गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी

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चांदी पर 250 पीएक्स अणु हाइड्रोजन बंधन (77-के) के माध्यम से बातचीत करते हैं। छवि का आकार 2×2-एनएम। नीचे की छवि परमाणु मॉडल (रंग: ग्रे, कार्बन; सफेद, हाइड्रोजन; लाल, ऑक्सीजन; नीला, नाइट्रोजन) दिखाती है।[1]

गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एनसी-एएफएम), जिसे गतिशील बल माइक्रोस्कोपी (डीएफएम) के रूप में भी जाना जाता है, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का एक तरीका है, जो स्वयं स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी का एक प्रकार है। एनसी-एएफएम में एक तेज जांच को अध्ययन के तहत सतह के करीब (एंगस्ट्रॉम्स के क्रम में) ले जाया जाता है, फिर जांच को सतह पर रेखापुंज स्कैन किया जाता है, फिर स्कैन के दौरान बल की बातचीत से छवि का निर्माण किया जाता है। जांच एक गुंजयमान यंत्र से जुड़ी होती है, प्रायः एक सिलिकॉन ब्रैकट या एक क्रिस्टल ऑसिलेटर। मापन के दौरान संवेदक हार्मोनिक ऑसिलेटर चालित हार्मोनिक ऑसिलेटर है ताकि यह दोलन करे। बल अंतःक्रियाओं को या तो अनुनाद (आयाम मॉड्यूलेशन) से ठीक दूर एक स्थिर आवृत्ति पर दोलन के आयाम में परिवर्तन को मापकर या हमेशा ड्राइव करने के लिए फीडबैक सर्किट (प्रायः एक चरण-लॉक लूप) का उपयोग करके गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन को मापकर मापा जाता है। प्रतिध्वनि पर संवेदक (आवृत्ति मॉडुलन)।

ऑपरेशन के मोड

एनसी-एएफएम ऑपरेशन के दो सबसे आम तरीके, फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन (एफएम) और एम्प्लीट्यूड मॉड्यूलेशन (एएम), नीचे वर्णित हैं।

फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन

अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में एक सिलिकॉन कैंटिलीवर और चरण का पता लगाने और उत्तेजना संकेत की पीढ़ी के लिए एक पीएलएल का उपयोग करके एक उदाहरण एफएम-एएफएम सेटअप की योजनाबद्ध ड्राइंग। एक बहुत छोटा टिप एक ऑसिलेटिंग कैंटिलीवर (1) पर लगाया जाता है जो एक नमूने के आसपास होता है (इस मामले में कैंटिलीवर नमूने के नीचे होता है)। कैंटिलीवर का दोलन टिप और नमूने के बीच बातचीत पर बदलता है और कैंटिलीवर के पीछे फोकस किए गए लेजर बीम (2) के साथ पता लगाया जाता है। परावर्तित किरण दर्पण के माध्यम से स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर (PSD) (3) तक जाती है। PSD का संकेत एक preamplifier द्वारा प्रवर्धित किया जाता है। एक आयाम समायोजन (4) इस सिग्नल के आयाम ए को मापता है और फीडबैक लूप इसे एक सेटपॉइंट के साथ तुलना करता है और कैंटिलीवर के लिए उत्तेजना सिग्नल (6) के प्रवर्धन (अपव्यय Γ) को निर्धारित करता है जो हिलाने वाले पीजो को खिलाया जाता है। वर्तमान अनुनाद आवृत्ति को मापने के लिए, एक चरण-बंद लूप (PLL) (5) का उपयोग किया जाता है। इसका वोल्टेज-नियंत्रित ऑसिलेटर (VCO) कैंटिलीवर के लिए उत्तेजना संकेत (6) उत्पन्न करता है। ज्ञात फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट ∆f को एक अन्य फीडबैक लूप (7) में पास किया जाता है जो पीजो ट्यूब पर लागू वोल्टेज को अलग करके टिप और सतह (z स्थिति) के बीच की दूरी को बदलकर फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट को स्थिर रखता है।[2]

फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी, 1991 में अल्ब्रेक्ट, ग्रुटर, हॉर्न और रूगर द्वारा आरम्भ की गई,[3]

एनसी-एएफएम का एक तरीका है जहां अनुनाद पर सेंसर को हमेशा रोमांचक बनाकर सेंसर की गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन को सीधे ट्रैक किया जाता है। अनुनाद पर उत्तेजना बनाए रखने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स को सेंसर की उत्तेजना और प्रतिक्रिया के बीच 90 डिग्री चरण (तरंगें) चरण अंतर रखना चाहिए। यह या तो एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी एएफएम कैंटिलीवर-डिफ्लेक्शन मेजरमेंट फेज को 90° से शिफ्ट करके सेंसर को चलाकर किया जाता है, या एक उन्नत फेज-लॉक लूप का उपयोग करके किया जाता है जो एक विशिष्ट फेज में लॉक हो सकता है। रेफरी नाम= नोनीबाराटॉफ़ 2006 >नोनी, लॉरेंट; बाराटॉफ़, एलेक्सिस; सचर, डोमिनिक; फीफर, ओलिवर; वेट्ज़ेन, एड्रियन; मेयेर, अर्नस्ट (2006). "गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी सिम्युलेटर चरण-लॉक-लूप नियंत्रित आवृत्ति का पता लगाने और उत्तेजना के साथ". भौतिक समीक्षा बी. 74 (23): 235439. arXiv:भौतिकी/0701343. Bibcode:एचआरवीबी..74डब्ल्यू5439 एन 2006पी एचआरवीबी..74डब्ल्यू5439 एन. doi:10.1103/PhysRevB.74.235439. ISSN 1098-0121. S2CID 39709645. {{cite journal}}: Check |arxiv= value (help); Check |bibcode= length (help)</ref> इसके बाद माइक्रोस्कोप गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन का उपयोग कर सकता है (एफ) एसपीएम संदर्भ चैनल के रूप में, या तो स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी # कॉन्स्टेंट इंटरैक्शन मोड में, या इसे सीधे स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी लगातार ऊंचाई मोड में रिकॉर्ड किया जा सकता है।

आवृत्ति-संग्राहक छवियों को रिकॉर्ड करते समय, ड्राइव आयाम को समायोजित करके, अनुनाद के आयाम को स्थिर रखने के लिए प्रायः एक अतिरिक्त फीडबैक लूप का उपयोग किया जाता है। स्कैन के दौरान ड्राइव आयाम रिकॉर्ड करके (प्रायः डंपिंग चैनल के रूप में संदर्भित किया जाता है क्योंकि उच्च ड्राइव आयाम की आवश्यकता सिस्टम में अधिक नमी से मेल खाती है) एक पूरक छवि केवल गैर-रूढ़िवादी ताकतों को दिखाते हुए रिकॉर्ड की जाती है। यह प्रयोग में रूढ़िवादी और गैर-रूढ़िवादी ताकतों को अलग करने की अनुमति देता है।

आयाम मॉडुलन

अनुनाद (आयाम मॉड्यूलेशन मोड) से संचालित एएफएम सेंसर की गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन आयाम में परिवर्तन का कारण बनता है।

एम्प्लिट्यूड मॉड्यूलेशन ऑपरेशन के मूल तरीकों में से एक था जिसे बिनिग और क्वाट ने अपने सेमिनल 1986 एएफएमपेपर में प्रस्तुत किया था।[4] इस मोड में सेंसर अनुनाद से बाहर उत्साहित है। संवेदक को उसकी गुंजयमान आवृत्ति के ठीक ऊपर उत्तेजित करके, उन बलों का पता लगाना संभव है जो दोलन के आयाम की निगरानी करके गुंजयमान आवृत्ति को बदलते हैं। जांच पर एक आकर्षक बल सेंसर गुंजयमान आवृत्ति में कमी का कारण बनता है, इस प्रकार ड्राइविंग आवृत्ति प्रतिध्वनि से आगे होती है और आयाम कम हो जाता है, विपरीत प्रतिकारक बल के लिए सही है। सूक्ष्मदर्शी नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स तब एसपीएम संदर्भ चैनल के रूप में आयाम का उपयोग कर सकते हैं, या तो स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी कॉन्स्टेंट इंटरैक्शन मोड में, या इसे सीधे स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी कॉन्स्टेंट ऊंचाई मोड में रिकॉर्ड किया जा सकता है।

आयाम मॉडुलन विफल हो सकता है यदि प्रयोग के दौरान गैर-रूढ़िवादी बल (डैम्पिंग) बदलते हैं, क्योंकि यह प्रतिध्वनि शिखर के आयाम को ही बदल देता है, जिसे गुंजयमान आवृत्ति में परिवर्तन के रूप में व्याख्या किया जाएगा।[citation needed] आयाम मॉडुलन के साथ एक अन्य संभावित समस्या यह है कि एक अधिक प्रतिकारक (कम आकर्षक) बल में अचानक परिवर्तन प्रतिध्वनि को ड्राइव आवृत्ति से आगे स्थानांतरित कर सकता है जिससे यह फिर से घट सकती है। निरंतर ऊंचाई मोड में यह सिर्फ एक छवि आर्टिफैक्ट की ओर ले जाएगा, लेकिन फीडबैक मोड में फीडबैक इसे एक मजबूत आकर्षक बल के रूप में पढ़ेगा, जिससे फीडबैक संतृप्त होने तक सकारात्मक प्रतिक्रिया होगी।

आयाम मॉडुलन का एक लाभ यह है कि आवृत्ति मॉडुलन (चरण/आवृत्ति लूप, आयाम लूप, और स्थलाकृति लूप) में तीन की तुलना में केवल एक फीडबैक लूप (स्थलाकृति फीडबैक लूप) होता है, जिससे संचालन और कार्यान्वयन दोनों बहुत आसान हो जाते हैं। आयाम मॉडुलन, हालांकि, वैक्यूम में संभवतः ही कभी उपयोग किया जाता है क्योंकि सेंसर का क्यू कारक प्रायः इतना अधिक होता है कि आयाम अपने नए मूल्य पर स्थिर होने से पहले सेंसर कई बार दोलन करता है, इस प्रकार ऑपरेशन धीमा हो जाता है।

सेंसर

सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर

सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर दोनों संपर्क एएफएम और एनसी-एएफएम के लिए उपयोग किए जाते हैं। सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर सिलिकॉन नाइट्राइड से छोटे (~100×10×1 माइक्रोन) आयताकार, त्रिकोणीय, या वी-आकार वाले कैंटिलीवर को नक़्क़ाशी से उत्पादित किया जाता है। मूल रूप से वे एकीकृत युक्तियों के बिना उत्पादित किए गए थे और धातु युक्तियों को वाष्पित करना पड़ा था,[5] बाद में कैंटिलीवर निर्माण प्रक्रिया में युक्तियों को एकीकृत करने के लिए एक विधि पाई गई।[6]

संपर्क एएफएमकैंटिलीवर (कठोरता ~0.2 N/m और गुंजयमान आवृत्तियों ~15 kHz के साथ) की तुलना में nc-एएफएमकैंटिलीवर में उच्च कठोरता, ~40 N/m, और अनुनादी आवृत्ति, ~200 kHz होती है। उच्च कठोरता का कारण वैन डेर वाल्स बलों के कारण सतह से संपर्क करने के लिए तड़कने वाली जांच को रोकना है।[7]

सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर युक्तियों को विशिष्ट उद्देश्यों के लिए लेपित किया जा सकता है, जैसे चुंबकीय बल माइक्रोस्कोप के रूप में उपयोग के लिए फेरोमैग्नेटिक कोटिंग्स। डोपिंग (सेमीकंडक्टर) द्वारा सिलिकॉन, सेंसर को एक साथ स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) और एनसी-एएफएम ऑपरेशन की अनुमति देने के लिए प्रवाहकीय बनाया जा सकता है।[8]

क्यूप्लस सेंसर

क्यूप्लस सेंसर की योजनाबद्ध। लाल और नीले क्षेत्र क्वार्ट्ज ट्यूनिंग फोर्क (हल्का पीला) पर दो सोने के इलेक्ट्रोड का प्रतिनिधित्व करते हैं।

कई अति उच्च वैक्यूम एनसी-एएफएम में क्यूप्लस सेंसर का उपयोग किया जाता है। सेंसर मूल रूप से कलाई घड़ी से क्वार्ट्ज ऑसिलेटर से बनाया गया था। एक क्वार्ट्ज ट्यूनिंग फोर्क सेंसर के विपरीत जिसमें दो युग्मित टीन्स होते हैं जो एक दूसरे के विपरीत दोलन करते हैं, एक क्यूप्लस सेंसर में केवल एक टाइन होता है जो दोलन करता है। ट्यूनिंग फोर्क को एक माउंट से इस तरह चिपकाया जाता है कि ट्यूनिंग फोर्क का एक दांत स्थिर हो जाता है, एक टंगस्टन तार, एक तेज शीर्ष के लिए नक़्क़ाशीदार, फिर फ्री प्रोंग से चिपकाया जाता है।[9] सेंसर का आविष्कार 1996 में हुआ था[10] भौतिक विज्ञानी फ्रांज जोसेफ गिएस्सिबल|फ्रांज जे. गिएस्सिबल द्वारा। एएफएमविक्षेपण संकेत पीजोइलेक्ट्रिसिटी द्वारा उत्पन्न होता है, और ट्यूनिंग फोर्क पर दो इलेक्ट्रोड से पढ़ा जा सकता है।

चूंकि टंगस्टन टिप तार प्रवाहकीय है, संवेदक का उपयोग संयुक्त एसटीएम / एनसी-एएफएम ऑपरेशन के लिए किया जा सकता है। टिप या तो विद्युत रूप से ट्यूनिंग फोर्क इलेक्ट्रोड से जुड़ा हो सकता है, या एक अलग पतले (~30μm व्यास) सोने के तार से जुड़ा हो सकता है।[11] अलग तार का लाभ यह है कि यह टनल करंट और विक्षेपण चैनलों के बीच क्रॉसस्टॉक को कम कर सकता है, हालांकि तार का अपना अनुनाद होगा, जो सेंसर के गुंजयमान गुणों को प्रभावित कर सकता है। संदर्भ में प्रस्तावित एक या कई एकीकृत सर्विस इलेक्ट्रोड के साथ क्यूप्लस सेंसर के नए संस्करण संदर्भ नाम=गिएस्सिबl2013 >Giessibl, Franz J. किसी सतह की गैर-संपर्क रूपरेखा के लिए संवेदक U.S. Patent 8,393,009, प्राथमिकता दिनांक 23 नवंबर, 2010, मार्च 5, 2013 को जारी किया गया</ref> और लागू किया गया रेफरी नाम=गिएस्सिबl2019 >Giessibl, Franz J. क्यूप्लस सेंसर, एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोप Rev. Sci के लिए एक शक्तिशाली कोर। साधन। 90, 011101, 2019 https://doi.org/10.1063/1.5052264</ref> उस समस्या का समाधान करें। बर्गमैन चक्रीकरण को हाल ही में ज्यूरिख में आईबीएम समूह द्वारा एकीकृत एसटीएम इलेक्ट्रोड के साथ ऐसे क्यूप्लस सेंसर का उपयोग करके चित्रित किया गया है। रेफरी नाम = आईबीएम2016>"- यूट्यूब". YouTube.</ref>

सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर, ~ 1800 N/m की तुलना में सेंसर में बहुत अधिक कठोरता है रेफरी नाम =गिएस्सिबl2000 >Giessibl, Franz J. (2000). "Si(111)-(7×7) पर एटॉमिक रेजोल्यूशन नॉन-कॉन्टैक्ट एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी द्वारा एक क्वार्ट्ज ट्यूनिंग फोर्क पर आधारित फोर्स सेंसर के साथ" (PDF). Applied Physics Letters. 76 (11): 1470–1472. Bibcode:2000ApPhL..76.1470G. doi:10.1063/1.126067.</ref> (टिप लगाने से समय और कम हो जाता है जिससे कठोरता ~2600 N/m हो सकती है रेफरी नाम = स्वीटमैन जार्विस 2011 >प्यारा आदमी, ए; जार्विस, एस.; डेंज़ा, आर.; बेमिडेल, जे; कांटोरोविच, एल.; मोरियार्टी, पी. (2011). "क्यूप्लस आवृत्ति संग्राहक परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके 5 K पर Si (100) में हेरफेर: परमाणुओं के यांत्रिक स्विचिंग में दोषों और गतिकी की भूमिका". भौतिक समीक्षा बी. 84 (8): 085426. Bibcode:2011पीएचआरवीबी..84एच5426एस. doi:10.1103/फिजरेवबी.84.085426. {{cite journal}}: Check |bibcode= length (help)</ref>). यह उच्च कठोरता स्नैप से पहले उच्च बलों को अस्थिरता से संपर्क करने की अनुमति देती है। क्यूप्लस सेंसर की गुंजयमान आवृत्ति प्रायः एक सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर की तुलना में कम होती है, ~25 kHz (टिप लगाने से पहले ट्यूनिंग फोर्क की गुंजयमान आवृत्ति 32,768 Hz होती है)। कई कारक (विशेष रूप से डिटेक्टर शोर और ईजेनफ्रीक्वेंसी) ऑपरेशन की गति को प्रभावित करते हैं।[12] सेंसर की लंबाई तक पहुंचने वाले लंबे टिप तारों वाले क्यूप्लस सेंसर एपेक्स के एक आंदोलन को प्रदर्शित करते हैं जो अब सतह के लंबवत नहीं है, इस प्रकार बलों को अपेक्षित दिशा में एक अलग दिशा में जांच कर रहा है।[13]

अन्य सेंसर

सिलिकॉन माइक्रोकैंटिलीवर के विकास से पहले, सोने की पन्नी[4]या टंगस्टन तार[14] एएफएमसेंसर के रूप में इस्तेमाल किया गया। क्वार्ट्ज क्रिस्टल गुंजयमान यंत्रों के डिजाइनों की एक श्रृंखला का उपयोग किया गया है,[15][16] सबसे प्रसिद्ध उपर्युक्त क्यूप्लस सेंसर है। एक नया विकास जिस पर ध्यान दिया जा रहा है वह है KolibriSensor,[17] बहुत उच्च गुंजयमान आवृत्ति (~1 मेगाहर्ट्ज) के साथ बहुत तेजी से संचालन की अनुमति देने वाले लंबाई वाले विस्तारित क्वार्ट्ज गुंजयमान यंत्र का उपयोग करना।

बल माप

बल स्पेक्ट्रोस्कोपी

फोर्स स्पेक्ट्रोस्कोपी टिप और नमूने के बीच बलों को मापने की एक विधि है। इस पद्धति में स्थलाकृतिक फीडबैक लूप अक्षम है, और टिप को सतह की ओर, फिर पीछे की ओर रैंप किया जाता है। रैंप के दौरान आयाम या आवृत्ति बदलाव (ऑपरेशन के मोड के आधार पर) को अलग-अलग दूरी पर बातचीत की ताकत दिखाने के लिए रिकॉर्ड किया जाता है। बल स्पेक्ट्रोस्कोपी मूल रूप से आयाम मॉडुलन मोड में किया गया था,[18] लेकिन अब अधिक सामान्यतः आवृत्ति मॉडुलन में किया जाता है। स्पेक्ट्रोस्कोपी मापन के दौरान बल को सीधे तौर पर नहीं मापा जाता है, इसके बजाय फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट को मापा जाता है जिसे बाद में एक बल में परिवर्तित किया जाना चाहिए। आवृत्ति बदलाव की गणना की जा सकती है,[7]द्वारा:

कहाँ अपनी संतुलन स्थिति से नोक का दोलन है, और सेंसर कठोरता और गुंजयमान आवृत्ति हैं, और दोलन का आयाम है। कोण कोष्ठक एक दोलन चक्र के औसत का प्रतिनिधित्व करते हैं। हालांकि, एक उपाय आवृत्ति बदलाव को एक बल में बदलना, जो एक वास्तविक प्रयोग के दौरान आवश्यक है, बहुत अधिक जटिल है। इस रूपांतरण के लिए प्रायः दो विधियों का उपयोग किया जाता है, सदर-जार्विस विधि[19] और गिएस्सिबl मैट्रिक्स विधि।[20]

रासायनिक बलों के मापन के लिए लंबी दूरी की वैन डेर वाल्स बलों के प्रभाव को फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट डेटा से घटाया जाना चाहिए। मूल रूप से यह स्पेक्ट्रम की लंबी रेंज 'पूंछ' (जब टिप सतह से दूर है) के लिए एक पावर लॉ फिट करके किया गया था और इसे शॉर्ट रेंज इंटरैक्शन (सतह के करीब टिप) पर एक्सट्रपलेशन किया गया था। हालाँकि, यह फिटिंग बहुत संवेदनशील है जहाँ लंबी और छोटी रेंज के बलों के बीच कट-ऑफ को चुना जाता है, जिससे संदिग्ध सटीकता के परिणाम मिलते हैं। प्रायः सबसे उपयुक्त तरीका दो स्पेक्ट्रोस्कोपी माप करना है, एक अध्ययन के तहत किसी भी अणु पर, और दूसरा साफ सतह के निचले हिस्से के ऊपर, फिर पहले से दूसरे को सीधे घटाना। यह विधि एक सपाट सतह पर अध्ययन की जा रही सुविधाओं पर लागू नहीं होती है क्योंकि कोई निचला खंड मौजूद नहीं हो सकता है।

ग्रिड स्पेक्ट्रोस्कोपी

ग्रिड स्पेक्ट्रोस्कोपी ऊपर वर्णित बल स्पेक्ट्रोस्कोपी का एक विस्तार है। ग्रिड स्पेक्ट्रोस्कोपी में सतह के ऊपर एक त्रि-आयामी बल मानचित्र बनाने के लिए, सतह पर एक ग्रिड में कई बल स्पेक्ट्रा लिए जाते हैं। इन प्रयोगों में काफी समय लग सकता है, अक्सर 24 घंटे से अधिक, इस प्रकार सूक्ष्मदर्शी को प्रायः तरल हीलियम से ठंडा किया जाता है या बहाव को सही करने के लिए परमाणु ट्रैकिंग विधि का उपयोग किया जाता है।[21]

पार्श्व बल माप

अध्ययन के तहत सतह पर सामान्य दोलन करते हुए एनसी-एएफएम जांच का उपयोग करके पार्श्व बल माप करना संभव है।[22] यह विधि स्पेक्ट्रोस्कोपी को बल देने के लिए एक समान विधि का उपयोग करती है सिवाय टिप को सतह के समानांतर ले जाया जाता है जबकि आवृत्ति बदलाव दर्ज किया जाता है, यह सतह के ऊपर कई ऊंचाइयों पर दोहराया जाता है, सतह से दूर आरम्भ होता है और करीब जाता है। सतह पर किसी भी परिवर्तन के बाद, उदाहरण के लिए सतह पर एक परमाणु को हिलाना, प्रयोग बंद कर दिया जाता है। यह मापा आवृत्ति बदलाव का 2डी ग्रिड छोड़ देता है। एक उपयुक्त बल स्पेक्ट्रोस्कोपी गणना का उपयोग करके प्रत्येक लंबवत आवृत्ति शिफ्ट वैक्टर को जेड-दिशा में बलों के वेक्टर में परिवर्तित किया जा सकता है, इस प्रकार परिकलित बलों का 2डी ग्रिड बनाया जा सकता है। इन बलों को क्षमता के 2डी मानचित्र का उत्पादन करने के लिए लंबवत रूप से एकीकृत किया जा सकता है। पार्श्व बलों की गणना करने के लिए क्षैतिज रूप से क्षमता को अलग करना संभव है। चूंकि यह विधि भारी गणितीय प्रसंस्करण पर निर्भर करती है, जिसमें प्रत्येक राज्य टिप की लंबवत गति मानता है, यह महत्वपूर्ण है कि सेंसर कोण नहीं है, और सेंसर की लंबाई की तुलना में टिप की लंबाई बहुत कम है।[13]सिलिकॉन कैंटिलीवर के साथ मरोड़ मोड का उपयोग करके पार्श्व बलों का प्रत्यक्ष माप संभव है [23] या सेंसर को सतह के समानांतर दोलन करने के लिए उन्मुख करके।[24] बाद की तकनीक का उपयोग करते हुए, वेमाउथ एट अल। दो सीओ अणुओं की छोटी बातचीत के साथ-साथ सीओ समाप्त टिप की पार्श्व कठोरता को मापा।[25]

सबमॉलेक्यूलर इमेजिंग

सीओ टर्मिनेटेड एएफएम टिप और सैंपल के बीच इंटरेक्शन का उदाहरण। (1) टिप लाल एडटॉम से दूर है, कोई झुकना नहीं दिखा रहा है। (2) जैसे ही टिप को एडटॉम के करीब लाया जाता है, बातचीत सीओ अणु के झुकने का कारण बनती है, जिससे प्राप्य स्थलाकृतिक छवि की गुणवत्ता प्रभावित होती है।

सबमॉलेक्यूलर संकल्प निरंतर ऊंचाई मोड में प्राप्त किया जा सकता है। इस मामले में कैंटिलीवर को छोटे, यहां तक ​​कि सब-एंगस्ट्रॉम दोलन आयामों पर संचालित करना महत्वपूर्ण है। फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट तब आयाम से स्वतंत्र होती है और शॉर्ट-रेंज बलों के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होती है,[26]संभवतः एक छोटी टिप-नमूना दूरी के भीतर परमाणु पैमाने के विपरीत उपज। क्यूप्लस सेंसर के साथ छोटे आयाम की आवश्यकता को पूरा किया जाता है। क्यूप्लस सेंसर-आधारित कैंटिलीवर नियमित सिलिकॉन कैंटिलीवर की तुलना में बहुत सख्त हैं, जो बिना अस्थिरता के नकारात्मक बल शासन में स्थिर संचालन की अनुमति देता है।[27] कठोर ब्रैकट का एक अतिरिक्त लाभ एएफएमप्रयोग करते समय एसटीएम टनलिंग करंट को मापने की संभावना है, इस प्रकार एएफएमछवियों के लिए पूरक डेटा प्रदान करता है।[28]

संकल्प को वास्तव में परमाणु पैमाने पर बढ़ाने के लिए, कैंटिलीवर टिप एपेक्स को एक प्रसिद्ध संरचना और उपयुक्त विशेषताओं के परमाणु या अणु के साथ क्रियाशील किया जा सकता है। टिप एपेक्स के अंत में एक चुने हुए कण को ​​उठाकर टिप का कार्यात्मककरण किया जाता है। सीओ अणु टिप क्रियाशीलता के लिए एक प्रमुख विकल्प के रूप में दिखाया गया है,[29] बल्कि अन्य संभावनाओं का भी अध्ययन किया गया है, जैसे Xe परमाणु। प्रतिक्रियाशील परमाणुओं और अणुओं, जैसे हलोजन ब्र और सीएल या धातुओं को इमेजिंग उद्देश्यों के लिए अच्छा प्रदर्शन नहीं करने के लिए दिखाया गया है।[30] अक्रिय टिप एपेक्स के साथ, अभी भी स्थिर स्थितियों के साथ नमूने के निकटस्थ पहुंचना संभव है, जबकि एक प्रतिक्रियाशील टिप में गलती से नमूने से एक परमाणु को स्थानांतरित करने या लेने का अधिक अवसर होता है। नमूना के करीब प्रतिकारक बल डोमेन में परमाणु विपरीतता प्राप्त की जाती है, जहां आवृत्ति बदलाव को प्रायः टिप और नमूने के बीच अतिव्यापी तरंग कार्यों के कारण पाउली प्रतिकर्षण के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है।[29][31][32] दूसरी ओर, वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन, कुल बल में केवल एक विसरित पृष्ठभूमि जोड़ता है।

पिक-अप के दौरान, सीओ अणु खुद को ऐसे उन्मुख करता है कि कार्बन परमाणु धातु जांच टिप से जुड़ जाता है।[33][34] सीओ अणु, इसकी रैखिक संरचना के कारण, स्कैनिंग के दौरान अलग-अलग बलों का अनुभव करते हुए झुक सकता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। यह झुकना कंट्रास्ट सुधार का एक प्रमुख कारण प्रतीत होता है,[29][31]हालांकि यह एक एकल ऑक्सीजन परमाणु जैसे विभिन्न टिप समाप्ति के लिए परमाणु संकल्प के लिए सामान्य आवश्यकता नहीं है, जो नगण्य झुकाव प्रदर्शित करता है।[35] इसके अतिरिक्त, सीओ अणु का झुकना छवियों में अपना योगदान जोड़ता है, जिससे उन स्थानों पर बंधन जैसी विशेषताएं हो सकती हैं जहां कोई बंधन मौजूद नहीं है।[31][36] इस प्रकार, सीओ जैसे झुकने वाले टिप अणु के साथ प्राप्त छवि के भौतिक अर्थ की व्याख्या करते समय सावधानी बरतनी चाहिए।

उल्लेखनीय परिणाम

एनसी-एएफएम एएफएम का पहला रूप था, जो गैर-प्रतिक्रियाशील और प्रतिक्रियाशील सतहों पर, कई संपर्कों पर औसत के बजाय, वास्तविक परमाणु संकल्प छवियों को प्राप्त करने के लिए था।[26] एनसी-एएफएम माइक्रोस्कोपी का पहला रूप था, जो आरम्भ में टिप परमाणुओं पर उप-परमाणु रिज़ॉल्यूशन छवियों को प्राप्त करता था [37] और बाद में तांबे पर सिंगल आयरन एडटॉम्स।[38]

एनसी-एएफएम वास्तविक अंतरिक्ष में सीधे रासायनिक बंधों की छवि बनाने वाली पहली तकनीक थी, इनसेट छवि देखें। टिप के शीर्ष पर एक एकल कार्बन मोनोआक्साइड अणु उठाकर यह संकल्प प्राप्त किया गया था। एनसी-एएफएम का उपयोग अणुओं की एक जोड़ी के बीच बल की बातचीत की जांच के लिए किया गया है।[39]

संदर्भ

  1. ↑ Sweetman, A. M.; Jarvis, S. P.; Sang, Hongqian; Lekkas, I.; Rahe, P.; Wang, Yu; Wang, Jianbo; Champness, N.R.; Kantorovich, L.; Moriarty, P. (2014). "हाइड्रोजन-बॉन्ड असेंबली के बल क्षेत्र का मानचित्रण". Nature Communications. 5: 3931. Bibcode:2014NatCo...5.3931S. doi:10.1038/ncomms4931. PMC 4050271. PMID 24875276.
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