Uppsala universitet
Hoppa över länkar

Linné on line arrow Fysikens kosmos arrow Mikrokosmos arrow Cellen – ett levande mikrokosmos? arrow Svepspetsmikroskopi

Svepspetsmikroskopi

Svepspetmikroskopet är ett instrument som man kan använda för att studera mycket små detaljer och strukturer som finns på ytor av olika material. Principen är ungefär densamma som för en gramofonskivspelare. Man sveper över ytan med en mycket liten spets (radien längst ut är bara ca 0,00002 mm!), och man får en bild över ytans topografi (dvs man får en ytprofil). Det finns olika namn på mikroskopet. På Engelska kallas det ofta för Scanning Force Microscope (SFM) eller Atomic Force Microscope (AFM).

  Här är en bild av mikroskopuppställningen i Jonfysik-gruppen vid Uppsala Universitet. Mikroskopet är upphängt på fyra gummiband för att dämpa störande vibrationer. Till vänster om mikroskopet kan man se två datorskärmar; den ena visar bilderna som man får, och den andra är till för att styra för bildupptagningen.

Hur fungerar svepspetsmikroskopet?

Det finns flera olika varianter av denna typ av mikroskopi. Här beskrivs de två vanligaste varianterna, nämligen ”Contact-mode AFM” och ”Tapping-mode AFM”.

  Här är en principskiss över hur Contact-Mode AFM fungerar. Man har en mycket liten hävarm med en spets som sitter längst ut. Spetsens änd-diameter är ca 20 nm (=20 x 10-9m). En laserstråle riktas in på baksidan av hävarmen, och strålen studsar via en spegel in i en fotodetektor. Om man nu för upp provytan mot spetsen, så kommer krafter mellan spetsen och ytan att orsaka att hävarmen böjs uppåt. Detta innebär att laserstrålens läge på fotodetektorn också ändras. I fotodetektorn kan sålunda denna ändring av hävarmens läge kännas av, och en återkopplingssignal orsakar att provet dras ned. Återkopplingssignalen är till för att krafterna mellan spetsen och ytan ska hållas ungefärligen konstanta. När man börjar svepa över provet, så följer spetsen ytans konturer.

De mycket fina rörelserna i sidled och i höjdled gjörs med hjälp av s.k. piezo-elektronik. (Principen för piezo-elektronik är att man har en kristall som på ett väldefinierat sätt ändrar storlek då man lägger på en spänning.) Hela tiden under provtagningen så registreras det hur mycket provet rör sig upp och ned för att hålla krafterna konstanta mellan provet och spetsen, och man bygger upp en sorts topografisk karta (höjdkarta) över sin yta.

  ”Tapping ModeTM AFM” eller kanske rättare ”Amplitude Resonance mode AFM”, liknar contact mode AFM, men här svänger hävarmen vid sin resonansfrekvens. Man kan tänka sig det ungefär som en linjal som sitter fast i ena änden, och som man knäpper till i andra änden så att det svänger. Med hjälp av laserstrålen och detektorn kan svängningsamplituden mätas. Om provytan kommer nära eller långt ifrån spetsen medan man sveper över ytan, så ändras hävarmens svängningsamplitud något, och återkopplingssignalen gör att amplituden hålls konstant.

  Så här ser ett svepspetmikroskop ut. De kan se lite olika ut beroende på vilket företag som har tillverkat dem. Detta mikroskop kommer från Digital Instruments i USA. (Image courtecy of Digital Instruments, Santa Barbara, CA) Den översta delen kallas ibland för huvudet, och här finns laserstrålen, hävarmen med den lilla spetsen, spegeln och fotodetektorn. Nedanför huvudet finns en cylinderformad del som innehåller piezokristallen. Det är den som sveper provet under spetsen med mycket fina rörelser. Nedanför piezokristallen sitter en liten motor som driver huvudet upp eller ner, samt en del elektronik.