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Artículos Técnicos

Imagenología rápida utilizando el microscopio de fuerza atómica Park NX10

Mina Hong, Gerald Pascual, Byong Kim, and Keibock Lee
Marketing technique & applications, Park Systems Corporation

 

Introducción

La microscopía de fuerza atómica ha proporcionado a aquellos en la investigación y la industria con medidas de alta resolución e imagenología a nanoescala, pero ha estado limitado por mucho tiempo por su relativamente lenta velocidad de la imagen. Para ciertas aplicaciones tales como nucleación de cristal y crecimiento, transporte de materiales y procesos de autoensamblaje de proteínas [1-3], es importante hacer un seguimiento de los cambios de topografía y transporte de partículas. Para este tipo de estudios, un AFM tiene que poder obtener la imagen tan rápido como sea posible sin sacrificar demasiado la exactitud y la repetitividad de los datos necesaria para reproducir el trabajo. Para enfrentar este desafío, los ingenieros de Park Systems se han empujado a sí mismos a mejorar los sistemas existentes de AFM para escanear con un aumento de la frecuencia sin pérdida de resolución y precisión y sin la necesidad de ninguna configuración adicional costosa.
Hoy en día, con la serie NX de AFM de Park y voladizos de alta frecuencia, uno puede generar imágenes AFM de la esperada alta resolución manteniendo una velocidad de exploración aumentada significativamente en comparación con los sistemas tradicionales. Todos los AFM de la serie Park NX se construyen para la velocidad de regeneración rápida de Z escáner y optimización control de servo de Z de manera que sólo un voladizo de ultra alta frecuencia es todo lo que se necesita para llevar a cabo la imagenología AFM de alta velocidad. La imagenología rápida de Park es la solución más optimizada para la necesidad de generación de imágenes AFM acelerada. Esto permite al investigador realizar la proyección de imagen rápida y precisa de las superficies de la muestra que abarca una amplia gama de alturas de la característica, que van desde solo nanómetros a decenas de nanómetros.

 

Experimentos

Con el fin de determinar si la tecnología de Park Systems ofrece velocidad de exploración superior manteniendo un rendimiento de alta resolución, Un Park NX10 AFM fue utilizado para realizar una operación de proyección de imagen rápida con voladizos ultra cortos (USC) suministrados por el NanoWorld. USC tiene una constante de resorte de 3 N/m y una frecuencia de resonancia de 2 MHz. Se aplico imagenología con tres productos comerciales para probar la facilidad de uso y la exactitud de la capacidad de proyección de imagenología rápida de AFM. Todos los experimentos fueron ejecutados en el modo sin contacto utilizando el software de operación Park SmartScan AFM.

La primera muestra reflejada era película de pentaceno. El pentaceno es un hidrocarburo aromático policíclico que consiste en cinco anillos de benceno fusionados linealmente. Los anillos están conectados para formar una estructura que tiene diferencias de altura de la superficie de aproximadamente 10 nanómetros. Es un compuesto altamente conjugado que puede ser utilizado como un semiconductor orgánico. La segunda muestra que se ejecutó fue un patrón de producción de aluminio triangular. La tercera muestra probada fue Celgard, un material utilizado como separador y filtro de membrana en baterías de iones de litio poroso así como en varias aplicaciones médicas. La superficie de Celgard tiene una gran variación de alturas características, del orden de decenas de nanómetros. Todas las muestras fueron muestreadas con un aumento de velocidad de 1 Hz a 10 Hz para determinar si la proyección de imagen de alta resolución podría mantenerse mientras capturaba los cambios topográficos y transformación de partículas de las muestras.

 

RESULTADOS Y DISCUSIONES

El experimento demostró que el Park NX10 AFM proporciona alta resolución, alta productividad y alto rendimiento a tasas aumentadas de exploración. La figura 1 muestra claramente las características superficiales de pentaceno tales como agujeros (defectos) y las estructuras monocapa. Con la velocidad de exploración que se incrementó de 1 Hz (Figura 1a) a 10 Hz (Figura 1b), no hay diferencias evidentes entre estas características observadas. Creemos que con una velocidad de barrido de 10 Hz, los cambios en la topografía de la superficie de pentaceno pueden rastrearse bien en entornos que promueven el crecimiento real o disolución.

 

161223-afm-image-pentacene-filmFigure 1. Imágenes de la película de pentaceno reflejado en (a) 1 Hz y (b) 10 Hz.
Tamaño de escaneo: 1 μm x 1 μm, tamaño de la imagen: 512 px × 512 px.

 

En la figura 2, los filos agudos de 15 nm del patrón de producción de aluminio altamente triangular pueden ser claramente revelados tanto en baja y alta velocidad sin sacrificar la calidad de cualquier imagen. La más rápida velocidad de imágenología de 10 Hz permite ver con una calidad igual a la imagen a 1 Hz.

 

161223-afm-image-triangular-aluminum-productionFigure 2. Imágenes de topografía del patrón triangular de aluminio producido en (a) 1 Hz y (b) 10 Hz.
Tamaño de escaneo: 1 μm x 1 μm, tamaño de la imagen: 512 px × 512 px.

La estructura porosa de Celgard lo convierte en uno de las más estructuralmente complejas de las tres muestras analizadas con la imagenología rápida. La variación de la altura y el hecho de que las fibras se suspenden libremente hacen muy difícil un seguimiento con las técnicas convencionales. La figura 3 nos da prueba de que los detalles de la estructura superficial fueron capturados perfectamente incluso en el aumento de velocidad de 10 Hz.

 

161223-afm-image-celgard

Figure 3. Imágenes de la topografía de Celgard a (a) 1 Hz y (b) 10 Hz.
Tamaño de escaneo: 1 μm x 1 μm, tamaño de la imagen: 512 px × 512 px.

Conclusión

Los experimentos revelaron claramente que las topografías de pentaceno, un patrón de proyección de aluminio y Celgard podrían ser eficientemente y exactamente reflejadas en un aumento de la frecuencia de 10 Hz mediante el sistema AFM Park NX10. Todos los AFM de la Serie NX de Park Systems pueden realizar la imagenología rápida con voladizos de alta frecuencia sin ningún hardware adicional requerido. Concluimos que esta característica de la serie NX de AFM de Park Systems proporcionará a los investigadores un método para adquirir exitosamente en situ, información de topografía superficial de materiales crítica en tiempo real para sus estudios dinámicos de cambio de propiedades.

 

REFERENZEN

[1] Geochim. Cosmochim. Acta 141, 228-239
[2] Cryst. Growth Des. 15 (1), 129-136
[3] PloS one 9 (4), e95333