Mikroskop sił atomowych (AFM) działa poprzez skanowanie powierzchni próbki za pomocą ostrza zamocowanego na elastycznej mikrobelce. Wykrywa on siły atomowe przyciągające i odpychające, odwzorowując topografię powierzchni z trójwymiarową rozdzielczością poniżej jednego nanometra. Odchylenia mikrobelki wywołane przez zmiany oddziaływania z powierzchnią są śledzone za pomocą lasera, co umożliwia obrazowanie właściwości materiału. Typowy AFM może pracować w trzech trybach: a) tryb kontaktowy (contact mode) – ostrze pozostaje w ciągłym kontakcie z próbką, co jest idealne do obrazowania twardych powierzchni; b) tryb bezkontaktowy (non-contact mode) – ostrze oscyluje nad powierzchnią, aby uniknąć uszkodzenia miękkich próbek; c) tryb przerywanego kontaktu (intermittent contact mode) – ostrze delikatnie dotyka powierzchni, zapewniając kompromis między szybkością pomiaru, a ochroną delikatnej próbki.

Jak to działa? W skrócie:

1. Skanowanie i detekcja: ostrze sondy o promieniu zwykle mniejszym niż 30 – 50 nm jest zbliżane do powierzchni próbki. Siły van der Waalsa i elektrostatyczne działające między ostrzem, a próbką powodują ugięcie lub odchylenie mikrobelki.

2. Detekcja: wiązka lasera odbija się blisko końca mikrobelki i pada na fotodetektor. Ruch mikrobelki powoduje zmianę kierunku odbitej wiązki lasera, co umożliwia bardzo precyzyjne śledzenie ugięcia i skręcenia mikrobelki.

3. Mechanizm sprzężenia zwrotnego: skaner piezoelektryczny reguluje pionowe położenie próbki (oś z), aby utrzymać stałą siłę oddziaływania między ostrzem, a badaną powierzchnią podczas jej skanowania w płaszczyźnie x-y. W ten sposób tworzona jest mapa topografii próbki.

System SPOTLab jest dodatkowo wyposażony w specjalistyczne, bardziej zaawansowane tryby AFM, umożliwiające analizę specyficznych oddziaływań między ostrzem, a próbką. Główne różnice dotyczą mierzonych właściwości fizycznych oraz sposobu pracy układu:

KPFM (z ang. Kelvin probe force microscopy) umożliwia mapowanie potencjału powierzchniowego lub różnicy potencjałów kontaktowych między przewodzącym ostrzem, a próbką, co jest bezpośrednio związane z lokalną wartością pracy wyjścia materiału. Technika ta jest stosowana do mapowania uwięzionych ładunków oraz analizy układów półprzewodnikowych i organicznych ogniw fotowoltaicznych.

TFM (z ang. tip force microscopy) służy do badania lokalnych właściwości mechanicznych próbki, takich jak adhezja, sztywność i tarcie.

PFM (z ang. piezoresponse force microscopy) umożliwia analizę właściwości ferroelektrycznych i piezoelektrycznych poprzez pomiar deformacji mechanicznej próbki (rozszerzania lub kurczenia się), w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne. Pozwala to na przykład na mapowanie domen w materiałach ferroelektrycznych.

c-AFM (z ang. conductive AFM) umożliwia mapowanie lokalnej przewodności elektrycznej lub rezystancji próbki poprzez pomiar przepływu prądu między przewodzącym ostrzem, a próbką. Technika ta jest często wykorzystywana do lokalizacji ścieżek przewodzących w polimerach lub lokalizacji defektów w półprzewodnikach.

LITERATURA I ZASTOSOWANIE NANO-OBRAZOWANIA I -SPEKTROSKOPII W PODCZERWIENI
[1] Polimery
[2] Materiały nieorganiczne
[3] Materiały 2D