原子間力顕微鏡 (AFM) は、1986 年に Gerd Binnig、Heinrich Rohrer、Calvin Quate が共同で発明した高解像度の走査型プローブ顕微鏡技術です。AFM は、マイクロカンチレバー上の鋭いプローブとサンプル表面の間の相互作用力を利用して、サンプルの表面形状と物理的特性を原子レベルの解像度で検出します。

AFM の動作原理

原子間力顕微鏡 (AFM) は、高感度のマイクロカンチレバーの一方の端を固定し、もう一方の端にある小さなプローブ チップがサンプル表面に優しく接触します。プローブの先端の原子とサンプル表面の原子の間には非常に弱い反発力があるため、スキャン中にこの力の一定性を制御することで、プローブ チップを備えたマイクロカンチレバーは、プローブ チップとサンプル表面の原子の間の相互作用力の等電位面に対応して、サンプル表面上で垂直に振動します。光検出法やトンネル電流検出法を用いて、各走査点に対応するマイクロカンチレバーの位置変化を測定し、サンプルの表面形状に関する情報を得ることができます。

AFM の基本構造

原子間力顕微鏡の主な構成要素には、プローブ、プローブの位置決めおよびスキャン機構、力検出セクション、フィードバック制御ユニットがあります。プローブの材質はより硬い金属である必要があり、最も一般的に使用される材質はタングステン線です。電気化学エッチングと集束イオンビームミリングを行うと、先端半径の小さいプローブが得られます。

AFM のイメージング モード

AFM には、3 つの基本的なイメージング モードがあります。

● 接触モード: プローブの先端はサンプルと柔らかく「実際に接触」します。先端がサンプル表面をゆっくりとスキャンすると、接触力によってカンチレバーが曲がり、サンプルの表面プロファイルが得られます。

● 非接触モード: 非接触モードでは、先端はサンプル表面上で振動しますが、サンプルに接触することはありません。検出器は、ファンデルワールス力や静電力などの長距離力を測定しますが、イメージング対象のサンプルに損傷を与えることはありません。

● タッピング モード: タッピング モードでは、先端はサンプル表面上で特定の周波数と振幅で振動しますが、サンプルに接触することはありません。検出器は、先端の強制振動の共振周波数と振幅の変化を感知し、サンプルの表面トポグラフィーに関する情報を取得します。

AFM の機器機能

● 高い空間分解能: AFM は原子レベルの空間分解能を提供でき、理想的な条件下では個々の原子の配置と構造を観察できます。

● 非破壊測定: AFM の測定プロセスは非破壊であるため、測定中にサンプルが変化または損傷されることはなく、壊れやすい生物サンプルやソフトマターの研究に特に重要です。

● サンプルへの幅広い適用性: AFM は、導電性および非導電性材料、固体および液体環境、室温および低温のサンプルなど、さまざまな種類のサンプルに使用できます。

● 汎用性: AFM は、地形イメージングだけでなく、機械的特性 (硬度、弾性率など) の測定や電気的特性 (導電性、局所電位など) の特性評価にも使用されます。

● 動的および静的測定: AFM は動的 (タッピング モードなど) および静的 (接触モードなど) 測定を実行できるため、さまざまな測定要件やサンプル特性に適応できます。

● 環境適応性: AFM は、高湿度、高温、低温、さまざまな化学雰囲気など、さまざまな環境条件下で動作できるため、材料科学や産業用途で非常に役立ちます。

● 簡単なサンプル準備: 複雑なサンプル準備を必要とする一部の特性評価手法と比較すると、AFM では通常、複雑なサンプル準備プロセスは必要ありません。

● 他の手法との互換性: AFM は、ラマン分光法、赤外分光法などの他の特性評価手法と組み合わせて使用することで、より包括的なサンプル情報を提供できます。

AFMの典型的な形態

表面積と体積の比率が大きい材料のAFM画像

セルラーゼのその場AFM観察