Что такое атомно-силовой микроскоп (АСМ)?

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) - это чрезвычайно точный микроскоп, который снимает образец, быстро перемещая зонд с наконечником нанометрового размера по его поверхности. Это сильно отличается от оптического микроскопа, который использует отраженный свет для изображения образца. АСМ-зонд обеспечивает гораздо более высокую степень разрешения, чем оптический микроскоп, потому что размер зонда намного меньше, чем лучшая длина волны видимого света. В сверхвысоком вакууме атомно-силовой микроскоп может отображать отдельные атомы. Его чрезвычайно высокое разрешение позволило сделать AFM популярным среди исследователей, работающих в области нанотехнологий.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (STM), который косвенно регистрирует поверхность путем измерения степени квантового туннелирования между зондом и образцом, в атомно-силовом микроскопе зонд либо непосредственно контактирует с поверхностью, либо измеряет химическую связь между зондом и образцом ,

В AFM используется микромасштабный кантилевер с наконечником зонда, размер которого измеряется в нанометрах. АСМ работает в одном из двух режимов: контактный (статический) режим и динамический (колебательный) режим. В статическом режиме зонд неподвижен, а в динамическом режиме колеблется. Когда AFM приближается к поверхности или соприкасается с ней, консоль отклоняется. Обычно сверху кантилевера находится зеркало, которое отражает лазер. Лазер отражается на фотодиод, который точно измеряет его отклонение. Когда колебание или положение наконечника АСМ изменяется, он регистрируется на фотодиоде, и изображение создается. Иногда используются более экзотические альтернативы, такие как оптическая интерферометрия, емкостное зондирование или пьезорезистивные (электромеханические) наконечники зондов.

Под атомно-силовым микроскопом отдельные атомы выглядят как нечеткие пузырьки в матрице. Для обеспечения такой степени разрешения требуется сверхвысоковакуумная среда и очень жесткий кантилевер, что предотвращает его прилипание к поверхности с близкого расстояния. Недостатком жесткого кантилевера является то, что для измерения степени прогиба требуются более точные датчики.

Сканирующие туннельные микроскопы, другой популярный класс высокоточных микроскопов, обычно имеют лучшее разрешение, чем АСМ, но преимущество АСМ состоит в том, что они могут использоваться в окружающей среде в жидкой или газовой среде, тогда как СТМ должен работать в высоком вакууме. Это позволяет получать изображения влажных образцов, особенно биологических тканей. При использовании в сверхвысоком вакууме и с жестким кантилевером атомно-силовой микроскоп имеет разрешение, аналогичное STM.