Mikroskopie atomárních sil (AFM zangl.atomic force microscopy) jemikroskopická technika, která se používá ktrojrozměrnému zobrazování povrchu. Někdy se nazývá také SFM (scanning force microscopy).
Techniku poprvé realizovali v roce 1986Gerd Binnig,Calvin Quate aChristoph Gerber.[1]
Obraz povrchu se sestavuje postupně, bod po bodu. Metoda dosahuje vysokého rozlišení. Techniku AFM lze použít ke zobrazování, k tvorbě struktur nebo ke zpracování povrchů v nanometrové oblasti.
V principu je AFM podobná metoda jakotunelová mikroskopie. K detekci však nesloužíelektrický proud, ale vzájemná meziatomová přitažlivost. Detekuje se pohyb zkoumacího hrotu při průchodu nad vzorkem. Umí zobrazovat i nevodivé vzorky.
Základem AFM je ostrý hrot, který je upevněn na ohebném nosníku (angl. cantilever; tento pojem se používá i v češtině). Hrot je mírně vtlačován do vzorku a následkem působících sil je nosník ohnutý, v souladu sHookovým zákonem. Během měření se hrot pohybuje po povrchu vzorku v pravidelném rastru (skenuje) tak, že výška druhého konce nosníku je konstantní. Je-li povrch vzorku nerovný, má nosník v různých místech vzorku různou velikost ohnutí a sledováním závislosti ohnutí na poloze na vzorku můžeme sestavit zvětšený obraz vzorku.
Pokud by však nerovnost vzorku byla příliš velká, vedl by předchozí způsob měření k poškození hrotu. Proto se častěji používá režim využívající zpětné vazby, tzv. režim „s konstantním ohnutím“, ve kterém se v každém bodě rastru porovná současná hodnota ohnutí s předem nastavenou hodnotou. Pokud se liší, nosník s hrotem se přiblíží ke vzorku nebo oddálí od vzorku o takovou vzdálenostz, aby se hodnota ohnutí shodovala s předem nastavenou hodnotou. Namísto velikosti ohnutí se pak k sestavení obrazu použijí hodnotyz. Konstantní hodnota ohnutí zároveň znamená, že na vzorek působí konstantní síla. Uvedený režim může zobrazovat i drsnější vzorky, ale je pomalejší (sběr obrázku trvá delší dobu).
Oba uvedené režimy, tzv.kontaktní, však mohou vést k poškození vzorku, protože během přesunu z jednoho bodu do druhého působí mezi hrotem a vzorkem velkétřecí síly. Proto se používá tzv.bezkontaktní režim, v němž není mezi hrotem a vzorkem přímý mechanický kontakt. Hrot a vzorek na sebe působí předevšímvan der Waalsovou silou. Protože je tato síla velmi malá, provozuje se bezkontaktní režim tak, že je nosník rozkmitáván a namísto jeho ohnutí se měří velikostamplitudy. Protože velikost amplitudy závisí na vzdálenosti mezi hrotem a vzorkem, lze sledováním změn amplitudy sestavit obraz povrchu vzorku.
Přesnost AFM je podmíněna přesností udržování polohy hrotu, přesností jeho pohybu a schopností detekce ohnutí. K pohybování hrotem se používají výhradněpiezoelektrické skenery, které jsou schopny realizovat pohyby menší než desetinananometru. Aby bylo možné udržet přesnou polohu hrotu, konstruují se mikroskopy AFM mechanicky velmi pevné a bývají umístěny na antivibračních stolech.
Detekce ohnutí nosníku se provádí nejčastěji pomocílaseru. Laserový svazek zlaserové diody se nechá dopadat na nosník, od něho se odráží podle zákona odrazu a dopadá nafotodetektor. Změní-li se ohnutí nosníku, změní se i úhel dopadu svazku na nosník, a proto svazek dopadne do jiného místa fotodetektoru. Bude-li fotodetektor citlivý na místo dopadu svazku, může se z jeho výstupu určit ohnutí nosníku.
AFM může zobrazovat pouze povrch vzorků, nikoliv jejich objemovou strukturu (vzorek vyžadujefixaci, nemůže např. plavat v roztoku). Ve srovnání s optickou mikroskopií však dosahuje značně většího rozlišení, které je srovnatelné s rozlišenímelektronové mikroskopie. AFM však poskytuje trojrozměrný obraz, kdežto elektronová mikroskopie dvourozměrnou projekci.
AFM zpravidla nevyžaduje, aby se vzorek speciálně připravoval (např. pokovením), ani nevyžaduje vysokévakuum. AFM může dokonce pracovat v kapalném prostředí, což je výhodné především při studiu biologických vzorků, které mohou být při zobrazování ve svém fyziologickém prostředí a lze v některých případech sledovat jejich funkci nebo reakci na změnu prostředí (změnapH,teploty, chemického složení).
Nevýhodou AFM je velmi omezený rozsah velikosti obrázku a pomalost snímání. Maximální velikost obrazu bývá stovky mikrometrů a sestavení jednoho obrazu trvá minuty. Dále je v AFM omezen i vertikální rozsah (maximální výška vzorku), který bývá typicky desítky mikrometrů. Problémy způsobuje také blízkost hrotu a vzorku (silná interakce, možnost zachycení hrotu, znečištění hrotu, poškození vzorku) a nenulová šířka hrotu, která vede k deformaci obrazu.
Obrázky, zvuky či videa k tématumikroskopie atomárních sil na Wikimedia Commons