Pro mikroskopie založené na AFM nepostačuje zhotovit ostrý hrot, ale je nutné vytvořit také nosník, který svým ohybem bude indikovat velikost interakční síly. Po prvních pokusech se zahnutými hroty se začaly používat nosníky připravované litografickými technologiemi.
 |
Nosník v AFM slouží jako senzor působící síly. Jsou na něj kladeny požadavky vysoké rezonanční frekvence (ovlivňuje dobu měření a závažnost tepelných driftů) a malé setrvačnosti, oba lze splnit zmenšením hmotnosti. Při vlastním měření se rezonanční frekvence zvětší, protože konec nosníku už není volný. Kvalita odezvy na náhlé změny však je stále určována hmotností a tuhostí, tedy závisí na původní rez. frekvenci. Aby byl senzor dostatečně citlivý na malé síly, musí být nosník snadno ohýbatelný, tedy mít malou tuhost. Její minimální hodnota je však omezena stabilitou měření (aby se hrot „nepřilepil“ k povrchu). Protože v dotykovém režimu působí velké boční síly, musí být nosník odolný proti zkroucení, nejvhodnější se jeví tvar V a X. Vzhledem k tomu, že působící síla je v daném místě stále stejná, je stejná i výchylka konce nosníku. Aby byla úhlová výchylka co největší (některé metody detekce jsou citlivé na úhel vychýlení), je nutno mít co nejkratší nosník. Pro frekvenční techniky je důležitý vysoký činitel kvality Q, v kontaktu není tak důležitý (přiblížení povrchu silně tlumí rezonanci, takže je obtížné ji vůbec pozorovat). Hrot by vždy měl být nejnižším místem celého nosníku. Vlastnosti nosníku závisí na jeho použití, pro dotykové režimy se používají pružné, pro bezdotykové naopak tvrdé. Hrot ani nosník AFM obecně nemusí být vodivý, ale nosník musí být vhodně upraven k detekci (odrazná či vodivá strana odvrácená od vzorku). Velikost litografií vyrobeného nosníku bývá v rozmezí 100–200 μm délka, šířka 10–40 μm a tloušťka do 2 μm.
Pro velmi ploché povrchy bez požadavků na vysoké rozlišení není třeba vytvářet hrot, postačujevyrobit obdélníkový nosník, který se upevní pod úhlem ke vzorku tak, aby jeden z jeho rohů byl nejblíže a působil jako hrot. Pro vyšší rozlišení lze na tento jednoduchý nosník přilepit zaostřený kousek diamantu, který bude hrot vytvářet. Uvedené nosníky se vyrábějí na destičce Si(100), na kterou se z obou stran metodou LPCVD nanese Si3N4 nebo tepelně vytvoří vrstva SiO2, jejíž tloušťka určuje tloušťku nosníku. Pak se na obě vrstvy litograficky vytvarují obdélníky v takové poloze, aby spojnice horních a dolních hran ležely v rovinách (111). Ve vrchním obdélníku se vynechá část odpovídající tvaru nosníku a objem Si se anizotropně vyleptá. Po odřezání zbylých částí křemíku získáme nosník přesahující do volného prostoru. Vzhledem k tvaru nosníku je velmi snadné určit jeho konstantu tuhosti k výpočtem.
Pro hrubší povrchy či větší požadované rozlišení je nutno vyrobit nosník i s hrotem. V případě Si3N4 se nejprve do (100)Si vyleptá pyramidální díra (povrch se pokryje vrstvou SiO2, odkryje se čtvercové okno, anizotropně se vyleptá a odstraní se zbylý oxid), nanese se nitrid, vyžíhá se a litograficky se vytvaruje. Hrot však nyní směřuje do materiálu, musíme jej tedy přenést na jiný substrát, například skleněnou destičku. Tento proces je však velmi náročný.
 |
| Dotykový Si3N4 hrot. |
 |
| Bezdotykový Si hrot. |
Vytvořený hrot je velmi symetrický, tvarem je pyramidou s vrcholovým úhlem 70° (úhel je omezen krystalografií křemíku) a má poloměr křivosti menší než 30 nm. Obdobné postupy byly vytvořeny i pro SiO2 a Si hroty se čtyřbokým či kuželovitým tvarem, výhodou křemíkových hrotů je možnost dopování (může být vodivý). Hroty z nitridu jsou proti SiO2 mechanicky odolnější a mají dobře definovaný hladký povrch, mohou však při tlustších vzorcích vznikat problémy s pnutím. Velmi malá hmotnost takových nosníků umožňuje dosažení vysokých rez. frekvencí (100 kHz) a detekci velmi malých sil (10-8 N).
Z důvodu vysoké náročnosti předchozího postupu byly vyvinuty metody, které vytvoří Si hrot ven z materiálu. Navíc je zde výhoda, že nosník a jeho báze jsou vyrobeny z jednoho materiálu, což je dobré vzhledem k teplotním vlivům a všechny části jsou z téhož monokrystalu. K výrobě se používá kombinace izotropního a anizotropního leptání, nosník je z SiO2. Technologie je následující: vytvoří se 100 nm tlustá vrstva oxidu na Si(100), nanese se resist a vytvaruje se kruh o průměru 5 μm, který určuje základnu hrotu a provede se anizotropní leptání do objemu křemíku. Po leptání se vytvoří válcovitý „zub“ s téměř svislými stěnami. Nyní se odstraní resist a provede se izotropní leptání, které zub zaostří do hrotu s vrcholovým bodem. Vytvoří se nová vrstva oxidu, která do sebe vloučí vytvořený hrot, aniž by příliš zhoršila jeho parametry (zoxiduje se samozřejmě i vlastní hrot, vše závisí na teplotě), pak se litograficky vytvaruje do nosníku. Tyto hroty jsou osově symetrické, mají poloměry lepší než 50 nm, poměr výšky k poloměru lze měnit volbou poměru anizo/izotropního leptání. Vadí-li špatné mechanické vlastnosti oxidu, lze vytvořený hrot zahrnout do vrstvy nitridu (vrstva oxidu z povrchu se odstraní vyjma malé plošky kolem hrotu, deponuje se nitrid a vytvaruje tak, aby vytvořil nosník a zmizel z hrotu, ponechá se malé překrytí obou vrstev v okolí hrotu).
Nosníky pro speciální účely, vyžadující vysokou tvrdost, lze vyrábět přímo z diamantu, který je možno případně dotovat bórem pro dosažení vodivosti. Nosník lze vyrobit metodou CVD (rozkladem CH4 žhaveným vláknem) na nosném substrátu, který bývá ještě zdrsněn pro usnadnění nukleace v požadovaných místech. Diamantová vrstva se na základnu připevňuje přes pomocnou kovovou, která musí mít dostatečnou přilnavost k oběma materiálům.
Aktivované hroty Získané hroty lze samozřejmě ještě chemicky upravovat, buď s ohledem na snížení vlivu kapilárních sil, nebo pro tzv. funkčně citlivé zobrazování, při němž sledujeme rozložení vybraných chemicky aktivních skupin. První přístup používá hydrofobních hrotů, které se připravují nanesením organomerkaptanu na napařenou vrstvu zlata či třeba oktadecyltrichlorsilanu rozpuštěného v toluenu. Druhý způsob se používá především pro biologické vzorky a používané vrstvy zahrnují velkou třídu látek.
Speciálním případem aktivovaných hrotů mohou být hroty pro mikroskopii magnetických sil, které jsou často vytvářeny z původních AFM nosníků nanesením tenké magnetické vrstvy (Co, CoPtCr, NiFe), protože tenká vrstva zaručuje malé vlastní rozptylové pole (narozdíl od nosníků vytvářených z Ni fólií apod.). Obdobně lze AFM nosník s hrotem pokrýt vodivou vrstvou a provádět tzv. tunelující AFM k měření homogenity dielektrických vrstev.
Nanotrubičky Protože kvalita hrotu je závislá na jeho poloměru křivosti, je snaha jej co nejvíce zmenšit. Jednou z cest je použití nanotrubiček, což jsou duté válcové útvary malého poloměru a relativně velké délky. Kromě štíhlosti vynikají také malou adhezí ke vzorkům (což se projeví hladším obrazem), ohebností (spíše se ohnou než zlomí při bočním nárazu na vzorek), přesnou stavbou (různé hroty lze považovat za identické) a možnost naplnit trubičku chemicky či biologicky aktivní látkou. Trubičky se vyskytují jako jednostěnné (poloměry až 0,5 nm) či mnohostěnné, z materiálů se používají uhlík či WS2. Ostrost obrazu závisí i na zakončení trubičky, uhlíkové mají pětiúhelníkové, WS2 pak trojúhelníkové. Nanotrubičky se vyrábějí pomocí elektrických výbojů nebo CVD metodou. Ke měření se zpravidla nepoužívají samotné, ale přichycují se na otupenou část běžného AFM hrotu.
Piezorezistivní nosníky Všechny uvedené nosníky byly uzpůsobeny pro světelnou detekci ohybu. Je-li nosník vyroben z piezorezistivního materiálu, může přímo sloužit jako detektor. Jeho ohybem dojde ke změně odporu piezorezistoru, která vytváří obraz. Pro nosník obdélníkového průřezu (tloušťka d, šířka b, délka l) je relativní změna odporu po zatížení silou F rovna (ΔRt,l)/R=πt,l(6Fl)/(bd2), kde π je piezorezistivní koeficient v podélném (l) a příčném (t) směru.
Nejjednodušší konstrukce používá nosník z křemíku, který obsahuje vysoce dotované oblasti vykazující piezorezistivitu, ovšem jen do poloviny tloušťky nosníku (v opačné polovině má namáhání opačný směr a signál by se blížil nule). Změny odporu se zpravidla měří můstkovou metodou. Složitější konstrukce mohou detekovat současně laterální i vertikální ohyby.
Aktivní nosníky V některých případech není vhodné, aby nosník vystupoval jen jako pasivní člen mikroskopu. Aktivní nosníky se používají ke dvěma různým aplikacím. Jednou je buzení kmitů nosníku, protože standardní způsob rozkmitávání báze vyžaduje složitější teoretickou analýzu (přenos vibrací nosníkem), představuje větší mechanickou zátěž piezokeramiky a vytváří stejný pohyb všech nosníků při použití pole nosníků. Proto se nosníky upravují k přímému buzení za pomoci magnetického pole. Jedna z variant používá nosník z části magnetický (pokrytí vrstvou, připevnění magnetické částice) a buzení střídavým magnetickým polem, druhá používá vodivý hrot, kterým protéká proud, jímž vytvářené magnetické pole interaguje se statickým magnetem. Druhá z metod je výhodnější, protože umožňuje nezávislé řízení kmitů jednotlivých nosníků.
Druhou aplikací aktivních nosníků je obcházení mechanického omezení zpětné vazby. Při rychlém skenování totiž piezokeramika nestačí vyrovnávat polohu nosníku, čímž omezuje rychlost sběru dat. Použijeme-li nosník, který je pokryt vrstvou z piezoelektrika, můžeme část ohybu dorovnávat přivedením napětí na tuto vrstvu. Výsledný obraz pak je kombinací napětí z piezokeramiky a uvedené vrstvy. Nevýhodou metody je náročnější detekční obvod, protože stejné výchylce konce nosníku odpovídá více možných prohnutí a tedy i poloh odraženého svazku na detektoru.
 |
Konstrukční poznámky
Vyrobený nosník zpravidla zůstává připevněný na bázi, přes kterou se upevňuje do mikroskopu. Pro usnadnění manipulace se báze většinou přilepuje na další podložku, která usnadní uchopení pinzetou a připevnění k držáku. To bývá realizováno buď magneticky, nevadí-li magnetické pole, nebo zasunutím do úchytky.
Pro některé aplikace je důležitá rychlost snímání dat. Protože je omezována především parametry skeneru, obchází se pomalost použitím několika téměř identických nosníků na jedné bázi současně. Nosníky mohou být uspořádány jak v řadě, tak do dvourozměrného pole.
Někdy se na jedné bázi v jednom výrobním procesu vytváří více nosníků, které se liší svými parametry, především délkou a šířkou (snáze ovlivnitelné volbou masky). Narozdíl od předchozího bodu zde nejsou určeny k současnému skenování, ale jeden z nich se musí k měření vybrat, nejčastěji bočním sklonem nosníku.
Nosníky stejného typu z různých výrobní šarží se od sebe mohou lišit a to především v tloušťce nosníku. Jak je vidět ze vztahu pro rezonanční frekvenci, je to parametr, na kterém lineárně závisí. Proto se hodnoty rezonančních frekvencí liší až o násobky.
Pro optickou detekci je nosník potřeba ze zadní strany pokrýt odrazivou vrstvou kovu (např. Au). Vytvořená vrstva však způsobuje problém při změnách teploty, neboť má jinou tepelnou roztažnost než nosník a dochází k nežádoucímu ohybu.
Inverzní AFM Mikroskopie atomárních sil může pracovat i v tzv. inverzním režimu. V něm se nejprve vytvoří dvojrozměrné pole hrotů (na polovodičové destičce se vytvarují pyramidy) a vzorek se upevní na plochý nosník. Bude-li vše zařízeno tak, aby vzorek na nosníku během skenování interagoval vždy jen s jedním hrotem, můžeme sestavovat obraz. Výhodou inverze je možnost různě chemicky (biologicky) aktivovat jednotlivé hroty a sledovat jejich interakce se vzorkem „najednou“, nevýhodou je omezení na hmotnost a velikost vzorku. Vzorek se na nosník připevňuje přilepením epoxidem.