Op het gebied van wetenschappelijke apparatuur zijn er maar weinig apparaten die zo interessant en veelzijdig zijn als een atomaire kracht microscoop (AFM atomic force microscope). Zach van het populaire YouTube-kanaal voor materiaalwetenschappen, Breaking Taps, kreeg onlangs de kans om zich te verdiepen in de fascinerende wereld van AFM. In deze blogpost volgen we de reis van Zach terwijl hij ons meeneemt door zijn ervaringen met AFM en de mogelijkheden ervan laat zien. Scroll naar beneden om de video te bekijken!
Boeiende AFM-scans
Zach was super enthousiast over de fascinerende AFM-scans die hij met de nGauge had gemaakt. Van het oppervlak van een silicium wafer met smeltribbels tot wolfraamdisulfide micro plaatjes en zelfs een IC uit 1979, Zach was gefascineerd door de complexe details die de AFM-beeldvorming onthulde. Op de scans waren ook mysterieuze nanodiamanten te zien, waardoor Zach geïntrigeerd en enthousiast raakte over verder onderzoek.
Atomaire Kracht Microscopie begrijpen
Zach legde uit dat AFM behoort tot de familie van scanning probe microscopen, waarbij een fysieke taster over het oppervlak van een substraat wordt gescand om topografische informatie te verzamelen. In tegenstelling tot optische microscopie, die afhankelijk is van fotonen, maakt AFM fysiek contact met het oppervlak met behulp van een extreem kleine taster, meestal 2-20 nm groot. Dankzij deze hoge precisie kan AFM complexe oppervlaktedetails vastleggen die de mogelijkheden van conventionele microscopen overstijgt.
De AFM van Breaking Taps
Zach introduceerde twee verschillende AFM-opstellingen: een nGauge atoomkrachtmicroscoop en een “macro AFM” die hij bouwde voor demonstratiedoeleinden. De macro AFM ontwerpen zijn beschreven in een paper van MIT onderzoekers. Terwijl de nGauge AFM nanometerprecisie heeft, diende de macro AFM als model op grotere schaal om de AFM-principes beter te begrijpen. De macro AFM van Zach werd gebouwd met behulp van een oude 3D-printer en had een volume van ongeveer 150 millimeter3 en een stapgrootte van 0,1 millimeter. Het systeem behaalde een resolutie van 4 micrometer voor de diepste delen van het rooster en 2 micrometer voor de spleten tussen de roosterelementen. De nGauge AFM daarentegen had resoluties van <0,5 nanometer in het X-Y vlak en <1 nanometer in de Z-richting.
Zach gaf een uitgebreid overzicht van de werking van de macro AFM, die sterk leek op de tapping mode AFM. In plaats van een geavanceerd cantileversysteem gebruikte Zach een messing vulplaat met een gevouwen punt en een magneet eraan vast. De cantilever werd aangedreven door een spreekspoel, die werd aangeslagen op de resonantiefrequentie van de cantilever van ongeveer 26 hertz. Door de amplitude van de oscillaties te meten, bepaalde de tapping mode AFM het oppervlaktecontact en paste de positie van de taster hierop aan.
Traditionele AFM’s en de nGauge AFM
Na het opnemen van indrukwekkende scans met de macro-AFM om de techniek uit te leggen, beschrijft Zach de traditionele AFM-technologie en hoe die werkt. Van oudsher zijn AFM’s grote en logge apparaten, die precieze piëzo-elektrische scanners, trillingsisolatie en complexe optische opstellingen vereisen. De belangrijkste reden is dat de piëzo-elektrische scanners en het optische detectiesysteem zwaar zijn: hoe meer massa in het systeem, hoe lager de resonantiefrequentie van het systeem en hoe gevoeliger het is voor laagfrequente trillingen zoals iemand die rondloopt of een auto die buiten rijdt.
Zach legt uit hoe, in tegenstelling tot grote, traditionele AFM’s, de nGauge AFM gemakkelijk in zijn garagelaboratorium past. De kleinere afmetingen zijn mogelijk door de scannende componenten te integreren op een MEMS-chip (micro-elektromechanische systemen). Het MEMS-apparaat zorgt voor de verplaatsing van de taster in alle drie de richtingen (x, y en z), terwijl een piëzoresistieve sensor de verplaatsing van de sonde meet in plaats van een lasersysteem. De miniaturisatie vermindert niet alleen het gewicht van het apparaat, maar maakt ook een grote trillingsisolatietafel overbodig.