Kính hiển vi lực từ (MFM) là phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử được sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu và sự sống để lập bản đồ phân bố từ trường với độ phân giải không gian cao. MFM được thực hiện trong hai lần: lần đầu tiên cho bề mặt và lần thứ hai cho các gradient từ trường. Phương pháp tiếp cận hai lần này, được gọi là LiftMode™, được Bruker giới thiệu cách đây hơn 20 năm.
Ghi chú ứng dụng này xem xét những lợi ích của việc thực hiện lần quét LiftMode thứ hai trong PeakForce Tapping, dẫn đến chế độ hoạt động mới có tên là PeakForce MFM. PeakForce MFM áp dụng những lợi thế của PeakForce Tapping, bao gồm độ phân giải không gian vượt trội, độ nhạy được tăng cường và khả năng chụp ảnh các mẫu tinh tế với độ chính xác cao hơn.
Lợi ích:
- Hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản về cách thức hoạt động của MFM truyền thống
- Xem các ví dụ về dữ liệu được thu thập bằng PeakForce MFM, cho thấy độ phân giải và độ nhạy được cải thiện.
- Tìm hiểu về đầu dò AFM (PFFMM-LM) được phát triển để tối ưu hóa hình ảnh PeakForce MFM.
Giới thiệu
Kính hiển vi lực từ (MFM) là phương pháp kính hiển vi lực nguyên tử có độ nhạy cao, độ phân giải không gian cao để lập bản đồ phân bố từ trường trên bề mặt. MFM có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm khoa học vật liệu, từ tính, lưu trữ dữ liệu và thậm chí là khoa học sự sống. Ghi chú ứng dụng này tập trung vào những lợi ích của việc thay thế quét bề mặt TappingMode™ ban đầu trong MFM bằng quét PeakForce Tapping®.
MFM và PeakForce Tapping
Trong MFM, đầu dò của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) được phủ từ tính tương tác với các gradient từ trường phát ra từ mẫu, tạo ra lực trên đầu dò được phát hiện bởi thanh dầm đầu dò. Để đảm bảo rằng lực đo được chủ yếu là do tương tác từ tính, MFM thường được thực hiện theo phương pháp hai lần gọi là LiftMode™.
Quá trình LiftMode được thể hiện sơ đồ trong Hình 1a. Trong lần quét đầu tiên, AFM thường được vận hành ở TappingMode để thu được hình ảnh bề mặt của mẫu. Trong lần quét thứ hai (quét nâng), đầu dò được nâng lên độ cao không đổi so với mẫu và độ dốc lực từ được đo bằng cách quan sát biên độ và pha của thanh dầm, được điều khiển ở hoặc gần một trong các tần số cộng hưởng của nó. Trong lần quét nâng này, các tương tác van der Waals không đáng kể và đầu dò chỉ trải qua các tương tác từ (và tĩnh điện) tầm xa, cho phép tách thành phần bề mặt và từ tính vào tín hiệu, như thể hiện trong Hình 1b và c.
Chế độ PeakForce Tapping của Bruker đã thay thế TappingMode trong nhiều ứng dụng bề mặt do khả năng kiểm soát lực trực tiếp và khả năng hoạt động ở lực thấp hơn. Những ưu điểm này mang lại độ phân giải không gian cao hơn, khả năng chụp ảnh các mẫu dễ vỡ và tuổi thọ/khả năng lặp lại cực kỳ dài của đầu dò. Ngoài ra, PeakForce Tapping cho phép thu thập đồng thời dữ liệu về đặc tính cơ học định lượng cho độ bám dính, mô đun, biến dạng và tiêu tán năng lượng
Một lợi ích khác của PeakForce Tapping là tính khả dụng của các quy trình ScanAsyst® của Bruker, tự động tối ưu hóa các thông số phản hồi quan trọng, chẳng hạn như mức tăng phản hồi và điểm đặt lực, mang lại sự dễ sử dụng tối đa và hiệu suất cao như nhau, bất kể trình độ kinh nghiệm của người vận hành AFM. ScanAsyst đã được sử dụng cho tất cả các hình ảnh được trình bày trong ghi chú ứng dụng này.
Kết hợp PeakForce Tapping với MFM cũng cho phép tương quan các phép đo tính chất từ tính và cơ học, như thể hiện trong Hình 2 trên ổ đĩa cứng (HDD) 20 TB. Một số giọt ferrofluid được thêm vào đĩa, tạo ra sự khác biệt lớn về độ bám dính và từ trường. Hình ảnh 1×1 µm được hiển thị minh họa độ phân giải không gian cao, phân giải các miền <30 nm.
Những lợi ích tương tự như trên cũng được truyền tải khi kết hợp PeakForce Tapping với kính hiển vi lực thăm dò Kelvin (KPFM) và kính hiển vi trường điện (EFM). Bộ chế độ PeakForce KPFM™ của Bruker nói riêng đã được thiết lập tốt và đã được sử dụng thường xuyên trong nhiều năm.
Tối ưu hóa đầu dò cho PeakForce MFM
Một loạt các thanh dầm tương thích với chế độ PeakForce Tapping, vì hoạt động của nó không phụ thuộc vào hành vi cộng hưởng của thanh dầm. Đầu dò đóng vai trò thiết yếu trong việc định hình chất lượng phép đo MFM, khiến tính linh hoạt của đầu dò do PeakForce Tapping cung cấp trở thành một lợi thế quan trọng đối với MFM.
Các phép đo MFM dựa vào việc phát hiện các dịch chuyển pha hoặc tần số của một thanh dầm dao động trong khi quét bề mặt mẫu ở độ cao mẫu-đầu cố định (độ nâng). Độ nhạy thu được đối với các biến đổi pha hoặc tần số tỷ lệ thuận với hệ số chất lượng và tần số phát hiện của thanh dầm, và tỷ lệ nghịch với hằng số lò xo. Do đó, việc hạ thấp hằng số lò xo của thanh dầm và/hoặc tăng hệ số chất lượng và tần số cộng hưởng của nó là chìa khóa để tăng cường độ nhạy của phép đo.
Chiến lược thiết kế của các đầu dò MFM PeakForce tiên tiến (Hình 3) là tập trung vào việc giảm hằng số lò xo, thúc đẩy việc sử dụng chúng ở các chế độ lực thấp nói chung trong chế độ PeakForce Tapping. Để đạt được hằng số lò xo thấp này, độ dày và chiều rộng của thanh dầm đã được giảm và ở dạng “mái chèo” để hỗ trợ các kích thước điểm laser thông thường. Việc triển khai các thay đổi về kích thước và hình dạng này đã dẫn đến những cải tiến về độ nhạy MFM—độ nhạy pha tăng gấp ba lần và độ nhạy tần số tăng gấp mười hai lần. Độ nhạy tăng này cho phép hoạt động ở biên độ dao động thấp hơn và độ cao nâng nhỏ hơn, dẫn đến độ phân giải không gian cao hơn và thông lượng cao hơn.
MFM kết hợp với cộng hưởng xoắn
Việc thu được cả hai thành phần của gradient lực cung cấp một chiều thông tin mới, dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về lực và nguồn gradient của nó. Hình 5 cho thấy một ví dụ trong đó cả trường từ dọc và từ ngang đều được đo trong PeakForce MFM (cùng mẫu với Hình 1). Hình ảnh trường từ ngang ở 0° và 90°, thu được thông qua phép đo cộng hưởng xoắn, cho thấy ảnh hưởng theo hướng không có trong trường từ dọc. Phương pháp này cung cấp cái nhìn sâu sắc về trường từ theo cả ba chiều.
PeakForce Tapping tăng cường kính hiển vi lực từ
Việc tích hợp PeakForce Tapping với MFM thể hiện sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực hình ảnh từ độ phân giải cao. Bằng cách thay thế TappingMode truyền thống bằng PeakForce Tapping ở lần chạy đầu tiên, các nhà nghiên cứu có thể đạt được độ phân giải không gian vượt trội, độ nhạy được tăng cường và khả năng chụp ảnh các mẫu tinh tế với độ chính xác cao hơn. Các đầu dò PeakForce MFM mới (PFMFM-LM), được thiết kế với hằng số lò xo giảm và lớp phủ từ tính được tối ưu hóa, giúp tăng cường thêm độ nhạy đo và độ phân giải không gian. Ngoài ra, sự kết hợp của PeakForce Tapping MFM với các kỹ thuật cộng hưởng xoắn cung cấp sự hiểu biết toàn diện ba chiều về từ trường. Những cải tiến này cùng nhau cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để khám phá các đặc tính từ tính ở cấp độ nano.
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp dòng sản phẩm Kính hiển vi lực nguyên tử hãng Bruker.
EN