medium, die normale Eigenfrequenz des Kragbalkens Dämpfung. Stattdessen kann die gesamte flüssige Zelle oszilliert werden, um den Kragbalken in Oszillation zu fahren. Wenn eine passende Frequenz (normalerweise im Bereich von 5.000 bis 40.000 Zyklen pro Sekunde) vorgewählt wird, verringert sich der Umfang des Kragbalkens, wenn die Spitze anfängt, die Probe zu klopfen, ähnlich TappingMode-Operation in einer Luft. Einmal wird der Kragbalken in Oszillation, das NanoScope III eingestellt, das digitales Feed-backsystem die Position der Spitze justiert, um einen konstanten Oszillationsumfang beizubehalten. Wieder wie in einer Luft, beseitigt der oszillierende Kragbalken die Reibungs- und Scherkräfte auf der Probe. Darüber hinaus lässt der Prozess mit der Oberfläche wiederholt von in Verbindung treten und die Spitze von ziehen weg mit einer hohen Rate die Spurhaltungskraft aufrechterhaltene Konstante an einem Minimalwert sein. TappingMode vermeidet die Kraftinstabilitäten, die durch thermischen Antrieb im Kontaktmodus, mit dem Ergebnis der Zeiteinsparungen und der verbesserten Bild- und Maßqualität verursacht werden. Stabile Darstellungskräfte von kleiner als 200pN sind während TappingMode-Operation gemessen worden. Beispiele von FLUGHANDBUCH-Darstellung von Weichen Oberflächen Tabellen 8 bis 14 veranschaulichen die Fähigkeiten von TappingMode für Darstellung eine Vielzahl von weichen Oberflächen. Tabellen 8 bis 10 zeigen die biologischen Proben, die in der Flüssigkeit und in einer Luft abgebildet sind und veranschaulichen die drastische Verbesserung in der Bildqualität für TappingMode im Verhältnis zu herkömmlichem Kontaktmodus in beider Umwelt. 
TappingMode-Bild scannte in einer Luft von Kinetoplast DNS vom trypanozome eines Malariaparasiten. 
Vergleich des Kontaktmodus (gelassen) und (der rechten) Bilder TappingMode der RNS-Polymerase gescannt in der Flüssigkeit (Puffer). Merken Sie, dass die Streifen und die Dunstigkeit, die für sogar flüssigen Kontaktmodus der niedrigen Kraft allgemein ist, nicht im flüssigen TappingMode-Bild anwesend sind. 
Lambda Hinter-III DNS abgebildet auf Glimmer mit TappingMode im Wasser. Die Probe wurde ununterbrochen über eine Stunde lang ohne Schaden gescannt. Kontaktmodusscannen des gleichen Materials Schaden in weniger als einer Minute verursacht - bevor der Scan abgeschlossen werden könnte. Tabelle 11 veranschaulicht die Fähigkeiten von TappingMode im Verhältnis zu Kontaktmodus für Halbleitermaterialien unter Verwendung nebeneinander der Vergleiche. 
(a) 
(b) (a) Kontakt und (b) TappingMode-Bilder für die gleiche (100) Epitaxial- Oblate. In beiden Fällen wurde das linke Bild zuerst genommen und die Scan-Größe wurde sofort verdoppelt und wieder.abgelichtet, um den Bereich zu umfassen, der im ersten Scan abgebildet ist. Die TappingMode-Bilder zeigen keine Oberflächenänderung und bessere Entschließung. Andererseits kann das Notstandsgebiet des ersten Scans auf dem Recht in der Zahl 11a leicht gesehen werden. Kontaktmodusdarstellung ist für Silikonoberflächen extrem inkonsequent; in diesem Fall ist Material durch die Scannenspitze, während in anderen Fällen, zusätzliches Oxidwachstum entfernt worden, oder subtilere Änderungen möglicherweise treten ein. Diese Art der Oberflächenänderung geht häufig unentdeckt, da die meisten Forscher nicht auf Schaden überprüfen, indem sie das betroffene Gebiet an der niedrigeren linearen Wiedergabe wieder ablichten. Tabellen 12 bis 14 sind TappingMode-Bilder für ein Polymer und zwei Dünnfilme. 
Tabelle 12: TappingMode-Bild Polyäthylens des mit hoher Dichte von einer Einkaufstasche. Die Strukturen im Bild sind die Polymerlamellen, die ungefähr 30nm dick und alle, die in der gleichen Richtung orientiert werden, um die Dehnfestigkeit zu erhöhen sind. Diese Struktur könnte nicht mit Kontaktmodus gesehen werden, da die Eigenschaften durch die Spitze geändert wurden, die über der Oberfläche schleppt. Scan 675nm. 
Chemischer Dampf legte (CVD) Diamantfilm nieder. Während der Filmbildung werden Impfkristalle des Diamanten auf eine Siliziumscheibe gesetzt, die dann in die CVD-Absetzungskammer gelegt wird, in der Wachstum eingeleitet wird, um den Dünnfilm zu produzieren. Dieses Bild zeigt den Film an der frühen Einführung des Wachstums. Die TappingMode-Technik war an genauer Profil die Kristalle und die, Impfkristalle auf der Oberfläche zu bewegen zu vermeiden gewöhnt. 
Thermisch verdunsteter Goldfilm, 60Å dick, niedergelegt auf eine oxidierte Siliziumscheibe. Die Filme wurden benutzt, um Belastungs-Sensoren mit höherer Belastungsempfindlichkeit als ununterbrochene Filme zu errichten. Zusammenfassung Um Qualitätsbilder zu erhalten, ist es dass der Schaden der Mikroskopspitze nicht die Oberfläche kritisch, die aber gescannt wird dass es Kontakt die Oberfläche um Maße der hohen Auflösung zu erhalten. Dieses ist whereTappingMode Darstellung übertrifft. Für viele Materialien liefert diese Technik die höchste Entschließung, die ohne Beispielschaden möglich ist. TappingMode-Darstellung hat eine große Vielfalt von Anwendungen geöffnet und fortfährt, die Anwendbarkeit von SPM zu den neuen Materialien und zu den Oberflächen zu erweitern. Mehr auf Spitze-Probe Kräften in TappingMode FLUGHANDBUCH Einer der Schlüsselvorteile von TappingMode-Darstellung über herkömmlichem Kontakt FLUGHANDBUCH ist die niedrigen Kräfte, die während des Scannens erzeugt werden. Weil die Spitze nur mit der Oberfläche kurz während jeder Oszillation in Verbindung tritt, gibt es die nicht seitlichen Reibungskräfte, die an der Probe durch die Spitze aufgewendet werden, die die Probe zerreißen kann, Daten verzerrt oder die Spitze trübt. Die kurze Kontaktkraft ist kleiner, als man möglicherweise erwartete. In TappingMode wird der Kragbalken nahe an seiner Eigenfrequenz oszilliert. Sobald der freitragende Umfang am gewünschten Satzball stabilisiert wird, muss die Probe nur die kleine Kraft wegen des erhöhten Umfanges während eines einzelnen Oszillationszyklus absorbieren; d.h. die Zeit zwischen zwei nachfolgenden „Hähnen.“ Weil die Kragbalken, die in TappingMode benutzt werden, einen Faktor der hohen Qualität („Q ") haben, ist der Umfang, der in einem Zyklus gewonnen wird, nur über 0.01nm unter typischen Darstellungsbedingungen. Die Kraft wegen dieser kleinen Umfangszunahme kann von der überwiegenden Mehrheit von Proben ohne Schaden absorbiert werden, um sich zu neigen oder zu probieren. Wegen dieser leichten Scannenkräfte ist TappingMode erfolgreich an reproduzierbar Bild solche Proben wie Polymere, ungebackenes Fotoresist und DNS gewöhnt gewesen, sowie zahlreich andere zerbrechliche Proben. Auch wir haben wiederholt abgebildet das Ångström-stufige microroughness der gleichen 1mm Region einer Siliziumscheibe ununterbrochen über einen 24-stündigen Zeitraum ohne Verminderung des Bildes oder beschädigen zur Probe. Schließlich wird der Kragbalken bei Frequenzen von 50KHz zu 500KHz oszilliert. Bei diesen Frequenzen stehen viele Oberflächen dem Stiff (viskoelastisch) und können Kräften von der Sondenspitze leicht widerstehen. Dieses Eigentum, das weiter ist, verringert die Möglichkeit des Beispielschadens für extrem weiche Proben wie Polymere, biologische Exemplare, und andere und verursacht weniger Verzerrung der Probe wegen der Spitzenkräfte. |