Sub-nanometer Resolution Imaging met amplitude-modulatie Atomic Force Microscopy in Liquid

Het algemene doel van deze procedure is om de hoogst mogelijke resolutiebeeldvorming in vloeistof te bereiken met een commercieel AFM dat wordt bediend en amplitudemodulatie, ook bekend als tapping mode. Deze methode helpt de grens van standaard AFM-bediening in vloeistof te verleggen, door de beste combinatie van parameters voor hoge resolutie te gebruiken. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze kan worden gebruikt met de meeste commerciële AFM's, en vereist dus geen speciaal materiaal.

De hier gepresenteerde methode is gericht op wetenschappers en technici die al enige basiskennis van AFM hebben, maar meer uit de techniek willen halen. Deze methode is niet gericht op een specifiek type monster en kan breed worden toegepast op monsters uit fysica, biologie, chemie, materialen en dienstwetenschappen. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze techniek het moeilijk hebben, omdat het enige geduld vereist om de beste parameters voor een bepaald monster te vinden.

Behandel de instrumenten en de schijf die het substraat ondersteunt, met een sonische bad in ultrapuur water. Gevolgd door isopropanol en opnieuw ultrapuur water, elk gedurende 10 minuten. Bij het streven naar hoge resolutie kan elke verontreiniging nadelige gevolgen hebben.

Draag altijd handschoenen en zorg ervoor dat alle oppervlakken of instrumenten die in contact komen met het monster, de cantilever of de AFM-cel, grondig worden schoongemaakt. Droog na het behandelen met de sonische bad elke instrument en het monsterschijfje onder een stroom stikstof. Gebruik een stalen schijf als ondersteuning voor mica om enkel geabsorbeerde metaalionen af te beelden.

Maak de oppervlakken die niet kunnen worden schoongemaakt met een sonische bad fysiek schoon door ze af te vegen met enkellaagse weinig pluizende tissues gedrenkt in ultrapuur water, isopropanol en opnieuw ultrapuur water achter elkaar. Laat het oppervlak maximaal 30 minuten in de lucht drogen. Bereid vervolgens een kleine hoeveelheid epoxylijm voor door de reagentia grondig te mengen en plaats ongeveer 10 microliters van de epoxy op het schone stalen monsterschijfje.

Plaats het mica-substraat op de epoxy en bevestig het aan de stalen schijf door druk op het substraat uit te oefenen. Laat de epoxy gedurende enkele uren op een verhoogde temperatuur uitharden volgens de specificaties van de fabrikant. Druk vervolgens stevig een 2,5 centimeter brede strook plakband op het substraat, zodat het hele oppervlak bedekt is, en trek de bovenste laag soepel af.

Herhaal dit proces twee tot drie keer totdat de mica spiegelglad is voor het oog. Dompel het cantileverchip in een bad isapropanol gevolgd door ultrapuur water, elk gedurende 60 minuten. Blootstel vervolgens de punt aan UV-licht gedurende maximaal vijf minuten om de vorming van stabiele hydratatieplaatsen te bevorderen.

Langere overbelichtingstijden kunnen de punt beschadigen of de krommingsradius vergroten. Plaats de cantilever in de cantileverhouder van de AFM en pipetteer 25 microliter van de beeldvormingsvloeistof op de cantilever en punt om het oppervlak voor te bevochtigen. Dit zal het verschijnen van luchtbellen bij het naderen van het monster verminderen.

Smelt de monsterschijf en het substraat op het monsterstuk en voeg een druppel van de beeldvormingsvloeistof toe aan het monster. Verbind vervolgens de cantileverhouder met de AFM. Breng de cantilever en het monster dicht bij elkaar om een capillaire brug te vormen tussen de vloeistoffen op de punt van de cantilever en die op het monster.

Gebruik de AFM-software om de meetlaser dicht bij het uiteinde van de cantilever uit te lijnen. Zoek vervolgens de resonantiefrequentie van de cantilever vanuit de hoofdpieken in zijn thermische spectrum. Als de uitwijking van de cantilever is gekalibreerd, levert het passen van de resonantiepiek met een model van een eenvoudige harmonische oscillator de veerconstante van de cantilever op.

Stel vervolgens de cantilever af door de amplituderespons te vinden wanneer deze extern wordt aangedreven over een bereik van frequenties dicht bij de resonantiefrequentie die in het thermische spectrum is geïdentificeerd. Pas de aandrijfamplitude aan zodat de vrije oscillatieamplitude ongeveer vijf nanometer is. Dit komt doorgaans overeen met 0,2-0,8 volt op de meeste AFM's.

Stel vervolgens de amplitudesetpoint in op ongeveer 80%van de vrije amplitude. Stel vervolgens de feedbackversterkingen relatief hoog in. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat er geen onstabiliteit of piepen optreedt, stelt u de initiële scanfrequentie in op ongeveer een hertz en de scanschaal op 10 nanometer.

Start de nadering van de punt naar het oppervlak met behulp van de AFM-besturingssoftware. Beoordeel of de punt het oppervlak heeft bereikt zonder te beginnen met afbeelden door de setpointwaarde lichtjes te wijzigen. Als de punt op het oppervlak is, zou het effect op de uitbreiding van de ZPA-zone verwaarloosbaar moeten zijn.

Zodra de punt het oppervlak heeft bereikt, trekt u de ZPA-zone terug en stemt u de cantilever opnieuw af. De resonantiefrequentie zal waarschijnlijk naar een lagere waarde zijn verschoven als gevolg van interacties tussen punt en monster. Verander nu de setpoint naar ongeveer 80%van de nieuw afgestelde vrije amplitude en zet de cantilever in om een scan van 10 bij 10 nanometer vierkant van het oppervlak in amplitudemodulatiemodus uit te voeren om te verifiëren dat de beeldvormingsparameters geschikt zijn.

Controleer of de trace- en retrace-profielen elkaar overlappen. Als dat niet het geval is, verlaagt u de setpoint verder en probeert u de versterkingen te verhogen. Als het beeld lawaaierig wordt, verlaagt u de versterkingen.

Herhaal de bewerking met een groot gebied van één tot vijf micrometer vierkant van het monster, indien mogelijk. Bij zachte of biologische monsters kan dit leiden tot verontreiniging van de punt. Verklein de scanschaal tot een waarde die geschikt is voor het visualiseren van de interessante kenmerken.

Dit kan zo laag zijn als 20 bij 20 nanometer. Verklein vervolgens de aandrijfamplitude van de cantilever voldoende zodat de feedbacklus de ZPA-zone automatisch terugtrekt en de punt van het oppervlak verwijdert. Terwijl de cantilever ver van het oppervlak is, pas de aandrijfamplitude aan zodat de cantileveramplitude één tot twee nanometer is van piek tot pie