Visualizing Solution Structure at Solid-Liquid Interfaces using Three-Dimensional Fast Force Mapping(3차원 고속 힘 매핑을 사용한 고체-액체 인터페이스에서의 솔루션 구조 시각화)

여기에서는 계면 영역 내의 팁-샘플 상호 작용을 매핑하여 나노미터 미만의 분해능으로 고체-액체 계면에서 용액 구조를 시각화하기 위해 원자력 현미경 기술인 3차원 고속 힘 매핑을 사용하는 프로토콜을 제시합니다.

다양한 연구 분야의 과제 중 하나는 고체-액체 계면의 시각화와 이온 농도, pH, 리간드 및 미량 첨가제와 같은 용액 조건과 기본 결정학 및 화학에 의해 어떻게 영향을 받는지 이해하는 것입니다. 이러한 맥락에서 3D FFM(3차원 고속 힘 매핑)은 인터페이스에서 솔루션 구조를 조사하기 위한 유망한 도구로 부상했습니다. 이 기능은 원자력 현미경(AFM)을 기반으로 하며 나노미터 미만의 해상도로 3차원 계면 영역을 직접 시각화할 수 있습니다. 여기에서는 3D FFM 데이터를 획득하기 위한 실험 프로토콜에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 샘플과 Application에 따라 작동 매개변수를 최적화하기 위한 주요 고려 사항에 대해 설명합니다. 또한 측정된 기기 관측 가능 항목을 로컬 솔루션 구조에 연결할 수 있는 팁-샘플 힘 맵으로 변환하는 것을 포함하여 데이터 처리 및 분석을 위한 기본 방법에 대해 설명합니다. 마지막으로, 3D FFM 데이터 해석과 관련된 몇 가지 뛰어난 질문과 이 기술이 표면 과학 레퍼토리의 핵심 도구가 될 수 있는 방법에 대해 조명합니다.

많은 흥미로운 현상이 고체-액체 계면의 몇 나노미터 내에서 발생하며, 콜로이드 상호 작용에 대한 고전 이론은¹. 용매 분자와 이온은 예상치 못한 패턴²과 촉매³, 이온 흡착 ^4,5, 전자 전달 ^6,7, 생체^{분자 조립8}, 입자 응집^{9, 첨부 10,11}, 조립^12,13과 같은 다양한 과정으로 조직됩니다가 발생할 수 있습니다. 그러나 특히 나노미터 미만의 3D 해상도로 계면에서 용액 구조를 특성화할 수 있는 기술은 거의 없습니다. 이러한 맥락에서, 원자력 현미경(AFM)을 기반으로 하는 기술인 3D FFM(3D Fast Force Mapping)은 계면 용액 구조^14,15를 결정하고 이러한 현상에 미치는 영향을 이해하는 데 유용한 도구로 부상했습니다.

일반적으로 AFM 기술은 나노 크기의 팁이 있는 캔틸레버를 사용하여 두 가지 주요 측정 클래스, 즉 모든 xy 픽셀에서 기판의 높이를 측정하는 토폴로지 이미징 또는 기계적 특성, 콜로이드 상호 작용^16,17 또는 기능화된 팁과 기판 사이의 접착력을 정량화하는 힘 측정을 사용하여 표면을 특성화합니다. 오늘날 이 다재다능한 기기의 기능은 이러한 기존 응용 분야를 훨씬 뛰어넘습니다. 최신 기기를 작동하는 숙련된 사용자는 Force Microscopy를 분광학 및 기타 방법에 결합하여 전기, 자기 및 화학적 표면 특성을 측정할 수 있습니다¹⁸. 아마도 가장 흥미로운 발전은 나노 단위의 공간 해상도로 기본 솔루션에서 재료와 프로세스를 실시간으로 이미지화하는 기능일 것입니다 19,20,21. 이 후자의 기능은 3D FFM의 개발을 촉진했으며, 이는 1D 힘 곡선과 지형 이미징¹⁴을 결합하여 AFM 측정을 3차 공간 차원으로 확장합니다. 특히, 팁은 각 xy 좌표에서 연속적인 힘 곡선을 획득하여 고체-액체 계면에서 팁이 감지한 힘의 3D 맵을 생성합니다. 여기서 참신한 점은 충분히 빠르고 민감한 팁이 계면 용액 구조를 매핑하기 위해 분자의 국소 분포에 해당하는 작은 힘 구배를 감지할 수 있다는 것입니다.

현재까지 3D FFM은 소수의 연구 그룹에 의해 개발되었으며, 이는 기술적 한계 때문이 아니라 이러한 측정을 수행하기 위해 사내에서 기기를 맞춤화해야 했기 때문이라고 생각합니다. 그러나 3D FFM은 최근에 상용화되어 이제 모든 관련 분야의 연구자가 액세스할 수 있습니다. 과학적인 관점에서 볼 때 이 기술은 광범위하고 다학제적인 호소력을 가지고 있습니다. 예를 들어, 첫 번째 3D FFM 실험은 광물 용액 시스템 ^15,22,23,24에서 수행되었으며, 여기서 중요한 질문에는 결정 성장 및 용해 메커니즘에 대한 이해, 이온 및 분자의 흡착, 입자 응집 및 부착에서 수화층의 역할이 포함되었습니다. 성공적인 실험을 통해 백운석 결정 격자²⁵에서 칼슘 및 마그네슘 원자를 식별하고, 방해석 점 결함²⁶ 주위의 용액 구조를 시각화하고, 운모^27,28 및 형석 ^24,29 표면에서 이미징 된 이온 흡착을 확인했습니다.

3D FFM은 광물 용액 계면을 시각화하는 것 외에도 단거리 콜로이드 상호 작용의 확장, 분자 수준에서 전기 이중층의 구조, 용매력의 특성 및 기원과 같은 표면 및 콜로이드 물리학의 근본적인 질문에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 3D FFM은 전극-전해질 계면을 매핑하고 전기장에 대한 반응을 조사할 수 있기 때문에 이러한 측정은 전기화학 및 배터리 연구에 중요한 의미를 갖습니다³. 재료 과학의 다른 응용 분야에는 분리막, 이종 촉매 및 고분자 코팅의 표면에서 발생하는 현상을 이해하는 것이 포함됩니다. 이 기능이 더욱 발전함에 따라 생체 분자를 이미징하고 자체 조립에서 상호 작용, 이온 및 용매 분자의 역할을 설명하는 데에도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

3D FFM에서 데이터 해석을 발전시키기 위한 주요 측면 중 하나는 이전에 고체-액체 계면을 연구하는 데 사용되었던 다른 실험 및 시뮬레이션 도구에 대한 벤치마킹입니다. 예를 들어, X선 반사율 또는 회절을 기반으로 하는 기술은 계면^30,31,32,33에서 높이 함수로 이온 및 용매 분자의 분포에 매핑할 수 있는 전자 밀도 프로파일을 측정합니다. 이 접근 방식은 다양한 광물 용액 시스템에서 성공적이었지만 원자적으로 매끄러운 표면으로 제한되어 있으며 측면으로 분해된 데이터를 생성할 수 없는 경우가 많습니다. 합계 주파수 생성 분광법(sum frequency generation spectroscopy)과 같은 다른 기술은 표면에서 용매 분자의 방향과 같은 광물 표면에서 용매 구조화의 특정 측면에 대한 증거를 제공하지만 구조^34,35의 직접적인 시각화는 제공하지 않습니다. 또한 분자 역학 시뮬레이션은 크게 발전했으며 이제 결정 표면에서 용매 분포 프로파일을 일상적으로 프로브할 수 있습니다 ^{4,36,37,38,39}. 이러한 각 기술에는 고유한 과제와 한계가 있지만 계면 솔루션 구조를 조사하기 위한 보완적인 도구 모음을 형성합니다. 3D FFM은 이와 관련하여 크게 기여하고 연구할 수 있는 고체-액체 시스템의 범위와 답변할 수 있는 연구 질문을 확장할 준비가 되어 있습니다.

특정 샘플에서 3D FFM을 구현하기 위한 전제 조건은 원하는 공간 해상도로 지형 이미지를 얻을 수 있는 능력입니다. 고해상도 AFM 이미징에 대한 자세한 실험 프로토콜은 Miller et ^al.20의 최근 원고를 참조합니다. 3D FFM의 최적 작동을 위해서는 먼저 여기에 설명된 고해상도 이미징 기술을 마스터하는 것이 좋습니다. 해당 프로토콜의 대부분의 권장 사항은 3D FFM에 적용할 수 있으며 필요합니다. 다음 프로토콜에서는 고해상도 이미징을 위한 주요 단계를 간략하게 강조하지만 3D FFM에 대한 특정 고려 사항에 중점을 둡니다.

1. AFM 팁 로딩 및 캘리브레이션

1. 캔틸레버 팁을 물과 이소프로판올 용제에 몇 분 동안 연속적으로 담가 청소하여 오염 물질과 유기 흡착물을 제거합니다. 다른 일반적인 세척 방법에는 아르곤 플라즈마 또는 자외선 오존 표면 처리가 있습니다.
   참고: 서로 다른 데이터 세트를 비교할 때 샘플과 캔틸레버 준비에서 일관성을 유지하십시오. 세척 공정의 변화는 표면 화학, 친수성 또는 심지어 형상과 같은 팁 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 측정된 힘(⁴⁰)에 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 캔틸레버 홀더도 물과 이소프로판올 솔벤트로 청소하십시오.
3. 홀더 cl을 사용하여 캔틸레버를 홀더에 로드합니다.amp 또는 나사, 사용 중인 AFM 기기에 일반적으로 사용됩니다. 캔틸레버 홀더를 AFM에 연결합니다.
4. AFM 소프트웨어를 사용하여 응답 신호를 최대화하도록 팁의 레이저 스폿을 정렬한 다음 편향 신호를 0으로 만듭니다.
5. 공기 중에서 캔틸레버 스프링 상수를 측정합니다. 이 단계는 캔틸레버의 열 변동을 기록하고 첫 번째 공진 피크를 제조업체의 프로토콜에 따라 수행되는 간단한 고조파 발진기 모델에 피팅하여 대부분의 최신 현미경에서 자동화됩니다.
   참고: 스프링 상수 측정은 일부 AFM 응용 분야에서 종종 간과되지만 3D FFM 데이터의 올바른 해석, 특히 이후 섹션에서 설명하는 것처럼 기기 관찰 가능 항목의 데이터를 측정된 힘으로 변환하는 데 중요합니다.

2. 기판 및 용액 적재

1. AFM 스테이지에서 캔틸레버 홀더를 분리 및 제거하고 이미징 용액 ~60μL를 캔틸레버 팁에 추가합니다. 팁이 용액에 완전히 잠겼는지 확인하십시오. 이 과정에서 기포가 생성되지 않도록 주의하십시오.
   참고: 이미징 솔루션은 과학적 조사와 관련된 모든 것이 될 수 있습니다. 테스트 솔루션으로 [KCl] = 10mM 또는 순수를 사용합니다.
2. 매끄럽고 깨끗한 표면을 얻기 위해 측정 직전에 샘플(예: 운모)을 절단합니다. 이미징 용액으로 샘플을 헹군 다음 동일한 이미징 용액 ~100μL를 샘플 표면에 추가합니다.
   1. 청소된 기질을 샘플 스테이지에 놓습니다. 기판 크기는 실험에 따라 다릅니다. 그것은 1 x 1cm² 웨이퍼만큼 클 수도 있고 표면에 증착된 나노 입자만큼 작을 수도 있습니다.
      참고: 다른 AFM 측정과 마찬가지로, 인터페이스는 유기물 및 기타 잔류물에 의한 오염에 특히 민감하기 때문에 깨끗한 표면을 갖는 것이 신뢰할 수 있는 3D 데이터를 얻는 데 매우 중요합니다²⁷.
3. 다시 돌아가 캔틸레버 홀더를 s의 제자리에 고정합니다.tage. 용액이 팁에 떨어질 때까지 캔틸레버 위치를 조심스럽게 내리십시오.ample가 접촉합니다. 샘플 스테이지는 기기 소프트웨어 또는 기기 본체의 물리적 노브에 의해 제어됩니다.
4. 샘플 표면이 화학적으로 평형을 이루고 약 10분 동안 이미징 용액과 이온을 교환하도록 합니다.
   1. 선택 단계로, 캔틸레버 팁을 제거하고, 이미징 용액을 새 부분 표본으로 교체하고, 캔틸레버 홀더를 다시 넣고, 팁이 용액에 다시 담길 때까지 샘플에 접근합니다.

3. 진폭 변조 AFM 측정을 위한 기기 파라미터 설정

1. 팁이 용액에 잠겨 있는 동안 다른 온도 그래프를 획득합니다. 이 시점에서 스프링 상수가 1.5단계에서 계산된 값으로 고정되어 있는지 확인하고, 기기 매개변수(예: AmpInVOLS 매개변수)를 사용하여 열 피크를 맞춥니다. 다시 말하지만, 이 단계는 기기 소프트웨어의 열 그래프 섹션 아래에서 몇 번의 클릭만으로 대부분의 최신 현미경에서 자동화됩니다.
   참고: 이 매개변수는 기기에서 감지한 전자 신호의 변환을 나노미터 단위의 팁 샘플 거리로 보정하여 실험자가 팁 위치 및 편향에 대한 신뢰할 수 있는 데이터를 얻을 수 있도록 합니다.
2. 공진 주파수(ν_e)에서 구동 주파수(ν_exc)를 설정하고 공진 주파수에 가까운 90°에서 위상 편이를 중앙에 배치하여 캔틸레버 팁을 조정합니다. 이는 사용자가 진폭 변조 모드에서 기기를 작동할 때 제조업체의 프로토콜을 사용하여 제어할 수 있는 기기 매개변수입니다.
   알림: 일부 AFM 기기는 공진 주파수가 3.1단계에서 얻은 값과 동일한 값인 광열 여기를 사용합니다. 이 팁 여기 방법은 매우 낮은 구동 진폭에서도 안정적인 이미징 조건을 허용하기 때문에 3D 힘 매핑에 매우 유리합니다.
3. 샘플 표면의 대략적인 높이를 찾고 팁이 표면과 맞물릴 때까지 팁에 조심스럽게 접근합니다. 기기 소프트웨어에서 Set Point 매개변수를 사용하여 설정값 진폭을 자유 진폭의 약 ~70%로 변경하여 이 작업을 수행합니다. 팁이 표면에 접근함에 따라 설정값 값에 도달할 때까지 진폭이 떨어지고 따라서 표면에서 맞물리는 것으로 결정됩니다.
4. 표면에서 ~200nm 거리에서 시작하는 단일 힘 곡선을 얻습니다. 일반적으로 이 작업은 기기 소프트웨어의 Force 패널에서 수행됩니다. 팁을 빼기 전에 3.2단계와 같이 위상 이동을 90°로 다시 조정하고 중앙에 배치하십시오. 공진 주파수는 팁-표면 상호 작용으로 인해 약간 감소합니다.
   참고: 이 단계는 후속 3D FFM 측정 중에 후퇴 팁 위치에서 위상 변이가 약 90도가 되도록 합니다.
5. 설정된 진폭을 자유 진폭의 ~70%로 변경합니다. 매우 낮은 설정값(크고 가해진 힘)을 사용하면 팁이 조기에 손상될 수 있으므로 사용하지 마십시오.
6. 지형 이미지를 획득합니다. 운모와 같은 매끄러운 표면의 경우 ~20 x 20 nm² 이미지로 시작합니다. 거친 표면의 경우 원자적으로 매끄러운 20 x 20 nm² 영역을 이미징하기 전에 더 넓은 영역을 이미징하는 것으로 시작합니다. 획득한 이미지를 주의 깊게 검사합니다. 이 시점에서, 2D 이미징 해상도는 최소한 원하는 3D 포스 매핑 해상도와 동일해야 합니다.
   알림: 팁으로 인한 손상을 최소화하기 위해 주의해야 합니다. 예를 들어, 크고 거친 영역을 이미징할 때 필요한 것보다 더 많은 이미지를 촬영하지 말고 완만한 설정점, 큰 이미징 게인 및 낮은 스캔 속도를 사용하십시오.
7. 기기 소프트웨어를 사용하여 드라이브 진폭 을 약 0.25nm로 줄이되 가능한 경우 더 낮춥니다. 그에 따라 설정점을 항상 드라이브 진폭보다 작게 줄이고 테스트 이미지를 획득 합니다. 팁과 이미징 조건을 적절하게 선택하면 구동 진폭을 ~0.1nm로 줄일 수 있습니다. 그러나 거친 표면 지형에서 이렇게 작은 진폭으로 이미징하면 팁이 손상될 수 있으므로 매우 주의하십시오.
   참고: 더 나은 수직 해상도를 위해서는 드라이브 진폭이 해결하려는 솔루션 기능보다 작아야 합니다. 현실적으로 도달할 수 있는 가장 작은 자유 진폭은 캔틸레버 및 기기 설정과 관련된 열 잡음에 의해 제한됩니다. 신호 대 잡음비를 정성적으로 평가하는 동시에 기준선 잡음과 비교하여 피크 진폭을 분석하여 캔틸레버를 조정할 수 있습니다.
8. 200nm의 팁-샘플 거리에서 시작하는 단일 하중 곡선을 획득합니다. 그런 다음 힘 곡선에 대한 팁-샘플 거리를 50nm, 10nm, 마지막으로 5nm로 줄입니다.
   참고: 후퇴된 팁 위치의 진폭이 가능한 한 낮은지(< 0.25nm) 측정 조건을 최적화합니다. 후퇴 된 팁 위치의 위상 변이는 ~ 90 °입니다. 여기 주파수(ν_exc)는 공진 주파수(ν_e)와 같거나 매우 가까우며, 이는 이후 단계에서 측정된 힘에 대한 기기 관찰 가능 항목의 변환을 단순화합니다. 그리고 설정값은 위상 편이(및 진폭)가 힘 측정의 마지막 몇 나노미터 내에서 현저히(~40-50%) 떨어질 만큼 충분히 낮습니다. 적용된 힘을 더 증가시킬 수 있습니다(설정값 감소). 단점은 이 과정에서 팁이 더 빨리 손상된다는 것입니다.
9. 포스 커브 획득이 중지된 후 팁을 빼내십시오. 팁이 맞물린 상태로 표면에 가까이 있으면 표면으로 표류하여 충돌할 수 있습니다.
   참고: 그림 1 은 [NaCl] = 10mM 용액에서 획득한 백운모-물 시스템, 특히 위상(φ), 진폭(A) 및 편향(δ) 응답에 대한 1D 힘 곡선을 표시합니다. 이 단계에서 이러한 프로파일은 3D 맵에서 목표로 하고 위상 곡선에서 대부분 명백한 진동 기능으로 나타나는 기능의 증거를 보여주어야 합니다. 이 원시 데이터의 높이 좌표는 임의적입니다. 데이터 처리 및 분석에 대한 자세한 내용은 이후 섹션에서 제공됩니다.

4. 3D 포스 맵 획득

참고: 3D FFM 측정을 위한 최적의 매개변수를 찾는 것은 샘플 표면, 캔틸레버 팁 및 이미징 솔루션에 따라 달라집니다. 일반적인 지침이 시작점으로 제공되지만 각 샘플에 대한 적절한 매개변수를 위해서는 다양한 측정 조건으로 데이터 세트를 얻고 분석해야 합니다. 다음 단계에서는 미네랄 워터 시스템에 대한 3D 포스 맵을 획득하는 방법을 보여줍니다. 4.2단계에서 설명한 모든 매개변수는 기기 소프트웨어를 사용하여 설정됩니다.

1. 섹션 2 및 3에 설명된 대로 모든 단계를 수행합니다.
2. 팁-샘플 거리(z)를 2-5nm로 설정합니다. 이 거리는 팁이 표면에 가깝기 때문에 계면 솔루션 기능을 해결하기에 충분하며 팁이 가장 먼 위치로 후퇴할 때 벌크 솔루션과 평형을 이룰 수 있습니다.4.3.
3. 스캔 영역을 3 x 3 nm² 또는 10 x 10 nm²로 설정하고 해상도는 64 x 64 픽셀² -128 x 128 픽셀²입니다.
   참고: 생체 분자 이미징과 같은 다른 응용 분야에서는 세 가지 공간 차원 모두에서 더 큰 스캔 크기가 필요할 수 있습니다.
4. Force Curve Acquisition 속도를 200-800Hz로 설정하며, 이는 3D 데이터셋당 15-120초에 해당합니다. 이상적으로는 이 수치를 최대한 줄여 팁의 이미지 왜곡과 열 드리프트를 최소화하는 동시에 z 방향에서 적절한 해상도를 유지하는 것이 좋습니다. 이러한 스캔 속도 및 치수의 경우 데이터를 처리한 후 z 방향으로 50-100pix/nm를 얻을 수 있으며, 이는 일반적으로 계면 용액 구조를 해결하기에 충분합니다.
5. 시작점으로, 위상 변이가 각 힘 곡선에서 일상적으로 ~50-60°로 떨어지도록 설정점(Set Point )의 값을 선택합니다. 설정점은 자유 진폭의 50%만큼 낮게 정의할 수 있습니다. 그러나 이는 특히 측정하는 샘플의 유형에 따라 다르며 시행착오가 필요합니다. 예를 들어, 낮은 설정점(고압)을 사용하면 팁이 손상되거나 부드러운 분자의 경우 표면이 변형될 수 있습니다. 반면에, 높은 설정점(낮은 압력)은 수화층을 관통하고 조사하기에 충분하지 않을 수 있습니다.
6. 소프트웨어가 진폭 변조 AFM 데이터를 분석하는 데 필요한 4가지 주요 관측 가능 항목(팁 높이, 진폭, 위상 및 편향)을 기록하고 있는지 확인합니다. 기기 및 소프트웨어에 따라 팁 높이를 추적하기 위해 여러 데이터 채널이 존재할 수 있습니다. 3D FFM은 매우 높은 해상도를 필요로 하기 때문에 기기에서 가장 적은 오버로인 전자 노이즈와 함께 가장 부드러운 팁 높이 프로파일을 사용하는 것이 중요합니다. 이러한 주요 변수를 기록하는 것 외에도 이후 섹션에서 설명하는 것처럼 팁에 가해지는 힘(일반적으로 기본적으로 데이터 파일에 저장됨)을 분석하고 재구성하기 위해 다른 작동 매개변수 및 메타데이터가 필요합니다.
   참고: 3D FFM은 진폭 변조 및 주파수 변조 AFM 모드 모두에서 시연되었습니다. 데이터 품질 및 분석과 관련하여 두 방법은 동일합니다. 따라서 선호되는 작동 모드는 실험자의 재량과 경험에 맡겨집니다. 진폭 변조 모드의 한 가지 가능한 이점은 사용자가 솔루션으로 >10nm 확장되는 3D 데이터를 얻을 수 있도록 더 큰 z 거리에서 팁의 안정성입니다. 이에 비해 이 모드의 한 가지 단점은 캔틸레버 운동보다 느린 이완 시간 척도로 부드러운 분자를 이미징하는 것과 관련이 있습니다. 후자의 응용 프로그램은 FFM이 부드러운 재료와 점성이 있는 액체에서 계면 이완을 조사할 수 있는 기회를 제공합니다. 이러한 경우, 측정된 진폭 프로파일은 접근 및 후퇴 주기에서 히스테리시스를 나타낼 수 있으며, 이는 실제 팁 높이에 대한 불확실성을 생성합니다.

5. 3D 힘 맵 데이터 처리

참고: 다음 단계는 사내에서 생성된 코드를 사용하거나 지원 정보에 제공된 데이터 처리 파일을 사용하여 선호하는 데이터 분석 소프트웨어에서 수행할 수 있습니다.

1. 계산 및 시각화를 위해 선호되는 분석 소프트웨어에 원시 데이터를 로드합니다.
   참고: 해석에 필요한 관찰 가능 항목은 높이 변위(z)의 함수인 진폭(A), 위상 편이(φ) 및 팁 편향(δ)과 공진 주파수(ν_e), 스프링 상수(k) 및 품질 계수(Q)와 같은 팁 속성입니다. 다른 작동 매개변수에는 스캔 치수, 스캔 속도, 팁 여기 주파수(ν_exc) 및 구동 진폭(A₀)이 포함됩니다. 후자의 값은 일반적으로 전압 단위로 기록되지만 3.1단계에서 얻은 교정 값을 기반으로 나노미터로 쉽게 변환할 수 있습니다.
2. 각 xy 좌표에서 팁의 가장 먼 높이 변위를 기록하여 3D 데이터셋에서 동등한 지형 이미지를 추출합니다. 이 데이터를 사용하여 x 및 y 스캔 방향 모두에서 평균 높이 프로파일에 직선을 피팅하여 샘플 기울기를 계산합니다. 표면이 운모와 같이 원자적으로 매끄럽더라도 몇 도의 샘플 기울기가 예상되며 데이터 분석 전에 해당 높이 기울기를 고려해야 합니다.
   참고: 대부분의 최신 기기에서 이 단계는 일반 지형 이미징을 위해 자동화되지만 3D FFM 데이터의 경우 수동으로 수행해야 합니다. 분명히, 이 방법은 사용자가 여러 단계 모서리가 있는 결정과 같은 더 복잡한 표면을 측정하는 경우 약간 조정해야 합니다.
3. 높이 변위 프로파일을 선형화합니다. 3D FFM의 팁은 모든 접근 방식과 후퇴 주기에서 유사한 정현파 궤적을 따른다는 점을 기억하십시오. 그러나 팁의 가장 먼 범위는 그것이 착륙하는 결정학적 위치에 따라 다르며, 기록된 팁 높이는 분명히 마지막 유효 수치와 동일하지 않습니다. 따라서 모든 팁 궤적에서 측정된 높이 값은 모든 힘 곡선에 대한 단일 선형 z 프로파일을 얻기 위해 불연속화됩니다.
   참고: 빈 크기는 측정 매개변수와 관심 피쳐의 길이 스케일에 따라 다릅니다. 대부분의 응용 분야에서 0.2 Å는 충분한 높이 분해능입니다. 이 값은 물 분자의 크기보다 10배 이상 작습니다. 더 작은 빈 크기를 사용하는 것은 이점을 제공하지 않으며 실제로 기기의 기계적 및 전자적 노이즈 내에 있습니다.
4. 각 개별 하중 곡선에 대한 높이 구간에 해당하는 평균 관찰 가능 값을 계산합니다. 이 방법은 모든 방향으로 쉽게 슬라이스하고 시각화할 수 있는 위상/진폭 데이터의 3D 볼륨을 생성합니다.
   참고: 원칙적으로 팁 접근 방식과 후퇴의 힘 프로파일은 유사해야 합니다. 특정 샘플에 따라 둘 중 하나 또는 둘 다의 데이터를 사용하는 것이 더 적절한지 여부를 테스트할 수 있습니다. 특히, 생체 분자 및 더 부드러운 더 큰 분자는 접근/수축 주기에서 히스테리시스 효과를 나타낼 수 있습니다. 이 경우, 사용자는 상기에서 설명한 바와 같이 이미징 조건을 수정하는 것이 좋습니다.
5. 팁 편향을 고려하여 높이 프로파일을 조정합니다. 이 단계는 선택 사항이며 사용자의 재량에 따라 다릅니다. 예를 들어, 스프링 상수(>200N/m)가 큰 캔틸레버를 사용하는 경우 묽은 염 용액의 팁 처짐은 일반적으로 <0.08Å 미만이며, 이는 데이터에 큰 영향을 미치지 않습니다.
   참고: 특정 샘플을 기반으로 사용자는 1) 매우 뻣뻣한 캔틸레버의 효과가 무시할 수 있는지 다시 확인한 후 팁 편향을 무시하거나, 2) 전체 데이터 세트에서 평균화된 편향 프로파일을 사용하여 팁 높이를 수정하거나, 3) 해당 힘 곡선의 해당 팁 편향 데이터를 사용하여 각 개별 힘 곡선의 팁 높이를 수정할 수 있습니다. 후자의 옵션은 직관적으로 가장 "올바른" 옵션이므로 가능한 경우 실행해야 하지만, 이 접근 방식은 종종 이 수정의 장점보다 더 큰 데이터에 더 많은 노이즈를 도입합니다.
6. 3D 중앙값 필터를 사용하여 데이터 세트를 매끄럽게 합니다. 대부분의 경우 이 선택적 단계는 해상도를 손상시키지 않고 노이즈를 줄입니다. 이후 분석 단계에서 일관성 검사를 위해 필터링되지 않은 데이터의 버전을 유지하는 것도 유용합니다. 또한 사용자는 대부분의 데이터 처리 소프트웨어에서 쉽게 사용할 수 있는 주성분 분석 기반 방법과 같은 고급 필터링 방법을 탐색할 수 있습니다.
7. 처리된 결과와 유용한 메타데이터(AFM 관측 가능 물체를 팁 샘플 힘으로 변환하는 데 중요한 측정 매개변수)를 후속 분석에 사용할 수 있는 데이터 파일에 저장합니다.
   참고: 지원 정보에 제공된 세 개의 데이터 처리 파일을 사용하여 이 섹션에 나열된 기능을 수행할 수 있습니다. 첫 번째 파일은 원시 3D FFM 데이터를 로드하고 관련 데이터 및 메타데이터를 포함하는 hdf5 파일을 만듭니다. 이것은 단순히 처리를 위해 더 쉽게 액세스할 수 있는 보다 사용자 친화적인 파일로 데이터를 전송하는 것입니다. 두 번째 파일은 위에서 설명한 단계에 따라 등가 높이 이미지를 추출하고, 높이 변위 프로파일을 선형화하고, 데이터 값을 해당 높이 빈으로 정렬하고, 필터를 사용하여 데이터 세트를 평활화하고, 처리된 결과를 출력 데이터 파일에 저장하여 원시 데이터를 처리합니다. 또한 사용자는 일부 기능을 활성화하여 힘 곡선(원시 및 가공), xz/xy 슬라이스 및 기판 기울기 보정의 예를 플롯하고 기타 후처리 일관성 검사를 수행할 수 있습니다. 이러한 데이터 처리 스크립트는 사용자 친화적이며 주석이 달려 있어 사용자가 파라미터를 조정하고 원시 기기 파일에서 데이터를 추출할 수 있는 정확한 단계를 보여줍니다.

그림 2A 는 3D 힘 매핑의 개략도를 나타냅니다. 진폭 변조 모드에서 작동하는 다른 AFM 기술과 유사하게, 진동 캔틸레버가 표면을 가로질러 스캔됩니다. 각 좌표의 팁 높이 외에도 위상 변이 및 진폭과 같은 기기 관찰 가능 항목은 팁이 표면에 접근하고 표면에서 후퇴할 때 수집됩니다. 그 결과 관측 가능 항목(특히 진동 진폭, 위상 변이 및 팁 편향)의 3...

AFM 팁 선택
모든 AFM 응용 분야와 마찬가지로 프로브 팁의 주요 특성은 공진 주파수, 캔틸레버 크기, 팁 반경, 팁 재질 및 스프링 상수입니다. 현재까지 거의 모든 3D FFM 문헌에서 뻣뻣한 고주파 팁의 사용을 보고했습니다. 가장 일반적인 예로는 이들의 고공진 모드(¹⁴)에서 활용될 수 있는 실리콘 기반 팁(예: AC55TS, PPP-NCH, Tap300-G 등) 팁이 있다...

저자는 경쟁하는 재정적 이해관계나 기타 이해상충이 없음을 선언합니다.

유익한 토론을 해주신 Marta Kocun 박사(망명 연구), Takeshi Fukuma 박사(가나자와), Ricardo Garcia 박사(CSIC 마드리드), Angelika Kühnle 박사(빌레펠트), Ralf Bechstein 박사(빌레펠트), Sebastien Seibert(빌레펠트), Hiroshi Onishi 박사(고베)에게 감사드립니다.

3D FFM 실험 프로토콜의 개발은 미국 에너지부(DOE), 과학실(SC), 기초 에너지 과학국(BES)의 자금 지원을 받는 에너지 프론티어 연구 센터인 IDREAM(Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials)의 일환으로 지원되었습니다. 3D FFM 데이터 분석 코드의 개발은 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)의 LDRD(Laboratory Directed Research and Development Program)의 지원을 받았으며, E.N.은 Linus Pauling Distinguished Postdoctoral Fellowship 프로그램을 통해 지원을 받았습니다. 3D FFM 측정 기능의 개발은 BES 재료 과학 및 엔지니어링, 합성 및 처리 과학 프로그램 부서의 지원을 받아 PNNL에서 수행되었습니다. PNNL은 Battelle Memorial Institute가 DOE를 위해 운영하는 다중 프로그램 국립 연구소입니다. DEAC05-76RL0-1830입니다.