Microscopio a forza atomica con rilevamento laser
Il principio di base della microscopia a forza atomica è quello di fissare un'estremità di un microcantilever estremamente sensibile alle forze deboli e l'altra estremità ha una minuscola punta di ago. La punta dell'ago entra leggermente in contatto con la superficie del campione. A causa della forza repulsiva estremamente debole tra gli atomi sulla punta dell'ago e gli atomi sulla superficie del campione, il microcantilever con la punta dell'ago fluttuerà e si muoverà nella direzione perpendicolare alla superficie del campione controllando la costante forza durante la scansione. Utilizzando metodi di rilevamento ottico o di rilevamento della corrente tunneling, è possibile misurare i cambiamenti di posizione del microcantilever corrispondenti ai punti di scansione, ottenendo così informazioni sulla morfologia superficiale del campione. Successivamente, prenderemo come esempio il microscopio a forza atomica (Laser AFM), una famiglia comunemente usata di microscopi a sonda a scansione, per spiegarne il principio di funzionamento in dettaglio.
Il raggio laser emesso da un diodo laser viene focalizzato sul retro del cantilever attraverso un sistema ottico e viene riflesso dal retro del cantilever verso un rilevatore di posizione spot composto da fotodiodi. Durante la scansione del campione, a causa della forza di interazione tra gli atomi sulla superficie del campione e gli atomi sulla punta della sonda microcantilever, il microcantilever si piegherà e fluttuerà con la morfologia superficiale del campione e anche il raggio riflesso si sposterà di conseguenza. Pertanto, rilevando i cambiamenti nella posizione dello spot luminoso attraverso un fotodiodo, si possono ottenere informazioni sulla morfologia superficiale del campione analizzato.
Durante l'intero processo di rilevamento e imaging del sistema, la distanza tra la sonda e il campione testato viene sempre mantenuta a livello di nanometri (10-9 metri). Se la distanza è troppo grande, non è possibile ottenere informazioni sulla superficie del campione. Se la distanza è troppo piccola, danneggerà la sonda e il campione testato. La funzione del circuito di feedback è ottenere la forza dell'interazione del campione della sonda dalla sonda durante il processo di lavoro, modificare la tensione applicata nella direzione verticale dello scanner del campione, in modo da far espandere e contrarre il campione, regolare la distanza tra la sonda e il campione testato e, a sua volta, controlla la forza dell'interazione della sonda con il campione, ottenendo il controllo del feedback. Pertanto, il controllo del feedback è il meccanismo di funzionamento principale di questo sistema.
Questo sistema adotta un circuito di controllo del feedback digitale. Gli utenti possono controllare le caratteristiche del circuito di feedback impostando diversi parametri come corrente di riferimento, guadagno integrale e guadagno proporzionale nella barra degli strumenti dei parametri del software di controllo.
La microscopia a forza atomica è uno strumento analitico utilizzato per studiare la struttura superficiale dei materiali solidi, compresi gli isolanti. Utilizzato principalmente per misurare la morfologia superficiale, il potenziale superficiale, la forza di attrito, la viscoelasticità e la curva I/V dei materiali, è un nuovo potente strumento per caratterizzare le proprietà superficiali dei materiali. Inoltre, questo strumento ha anche funzioni come la nanomanipolazione e la misurazione elettrochimica.
