Il principio di funzionamento e l'applicazione della microscopia a forza atomica
La microscopia a forza atomica è un microscopio a sonda a scansione sviluppato sulla base del principio di base della microscopia a effetto tunnel. L’emergere della microscopia a forza atomica ha indubbiamente giocato un ruolo trainante nello sviluppo della nanotecnologia. La microscopia a scansione di sonda, rappresentata dalla microscopia a forza atomica, è una serie di microscopi che utilizzano una piccola sonda per scansionare la superficie di un campione, fornendo un'osservazione ad alto ingrandimento. La scansione al microscopio a forza atomica può fornire informazioni sullo stato superficiale di vari tipi di campioni. Rispetto ai microscopi convenzionali, il vantaggio della microscopia a forza atomica è che può osservare la superficie del campione ad alto ingrandimento in condizioni atmosferiche e può essere utilizzata per quasi tutti i campioni (con determinati requisiti di levigatezza della superficie), senza la necessità di altri processi di preparazione del campione, per ottenere un'immagine morfologica tridimensionale della superficie del campione. Inoltre, è possibile eseguire calcoli di rugosità, spessore, larghezza del gradino, diagramma a blocchi o analisi della dimensione delle particelle sulle immagini morfologiche 3D ottenute dalla scansione.
La microscopia a forza atomica è in grado di rilevare molti campioni e fornire dati per la ricerca superficiale, il controllo della produzione o lo sviluppo del processo, che i tradizionali misuratori di rugosità superficiale a scansione e i microscopi elettronici non possono fornire.
Principi di base
La microscopia a forza atomica utilizza la forza di interazione (forza atomica) tra la superficie di un campione e la punta di una sonda sottile per misurare la morfologia superficiale.
La punta della sonda si trova su un piccolo cantilever e l'interazione generata quando la sonda entra in contatto con la superficie del campione viene rilevata sotto forma di deflessione del cantilever. La distanza tra la superficie del campione e la sonda è inferiore a 3-4 nm e la forza rilevata tra di loro è inferiore a 10-8 N. La luce del diodo laser è focalizzata sul retro del cantilever. Quando il cantilever viene piegato sotto l'azione della forza, la luce riflessa si devia e un fotorilevatore sensibile alla posizione viene utilizzato per rilevare l'angolo di deflessione. Successivamente, i dati raccolti vengono elaborati da un computer per ottenere un'immagine tridimensionale della superficie del campione.
Una sonda a sbalzo completa viene posizionata sulla superficie del campione controllata da uno scanner piezoelettrico e scansionata in tre direzioni con una larghezza di passo di 0,1 nm o meno con precisione. Generalmente, durante la scansione dettagliata della superficie del campione (asse XY), l'asse Z controllato dal feedback di spostamento del cantilever viene mantenuto fisso e invariato. I valori dell'asse Z, che rappresentano il feedback della risposta di scansione, vengono immessi nel computer per l'elaborazione, risultando in un'immagine osservata (immagine 3D) della superficie del campione.
Le caratteristiche della microscopia a forza atomica
1. La capacità di alta risoluzione supera di gran lunga quella della microscopia elettronica a scansione (SEM) e dei rugosimetri ottici. I dati tridimensionali sulla superficie del campione soddisfano i requisiti sempre più microscopici della ricerca, della produzione e del controllo di qualità.
2. Non distruttivo, la forza di interazione tra la sonda e la superficie del campione è inferiore a 10-8N, che è molto inferiore alla pressione dei tradizionali rugosimetri a stilo. Pertanto, non danneggerà il campione e non vi sarà alcun problema di danneggiamento del fascio di elettroni nella microscopia elettronica a scansione. Inoltre, la microscopia elettronica a scansione richiede un trattamento di rivestimento su campioni non conduttivi, mentre la microscopia a forza atomica non lo richiede.
3. Ha una vasta gamma di applicazioni e può essere utilizzato per l'osservazione della superficie, la misurazione delle dimensioni, la misurazione della rugosità superficiale, l'analisi della dimensione delle particelle, l'elaborazione statistica di sporgenze e cavità, la valutazione delle condizioni di formazione del film, la misurazione del gradino dimensionale degli strati protettivi, la valutazione della planarità di pellicole isolanti interstrato, valutazione del rivestimento VCD, valutazione del processo di trattamento dell'attrito di pellicole orientate, analisi dei difetti, ecc.
4. Il software ha potenti capacità di elaborazione e la visualizzazione delle immagini 3D può impostare liberamente dimensioni, prospettiva, colore di visualizzazione e lucentezza. È inoltre possibile selezionare la visualizzazione di reti, linee di contorno e linee. Gestione macro nell'elaborazione delle immagini, analisi della forma e della rugosità della sezione trasversale, analisi della morfologia e altre funzioni.
