AFM - Atomisk kraft mikroskop

Grundbeskrivelse

AFM står for Atomic Force Microscopy (atomisk kraft mikroskopi, på dansk). Det er efterkommeren til STM (Scanning Tunneling Microscopy), der i 1980'erne indbragte Gerd Binning og Heinrich Rohrer nobelprisen i fysik. AFM-apparatet tilhører gruppen af værktøjer kaldet Scanning Probe Microscopes (SPM). Man bruger dem indenfor nanoteknologien og biofysikken til at få detaljeret information om materialers overflader og mekaniske egenskaber. De består alle af en sonde (probe), der skanner overfladen på den ene eller anden måde. I nogle tilfælde kan man også benytte det til at manipulere prøver, der er nede i størrelsesordnen nanometer. Man har for eksempel benyttet et AFM mikroskop til at "printe" et mikroskopisk billede af Mona Lisa.

Typisk AFM-opstilling. (Laundry, wikimedia commons)

AFM er et mikroskop med en meget høj opløsning. Med høj opløsning menes der, at man med et AFM apparat er i stand til at se strukturer helt ned til en brøkdel af en nanometer. Hvilket er mere end 1000 gange mindre end, hvad man kan se igennem et optisk mikroskop.
Man får information om overfladens struktur ved, at lade en mekanisk sonde "føle" overfladen. Prøven styres så af et piezoelektrisk element, der sørger for små, meget præcise bevægelser.

En af de største fordele ved AFM er, at det er hurtigt at gå til og billigt. Prøverne, man vil undersøge, kræver ingen forberedelser, hvor mange andre typer mikroskoper kræver, at man pådamper metal på prøvens overflade eller lignende. Prøven vil derfor i de tilfælde være stærkt påvirket inden man kan skanne den. Med et STM-mikroskop skal materialet for eksempel være elektrisk ledende, og mikroskoper som elektronmikroskopet behøver yderligere et vakuum for at fungere. 

Men med AFM kan man skanne den egentlige prøve uden at ødelægge den. AFM er således en af de mere skånsomme former for billedtagning, og det er endda muligt at skanne biologiske prøver i vandige omgivelser.

Uddybende beskrivelse

En typisk AFM-opstilling. (Chano Birkelind)

Det grundlæggende princip i AFM-apparatet minder på mange måder lidt om en pickup og tonearm på en gammeldags grammofon.
Begge fungerer groft sagt ved, at man har en arm med en nål i enden, der trækkes over en flade. Man måler så overfladestrukturen som svingningen op og ned.

Mere konkret består AFM-sonden af en bøjelig, mikroskopisk arm, der har en spids på enden. Når spidsen kommer i kontakt med prøven, bøjer armen.

Afbøjningen måles ved, at en laserstråle reflekteres fra armens overside op i en række fotodioder, der så registrerer, hvor meget den reflekterede stråle har flyttet sig. Data bliver så behandlet ved hjælp af computersoftware, og man får et reelt tredimensionelt billede af prøvens overflade.

Skanningsmetoder:

En skanning af prøvens overflade kan foretages på flere måder, og alt efter typen af materiale er nogle metoder mere egnede end andre. De mest grundlæggende metoder er kontakt, ikke-kontakt og tapping, der alle bruges til at visualisere en prøves overfladestruktur.

Kontakt. (Chano Birkelind)

Ved kontaktmåling trækkes spidsen over prøvens overflade, og overfladen måles direkte, som bjælkens afbøjning. Hovedsageligt holder man sig fra kontakt, hvis man har en prøve, hvor materialet frastøder sonden, da den ellers er tilbøjelig til at klistre sig til overfladen.

Ved kontak- AFM vil man opleve, at spidsen på sonden nedslides, hvis man foretager mange målinger, og man kan så risikere at få såkaldte artefakter.

Ikke-kontakt. (Chano Birkelind)

Ved ikke-kontakt-måling kommer målesonden, som navnet antyder, ikke i direkte kontakt med prøven. I stedet måler man de langtrækkende kræfter ved at lade sonden svinge med sin resonans-frekvens. Kræfterne, der overvejende er van der Waals-kræfterne ved en afstand på 1-10 nm, påvirker sonden således, at svingningsamplituden, fasen af svingningen og resonansfrekvensen ændres, når spidsen kommer tæt på prøven. Apparatet kan så fastholde en konstant amplitude ved hjælp af specialiseret computersoftware, og på den måde justere højden af sonden over prøvens overflade.
Ikke-kontakt er langt at foretrække, hvis man har prøver, der er skøbelige, og er derfor den foretrukne metode, når man har med biologiske materialer at gøre.
Samtidig nedslides spidsen ikke, som ved kontakt-AFM.

Tapping. (Chano Birkelind)

Tapping betyder, at man "prikker" til prøvens overflade ved at lade den svinge ligesom ved ikke-kontakt, men med en meget større amplitude og med en frekvens tæt på resonans-frekvensen, så den reelt rører overfladen.

Når spidsen kommer tæt på prøven, vil van der Waals-kræfter, dipol-dipol-kræfter og elektrostatiske kræfter påvirke sonden, således, at svingningsamplituden mindskes.
Amplitudeændringen bliver så omsat til et overfladebillede, ligesom ved ikke-kontakt.  

Der findes yderligere mere end 10 metoder, der alle har til formål at måle prøvens overflade-egenskaber som friktion, hårdhed, ladningsfordeling, magnetisme og modstand mod deformtion blot for at nævne nogle få. 

Artefakter:

En nedslidt spids kan snyde, så strukturer ser bredere ud. Den grønne form er den reele struktur af overfladen, men sonden ser også de røde områder som en del af strukturen. (Chano Birkelind)

Er spidsen nedslidt - altså er den blevet bred og flad, kan den glide over prøven i en bred bue. Man får altså et billede, hvor strukturer ser bredere ud end de i virkelighden er.

Indeholder prøven områder med dybe, smalle dale, vil spidsen måske ikke kunne nå bunden. Billedet vil derfor vise en mere overfladisk fordybning end det er tilfældet.

Dybden og åbningen af en dal i prøvens overflade kan betyde, at sonden ikke kan følge overfladen, og derfor "ser" prøven som værende fladere end, hvad den reelt er. På tegningen "ser" sonden ikke de orange områder. (Chano Birkelind)

Chano Birkelind