Microscop forta atomica (AFM forta atomica Microscope ) este un tip de scanare microscop sonda pentru vizualizarea topografiei suprafeței unui eșantion. Inventat în 1985 de Gerd Binnig , Calvin Quate și Christoph Gerber, acest tip de microscopie se bazează în esență pe analiza unui obiect punct cu punct prin intermediul unei scanări printr-o sondă locală, similar cu un punct ascuțit. Acest mod de observare face posibilă efectuarea cartografierii locale a mărimilor fizice caracteristice obiectului sondat ( forță , capacitate , intensitate a radiației , curent etc.), dar și lucrul în medii particulare, cum ar fi medii sub vid. , lichid sau ambiant.
Tehnica AFM exploatează interacțiunea (atracția / repulsia) dintre atomii vârfului nanometric al unui punct și atomii de suprafață ai unei probe. Acesta face posibilă analiza zonelor care variază de la câțiva nanometri la câțiva microni pe părți și pentru a măsura forțele de ordinul nanonewtonului .
Prin urmare, microscopul cu forță atomică face posibilă scanarea suprafeței unui eșantion datorită unui vârf foarte fin, poziționat la capătul liber al unei micro- pârghii flexibile, care se poate deplasa în toate direcțiile spațiului, datorită unui tub piezoelectric .
Analiza flexiunilor micro-pârghiei face posibilă determinarea cursului exact al vârfului, precum și măsurarea forțelor de interacțiune care intervin între acesta și eșantion. Capabil să definească topografia suprafeței, AFM este în acest caz comparabil cu un profilometru .
Microscopia forței atomice vine în trei moduri principale care sunt:
Diferitele tipuri de forțe măsurate depind de variația distanței dintre vârf și suprafața analizată. Acesta este motivul pentru care, în funcție de aceste trei moduri, apar diferite tipuri de măsurători și, prin urmare, diferite aplicații.
Există mai multe moduri de a măsura abaterea pârghiei. Cea mai comună, de departe, este măsurarea prin reflexia unui laser .
Vârful este apoi montat pe o manetă reflectorizantă. Un fascicul laser este reflectat pe pârghie. Dacă fasciculul laser deviază, acest lucru se datorează faptului că pârghia s-a îndoit (într-o direcție sau alta) și, prin urmare, indică forțele de interacțiune dintre vârf și suprafață. Măsurarea abaterii vârfului implică deci aceea a poziției fasciculului laser reflectat, care se efectuează prin intermediul unui cadran de fotodiode - adică o fotodiodă circulară împărțită în patru părți egale, în două diametre.
Când fasciculul nu este deviat, acesta lovește centrul cadranului și, prin urmare, luminează și cele 4 fotodiode . Dacă fasciculul laser este deviat în sus, cele două fotodiode superioare vor primi mai multă lumină decât cele inferioare și, prin urmare, va apărea o diferență de tensiune . Această diferență de tensiune este utilizată pentru feedback.
Alte mijloace de măsurare a abaterii pârghiei includ măsurarea capacității, STM care detectează poziția pârghiei etc.
Avantajul măsurării cu laser este în esență ușurința implementării, dar permite, de asemenea, accesul la o măsurare secundară, care este cea a fricțiunii . Într-adevăr, punctul mătură suprafața la o anumită viteză; din momentul în care este în contact, aceasta generează frecare și, prin urmare, îndoaie maneta în jurul axei sale . Această abatere implică o diferență de tensiune nu mai între vârful și partea inferioară a cadranului, ci între dreapta și stânga. Este astfel posibil să aveți acces la forțele de frecare existente între punct și suprafață și, prin urmare, calitativ la natura chimică a suprafeței.
Puterea de rezoluție a dispozitivului corespunde în esență dimensiunii vârfului vârfului ( raza de curbură ). În afară de modul fără contact, a cărui dificultate a fost deja subliniată, AFM folosește forțe respingătoare, adică contact. Rezultatul este că vârfurile prea fine se uzează rapid - ca să nu mai vorbim de deteriorarea suprafeței. Acesta este întregul punct al modului de atingere : deoarece contactul este intermitent, vârfurile se uzează mai puțin rapid și, prin urmare, putem folosi vârfuri foarte fine (de ordinul a zece nm).
Vedere la microscopul electronic al unui vârf de microscop AFM, mărit de 1000x.
Vedere la microscopul electronic al unui vârf de microscop AFM, mărit de 3000x.
Vedere la microscopul electronic al unui vârf de microscop AFM, mărit 50000x.
Rezoluția laterală este de ordinul a zece nanometri, dar rezoluția verticală este, pe de altă parte, de ordinul lui ångström : se pot vizualiza cu ușurință treptele atomice pe o suprafață curată.
În cele din urmă, suprafața vizibilă depinde de ceramica piezoelectrică utilizată și poate varia de la 100 nanometri pătrați la aproximativ 150 micrometri pătrați.
Microscopul de forță atomică devine unul dintre dispozitivele fundamentale pentru cercetarea tribologică ; vezi despre acest subiect wikibook-ul tribologiei și mai precis capitolul dedicat genezei fricțiunii .
Microscopul cu forță atomică este, de asemenea, utilizat în biologie . Una dintre cele mai fascinante aplicații în acest domeniu este studiul in vitro al interacțiunilor ADN și ADN- proteine . AFM face posibilă observarea în aerul ambiant sau chiar într-un mediu lichid a moleculelor individuale adsorbite pe o suprafață, cu o rezoluție nanometrică. Modul de contact intermitent este atât suficient de delicat cu suprafața probei, cât și suficient de sensibil încât ADN-ul și proteinele pot fi observate fără a fi deteriorate de vârful AFM în timpul scanării. Suprafața pe care se depun moleculele este în general mică , deoarece este ușor de obținut cu acest material o suprafață plană și curată la scară atomică. Puterea absorbției ADN-ului și a proteinelor pe mica depinde în primul rând de sarcina de suprafață și concentrațiile de ioni din soluția de depunere. Pentru observarea în aerul înconjurător, moleculele trebuie să fie complet imobilizate la suprafață. Este posibilă cartografierea poziției proteinelor de-a lungul moleculelor de ADN, dar și caracterizarea variațiilor conformaționale ale ADN-ului, fie intrinseci secvenței sale, fie induse de legarea proteinelor. Pentru observarea într-un mediu lichid, este necesar un compromis: moleculele trebuie să fie suficient de adsorbite suficient la suprafață, astfel încât să nu fie duse de vârful AFM în timpul scanării și să rămână suficient de mobile, astfel încât să fie posibil pentru a urmări interacțiunile în timp. Rezoluția temporală din aceste experimente este de ordinul a câteva secunde cu AFM-urile actuale.
S-a făcut o altă aplicație interesantă, care constă, din măsurarea forțelor de interacțiune între, pe de o parte, un material lipit de punctul AFM și, pe de altă parte, suprafața unei particule acoperite parțial de același material, pentru a transporta o hartă care să permită vizualizarea proporției suprafeței particulelor acoperite de material, ceea ce este foarte dificil de evaluat prin mijloace mai convenționale de caracterizare.