Aatomijõumikroskoopia

Aatomijõumikroskoopia (inglise atomic force microscopy ehk AFM) on väga tõhus meetod objektide pinna uurimiseks nii aatom- kui ka submikroonsel tasemel. Aatomijõumikroskoopia kuulub skaneeriva teravikmikroskoopia perekonda.
Aatomijõumikroskoop on skaneeriv mikroskoop, mille otsik mõõdab elektronide kihi ja otsiku vahelist van der Waalsi jõudu, keemilise sideme jõudu või muud jõudu.
Aatomijõumikroskoobi lahutusvõime võib ulatuda alla 1 nm.
Aatomijõumikroskoop valmistati esimest korda 1986.

Meetodi tööpõhimõte/iseloomustus

Enamlevinud teravikmikroskoopidel on sarnane tööpõhimõte (joonis 1), kuid erinevused tulenevad tuvastamise ning andmete kogumise ja esitamise süsteemist. Tavaliselt saadakse pilt uuritava pinna topograafiast objektile lähendatud teraviku skaneerimisel üle soovitud pinna, kusjuures skaneerimise ajal kontrollitakse tagasisideahelaga kas vedru painet või võnkeamplituudi muutust.
Aatomijõumikroskoobis lähendatakse uuritavale objektile nn. jõusensor, mis koosneb teatud jäikusega lehtvedrudest ja nende küljes olevatest teravikest (joonis 2). Interaktsiooni teraviku ja objekti vahel kirjeldatakse tõmbe- ja tõukejõududega, mis ei sõltu uuritavate objektide elektrijuhtivusest. Seetõttu võimaldab meetod uurida nii isolaatoreid kui ka elektrit juhtivaid objekte.
Vaatleme lähemalt teraviku ja objekti pinna vahelist interaktsiooni. Kui teraviku ja objekti pinna vaheline kaugus on mõnikümmend nanomeetrit, siis sellisel juhul domineerib van der Waalsi tõmbejõud. Vahekauguse vähendamisel kuni mõne kümnendiku nanomeetrini osutuvad teraviku ja pinna aatomite väliskatete elektronide lainefunktsioonid kattuvateks ja ülekaalu saavutavad eksponentsiaalselt suurenevad vahetusseoses olevad tõukejõud. Need vahetusseose tõukejõud kompenseerivad kiiresti van der Waalsi tõmbejõud. Teraviku edasisel lähendamisel pinnale muutuvad jõud Pauli keeluprintsiibi tõttu tõukuvateks. Mehaaniline kontakt defineeritakse piirkonnana, kus tõmbe- ja tõukejõudude vahel on tasakaal (joonis 3).

Jõusensorite omadused

Jõusensorid ja nende külge kinnituvad teravikud on kõige olulisemad komponendid aatomijõumikroskoobis, sest nende omadustest sõltub otseselt uuritavale objektile rakendatav jõud ja pinnast saadava pildi lateraalne lahutus. Seega on vaja leida jõusensorite optimaalsed omadused, mis vastaksid esitatud nõuetele. Väikeste jõudude (nN suurusjärgus) määramiseks peab vedru enda jäikus olema samuti piisavalt väike, s.t. mida painduvam vedru, seda suurem tundlikkus saavutatakse. Samas on vajalik vedru kõrge resonantssagedus, et vähendada mikroskoobi tundlikkust mehaaniliste mürade suhtes. Vedru resonantssageduse ω₀ saab esitada avaldisega:  (1), kus c on vedru jäikus ja m vedru mass.
Avaldisest (1) selgub, et suure resonantssageduse ja väikese jäikusega vedru puhul peab tema mass olema võimalikult väike. Vedru jäikust saab hinnata tahkise aatomite vahelise sideme tüüpilise jäikuse kaudu järgmise avaldisega:  (2), kus ωₐₜ ~ 10¹³ Hz on aatomite võnkumise sagedus ja mₐₜ ~ 10⁻²⁵ kg on aatomi mass. Peale piisava jäikuse ja kõrge resonantssageduse on suure lateraalse lahutuse (aatomlahutuse) saamiseks vajalik väikese tipuraadiusega teravik. Oluline on ka, et teraviku poolnurk oleks väike ja teravik oleks piisavalt pikk. Pikem ja peenem teravik võimaldab korrektselt esitada järske üleminekuid ning sügavaid auke ja/või poore. Tavaliselt iseloomustatakse selliseid pikki ja peenikesi teravikke pikkuse ja laiuse suhtega, st. mida suurem suhtarv, seda peenem teravik.
Teravikele esitatud tingimuste ja hästi väljaarendatud tehnoloogia tõttu valmistatakse tänapäeval enamik vedrusid räninitriidist (Si₃N₄) või puhtast ränist (Si). Sõltuvalt uuritavate objektide iseärasustest on võimalik kasutada nii V-kujulisi kui ka ristkülikukujulisi vedrusid (joonis 4). Suurema jäikuse saavutamiseks kasutatakse sageli V-kujulisi vedrusid, mistõttu need vedrud ei ole väga tundlikud hõõrde suhtes. Samas väänduvad ristkülikukujulised vedrud kergemini ning see muutub oluliseks, kui objekti pind on väga reljeefne .
 Joonisel 4 on näidatud ka olulised vedru parameetrid, millega saavutatakse optimaalsed jäikus- ja sagedusparameetrid. Vedrude pikkus (l) on 100–200 μm, laius (w) 10–40 μm ning paksus (t) 0,3–2 μm. Jäikused ja resonantssagedused jäävad vastavalt vahemikku 0,1–10 N m⁻¹ ja 5–400 kHz .
Teravike kuju poolest on kasutusel peamiselt koonilised või püramiidsed teravikud, mille tipuraadius on tavaliselt alla 50 nm, parematel juhtudel isegi alla 10 nm, mistõttu selliste teravikega on võimalik saavutada aatomlahutust. Joonisel 5 on esitatud skaneeriva elektronmikroskoobi pilt püramiidsest räniteravikust .

Jõusensorile rakendatud jõudude tuvastamine

Kui aatomijõumikroskoobi teravik on lähendatud uuritava objekti pinnale, siis interaktsiooni tulemusena paindub vedru vastavalt Hooke'i seadusele , mis avaldub järgmiselt:  (3), kus c on vedru jäikus, F vedru elastsusjõud ja Δf vedru pikkuse muutus.
Objekti topograafia saamiseks kontaktses töörežiimis tuleb registreerida väga täpselt vedru paine. Selleks, et saada aatomlahutust, peab painde tuvastamise tundlikkus olema parem kui 0,1 nm . Seega peab tuvastamissüsteem olema väga täpne ning ei tohi avaldada vedrule märgatavat mõju ega põhjustada kujutiste moonutusi pildil.
Varasematel aatomijõumikroskoopidel kasutati vedru painde määramiseks tunnelvoolu, samuti mahtuvuse muutuse mõõtmist vedru ja abielektroodi vahel. Seevastu tänapäevastes mikroskoopides on kasutusel optiline tuvastamissüsteem, kus vedru paine registreeritakse tema tagaküljelt peegeldunud laserikiire tuvastamisega positsioonitundliku fotodetektori abil (joonis 6). Parema signaali saamiseks kaetakse vedru tagaküljelt peegeldava kattega (nt metallikihiga).
Positsioonitundlik fotodetektor on jaotatud neljaks sektoriks (Joonis 6 b) ning täpselt justeeritud laserikiir vastab punasele täpile joonisel. Kui objekti skaneeritakse kontaktses režiimis, siis vedru painet tuvastatakse laserikiire vertikaalse nihkumisega (sinine osa joonisel 6 b). Hõõrdejõust tingitud vedru väändumist iseloomustab joonise roheline osa, antud juhul laserikiir nihkub horisontaalselt. Vertikaalne või horisontaalne laserikiire liikumine tuvastatakse signaalide erinevusega vastavates sektorites – (A+B)-(C+D) vastab vertikaalsele nihkele ja (A+C)-(B+D) vastavalt horisontaalsele. Fotodetektoriga on võimalik mõõta laserikiire nihkeid suurusjärgus 1 nm.

Aatomijõumikroskoobi töörežiimid

Aatomijõumikroskoobi põhilised töörežiimid on kontaktne (ingl. keeles Contact-AFM, CM-AFM), mittekontaktne (ingl. keeles Non-contact AFM, NC-AFM) või puutekontaktne (ingl. keeles Intermittent-contact AFM või Tapping-mode AFM, IC-AFM) . Iga töörežiimi jaoks on kasutusel erinevad teravikud, mille valik sõltub väga palju uuritava objekti pinnastruktuurist.
Kontaktses režiimis töötades saadakse topograafiline kujutis kas konstantse kõrguse või konstantse jõu režiimis. Konstantse kõrguse puhul skaneerimise jooksul piesoskanner ei muuda oma pikkust ning topograafilised andmed saadakse fotodetektori signaali muutustest ehk vedru paindumisest. Konstantse kõrguse tööviisi kasutatakse sageli aatomlahutuse saamiseks. Sellega vaadeldakse atomaarselt siledaid pindu, mille puhul vedru painded ja seega ka jõud on väiksed ning ei tekita objektis märgatavaid deformatsioone . Konstantse jõu töörežiimis kontrollitakse piesoskanneri liikumist z-sihis ja hoitakse vedru paine konstantne. Sellisel juhul saadakse topograafiline pilt, registreerides piesoskanneri pikkust reguleerivat pinget.
Mittekontaktse töörežiimi (NC-AFM) korral vibreeritakse jäika vedrut uuritava objekti kohal peaaegu tema resonantssagedusega (30–400 kHz) ja amplituudiga 1–10 nm. Teraviku lähendamisel pinnale või topograafia muutumisel hakkab antud režiimis muutuma vedru võnkumise sagedus, kindla sagedusega võnkumise amplituud või võnkefaas . Võnkumise amplituudi säilitamiseks muudetakse skanneri pikkust ning viimase pinge muutus kirjutab üles pinna topograafia muutused. Kuna antud režiimis teraviku ja objekti vaheline kaugus on ligikaudu 1–10 nm ja objektile mõjuv jõud on väike, siis saab selles režiimis uurida pehmeid objekte .
Puutekontaktse töörežiimi (IC-AFM) tööpõhimõte sarnaneb mittekontaktse omaga, kuid erineb viimasest selle poolest, et puutekontaktses lähendatakse teravikku objektile senikaua, kuni ta hetkeks puudutab pinda. Analoogselt mittekontaktse režiimiga saadakse ka selles režiimis topograafiline signaal skanneri z-suunaliste pingete muutuste abil ning samal ajal kontrollitakse tagasisideahelaga vedru amplituudi muutusi.
Teravikmikroskoopia meetodeid saab rakendada mitmesugustes keskkondades, alustades ülikõrgvaakumist ning lõpetades vedelikega. Kõige sagedamini töötatakse AFM-ga õhu käes ja toatemperatuuril, mis tähendab seda, et mõõtmistel tuleb alati arvestada võimaliku õhukese veekile tekkimisega objektile, eriti oksiidkilede korral (joonis 7). Selline veekile võib tekitada mittekontaktses režiimis töötades objekti pinnale väärkujutisi ning raskendab pildil oleva informatsiooni interpreteerimist.