Rastersondenmikroskopie

Physikalische Grundprinzipien der Rastersondenmikroskopie:

Ein gemeinsames Merkmal aller Rastersondenmikroskope (und prägend für ihren Namen) ist das Vorhandensein einer mikroskopischen Sonde, die in Kontakt (nicht immer mechanischer Kontakt) mit der zu untersuchenden Oberfläche gebracht wird und sich während des Scannens über einen bestimmten Bereich von bewegt die Oberfläche einer bestimmten Größe.

Der Kontakt der Sonde und der Probe impliziert ihre Wechselwirkung. Es wird eine beliebige Arbeitsinteraktion ausgewählt. Die Art dieser gewählten Wechselwirkung bestimmt, ob das Gerät zu dem einen oder anderen Typ innerhalb der Familie der Sondenmikroskope gehört. Oberflächeninformationen werden durch Erfassen (unter Verwendung eines Rückkopplungssystems) oder durch Erfassen der Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Probe abgerufen.

In einem Tunnelmikroskop manifestiert sich diese Wechselwirkung im Gleichstromfluss im Tunnelkontakt. Die Rasterkraftmikroskopie basiert auf der Wechselwirkung einer Sonde und einer Probe mit Anziehungs- oder Abstoßungskräften. Wir können solche Arten von Sondenmikroskopen erwähnen wie ein Magnetkraftmikroskop (die Sonde und die Probe interagieren mit magnetischen Kräften), ein Nahfeldmikroskop (die optischen Eigenschaften der Probe werden durch eine Miniaturblende erfasst, die sich in der Nahzone des Mikroskops befindet Photonenquelle), ein Polarisationskraftmikroskop (die Probe interagiert mit einer leitfähigen geladenen Sonde) usw.

Tunneling, Rasterkraftsondenmikroskopie, optische Nahfeldmikroskopie. Aussagemöglichkeiten und räumliche Auflösung.

Tunnel: Das Funktionsprinzip eines Tunnelmikroskops basiert auf dem Durchgang eines Elektrons durch eine Potentialbarriere, die durch eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises gebildet wird - ein kleiner Spalt zwischen dem Sondierungsmikropunkt und der Oberfläche der Probe. Die Funktionsweise des Geräts basiert auf dem bekannten Phänomen des Elektronentunnelns (Tunneleffekt). Zwischen der Metallspitze und der Oberfläche des zu untersuchenden Leiters wird eine elektrische Spannung angelegt (typische Spannungswerte: von Einheiten von mV bis V) und die Spitze näher an die Oberfläche der Probe gebracht, bis ein Tunnelstrom auftritt. Stabile Bilder vieler Oberflächen können mit einem Tunnelstrom von 10-9 A erhalten werden, d.h. in 1nA. In diesem Fall befindet sich die Spitze in einem Abstand von Bruchteilen eines Nanometers nahe an der Oberfläche. Um ein Bild der Oberfläche zu erhalten, wird die Metallspitze über die Oberfläche der Probe bewegt, wobei ein konstanter Wert des Tunnelstroms beibehalten wird. In diesem Fall stimmt die Bahn der Spitze im Wesentlichen mit dem Oberflächenprofil überein, die Spitze geht um die Hügel herum und folgt den Vertiefungen. Ein wichtiger Bestandteil eines Rastertunnelmikroskops ist ein mechanischer Manipulator, der für die Bewegung der Sonde über die Oberfläche mit einer Genauigkeit von tausendstel Nanometern sorgt. Herkömmlicherweise besteht ein mechanischer Manipulator aus einem piezokeramischen Material.

Atomkraft: In einem Rasterkraftmikroskop ist die Wechselwirkung die Kraftwechselwirkung zwischen der Sonde und der Probe. atomare Auflösung auf leitfähigen und nicht leitfähigen Oberflächen. Bei der Untersuchung von ungeladenen Oberflächen in natürlicher Atmosphäre (in Luft) wird der Hauptbeitrag zur Kraftwechselwirkung zwischen Sonde und Probe geleistet von: den Abstoßungskräften, die durch den mechanischen Kontakt der äußersten Atome der Sonde und verursacht werden der Probe, die Van-der-Waals-Kräfte sowie die Kapillarkräfte, die mit der Anwesenheit des Filmadsorbats (Wasser) auf der Probenoberfläche verbunden sind.

Die Einteilung der AFM nach der Methode der Messung und Fixierung der Kraftwechselwirkung zwischen Sonde und Probe ermöglicht es, zwei Hauptfälle zu unterscheiden: Kontakt-Rasterkraftmikroskopie und diskontinuierliche Kontakt-AFM.

Optische Nahfeldmikroskopie: optische Bilder mit einer Längsauflösung von 50 nm. Bietet eine bessere Auflösung als herkömmliche optische Mikroskope. Die Erhöhung der Auflösung der Stückliste wird erreicht, indem die Lichtstreuung von dem zu untersuchenden Objekt in Abständen erfasst wird, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Wenn die Sonde (Detektor) des Nahfeldmikroskops mit einer räumlichen Abtastvorrichtung ausgestattet ist, wird eine solche Vorrichtung als optisches Nahfeld-Rastermikroskop bezeichnet. Ein solches Mikroskop ermöglicht Rasterbilder von Oberflächen und Objekten mit einer Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze.

Wenn wir als Sonde eine Miniaturmembran mit einem Loch von mehreren Nanometern nehmen - einer Öffnung, dann dringt gemäß den Gesetzen der Wellenoptik sichtbares Licht (mit einer Wellenlänge von mehreren hundert Nanometern) in ein so kleines Loch ein, aber nicht weit, aber in einem Abstand vergleichbar mit der Größe Löcher. Befindet sich eine Probe in diesem Abstand, im sogenannten „Nahfeld“, wird das von ihr gestreute Licht erfasst. Indem wir die Blende wie bei einem Tunnelmikroskop in die Nähe der Probe bewegen, erhalten wir ein Rasterbild der Oberfläche. Später wurden Nahfeldmikroskope entwickelt, die keine Blende verwendeten – Blendenloses SNOM.

Die Einzigartigkeit der optischen Nahfeldmikroskopie im Vergleich zu anderen Scanverfahren liegt darin, dass das Bild zwar direkt im optischen Bereich, einschließlich sichtbarem Licht, aufgebaut wird, die Auflösung aber um ein Vielfaches höher ist als die Auflösung herkömmlicher optischer Systeme.

(Als Sonde wird eine optische Faser mit Miniaturblende verwendet. Beim Scannen einer Probe bewegt der Manipulator die Blende nahe der Oberfläche. Die Strahlung der Laserquelle, die durch die Blende tritt, beleuchtet die zu untersuchende Oberfläche. Gestreut oder re- emittiertes Licht wird in einem Mikroskop dieser Bauart aufgezeichnet.Dadurch, dass Lichtstreuung im Nahbereich auftritt (in einem Abstand von der emittierendenBlende kleiner als die Wellenlänge des Lichts), ist es möglich, die grundsätzlicheBeschränkung von zu überwinden herkömmliche optische Mikroskopie in puncto Auflösung: Oberflächendetails von mehreren zehn Nanometern Größe werden sichtbar.)

Grundelemente eines Rastersondenmikroskops.

Cantilever, Sonde (eine für jede Mikroskopie), mechanischer Manipulator, Laser, Fotodiode, Rückkopplungssystem. Einfach ausgedrückt: eine Sonde, ein Bewegungssystem, ein Aufnahmesystem.

Anwendung bei der Untersuchung von Nanoobjekten und linearen Messungen im Nanobereich.

Die auffälligsten Demonstrationen der Möglichkeiten dieser experimentellen Richtung bei der Untersuchung fester Oberflächen können sein: die Ergebnisse der direkten Visualisierung der Oberflächenrekonstruktion, die Manipulation einzelner Atome zur Aufzeichnung von Informationen mit einer Aufzeichnungsdichte, die Untersuchung der lokalen Oberflächenwirkung Defekte in der Bandstruktur der Probe usw.

Die neuen Möglichkeiten dieser Richtung im Vergleich zu traditionellen Methoden der Oberflächenuntersuchung machen den Einsatz der Sondenmikroskopie (insbesondere der Rasterkraftmikroskopie (AFM)) zur Untersuchung biologischer und organischer Materialien besonders vielversprechend. Auch auf diesem Weg wurden in letzter Zeit erhebliche Fortschritte erzielt Im Hinblick auf die Erforschung von Nukleinsäuren können wir insbesondere solche Ergebnisse erwähnen wie die Visualisierung einzelner DNA-Moleküle und die Untersuchung ihres Konformationszustands in flüssigen Medien, die direkte Messung der Wechselwirkungskräfte komplementärer Nukleotide und die Echtzeit-Visualisierung der Interaktionsprozesse zwischen DNA und Proteinen.

Karelische Staatliche Pädagogische Universität

Rastersondenmikroskopie

Hergestellt von: Barbara O.

554 gr. (2007)

Rastersondenmikroskop (SPM), sein Aufbau und Funktionsprinzip

Rastersondenmikroskopie (SPM)- eine der leistungsstarken modernen Methoden zur Untersuchung der Morphologie und lokalen Eigenschaften der Oberfläche eines Festkörpers mit hoher räumlicher Auflösung

Trotz der Vielfalt an Typen und Einsatzmöglichkeiten moderner Scanmikroskope basiert ihre Funktionsweise auf ähnlichen Prinzipien und ihr Design unterscheidet sich kaum voneinander. Auf Abb. 1 zeigt ein verallgemeinertes Schema eines Rastersondenmikroskops (SPM).

Abb.1 Verallgemeinertes Schema eines Rastersondenmikroskops (SPM).

Das Prinzip seiner Arbeit ist wie folgt. Mittels eines Grobpositioniersystems wird die Messsonde an die Oberfläche des Prüflings gebracht. Wenn sich die Probe und die Sonde auf einen Abstand von weniger als Hunderten von nm annähern, beginnt die Sonde, mit den Oberflächenstrukturen der analysierten Oberfläche zu interagieren. Die Bewegung der Sonde entlang der Oberfläche der Probe wird unter Verwendung einer Abtastvorrichtung durchgeführt, die eine Abtastung der Oberfläche mit der Sondennadel bereitstellt. Es ist normalerweise ein piezokeramisches Rohr, auf dessen Oberfläche drei Paare getrennter Elektroden aufgebracht sind. Unter der Einwirkung der Spannungen Ux und Uy auf das Piezorohr biegt es sich und sorgt so für die Bewegung der Sonde relativ zur Probe entlang der X- und Y-Achse; unter der Einwirkung der Spannung Uz wird es gestaucht oder gedehnt, wodurch es entsteht möglich, den Nadel-Proben-Abstand zu ändern.

Der piezoelektrische Effekt in Kristallen wurde 1880 von den Brüdern P. und J. Curie entdeckt, die beobachteten, wie auf der Oberfläche von Platten, die mit einer bestimmten Orientierung aus einem Quarzkristall geschnitten wurden, elektrostatische Ladungen unter Einwirkung mechanischer Spannungen auftraten. Diese Ladungen sind proportional zur mechanischen Spannung, wechseln mit ihr das Vorzeichen und verschwinden, wenn sie entfernt wird.

Die Bildung elektrostatischer Ladungen an der Oberfläche eines Dielektrikums und das Auftreten einer elektrischen Polarisation in seinem Inneren infolge mechanischer Belastung wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

Neben dem direkten gibt es einen inversen piezoelektrischen Effekt, der darin besteht, dass in einer aus einem piezoelektrischen Kristall geschnittenen Platte unter Einwirkung eines daran angelegten elektrischen Feldes eine mechanische Verformung auftritt; außerdem ist die Größe der mechanischen Verformung proportional zur elektrischen Feldstärke. Der piezoelektrische Effekt wird nur in festen Dielektrika beobachtet, hauptsächlich in kristallinen. In Strukturen mit Symmetriezentrum kann keine gleichmäßige Verformung das innere Gleichgewicht des Kristallgitters stören, und daher sind nur 20 Klassen von Kristallen ohne Symmetriezentrum piezoelektrisch. Das Fehlen eines Symmetriezentrums ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Existenz des piezoelektrischen Effekts, und daher haben ihn nicht alle azentrischen Kristalle.

Der piezoelektrische Effekt kann in festen amorphen und kryptokristallinen Dielektrika nicht beobachtet werden. (Piezoelektrika - Einkristalle: Quarz. Die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz werden in der Technik häufig verwendet, um Hochfrequenzen zu stabilisieren und zu filtern, Ultraschallschwingungen zu erzeugen und mechanische Größen zu messen. Turmalin. Der Hauptvorteil von Turmalin ist der größere Wert des Partialkoeffizienten im Vergleich zu Quarz. Dadurch und auch wegen der größeren mechanischen Festigkeit von Turmalin ist es möglich, Resonatoren für höhere Frequenzen herzustellen.

Gegenwärtig wird Turmalin fast nie für die Herstellung von piezoelektrischen Resonatoren verwendet und hat nur eine begrenzte Verwendung zur Messung des hydrostatischen Drucks.

Rochelle-Salz. Piezoelektrische Elemente aus Rochelle-Salz wurden häufig in Geräten verwendet, die in einem relativ engen Temperaturbereich arbeiteten, insbesondere in Tonabnehmern. Gegenwärtig sind sie jedoch fast vollständig durch keramische piezoelektrische Elemente ersetzt worden.

Der Sondenpositionssensor überwacht kontinuierlich die Position der Sonde relativ zur Probe und überträgt über ein Rückkopplungssystem Daten darüber an ein Computersystem, das die Bewegung des Scanners steuert. Um die Wechselwirkungskräfte der Sonde mit der Oberfläche zu registrieren, wird üblicherweise ein Verfahren verwendet, das auf der Aufzeichnung der Abweichung des von der Spitze der Sonde reflektierten Halbleiterlaserstrahls basiert. Bei Mikroskopen dieser Art fällt der reflektierte Lichtstrahl in die Mitte einer zwei- oder vierteiligen Fotodiode, die in einer Differenzschaltung geschaltet ist. Das Computersystem dient neben der Steuerung des Scanners auch der Verarbeitung von Daten der Sonde, der Analyse und der Anzeige der Ergebnisse der Oberflächenuntersuchung.

Wie Sie sehen können, ist der Aufbau des Mikroskops recht einfach. Von Hauptinteresse ist die Wechselwirkung der Sonde mit der zu untersuchenden Oberfläche. Es ist die Art der Interaktion, die von einem bestimmten Rastersondenmikroskop verwendet wird, die seine Fähigkeiten und seinen Umfang bestimmt. (Folie) Wie der Name schon sagt, ist eines der Hauptelemente eines Rastersondenmikroskops eine Sonde. Allen Rastersondenmikroskopen gemeinsam ist die Methode, Informationen über die Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche zu erhalten. Die mikroskopische Sonde nähert sich der Oberfläche, bis ein Gleichgewicht von Wechselwirkungen einer bestimmten Art zwischen der Sonde und der Probe hergestellt ist, wonach das Scannen durchgeführt wird.

Rastertunnelmikroskop (STM), sein Aufbau und Funktionsprinzip

Der erste SPM-Prototyp war das 1981 erfundene Rastertunnelmikroskop (STM). Wissenschaftler des IBM-Forschungslabors in Zürich, Gerhard Binnig und Heinrich Röhrer. Mit seiner Hilfe wurden erstmals reale Bilder von Oberflächen mit atomarer Auflösung erhalten, insbesondere eine 7x7-Rekonstruktion auf einer Siliziumoberfläche (Abb. 2).

Abb.3 STM-Aufnahme der Oberfläche von einkristallinem Silizium. Rekonstruktion 7 x 7

Alle derzeit bekannten SPM-Verfahren lassen sich bedingt in drei Hauptgruppen einteilen:

– Rastertunnelmikroskopie; STM verwendet eine scharfe leitende Nadel als Sonde

Wird zwischen Spitze und Probe eine Vorspannung angelegt, so entsteht bei Annäherung der Nadelspitze an die Probe in einem Abstand von etwa 1 nm zwischen ihnen ein Tunnelstrom, dessen Größe vom Abstand "Nadel-Probe" abhängt ", und die Richtung hängt von der Polarität der Spannung ab (Abb. 4). Wenn sich die Spitze der Nadel von der zu untersuchenden Oberfläche wegbewegt, nimmt der Tunnelstrom ab, und wenn er sich nähert, nimmt er zu. Somit ist es unter Verwendung von Daten über den Tunnelstrom an einem bestimmten Satz von Oberflächenpunkten möglich, ein Bild der Oberflächentopographie zu konstruieren.

Abb.4 Schema des Auftretens des Tunnelstroms.

- Rasterkraftmikroskopie; es registriert von Punkt zu Punkt Änderungen in der Anziehungskraft der Nadel zur Oberfläche. Die Nadel befindet sich am Ende eines Auslegerbalkens (Cantilever), der eine bekannte Steifigkeit aufweist und sich unter der Wirkung kleiner Van-der-Waals-Kräfte biegen kann, die zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Spitze der Spitze auftreten. Die Verformung des Cantilevers wird durch die Ablenkung des auf seine Rückseite einfallenden Laserstrahls oder durch den beim Biegen im Cantilever selbst auftretenden piezoresistiven Effekt erfasst;

– optische Nahfeldmikroskopie; Darin ist die Sonde ein optischer Wellenleiter (optische Faser), der sich am Ende, das der Probe zugewandt ist, auf einen Durchmesser verjüngt, der kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist. In diesem Fall verlässt die Lichtwelle den Wellenleiter nicht weit, sondern „fällt“ nur geringfügig aus seiner Spitze heraus. Am anderen Ende des Wellenleiters sind ein Laser und ein Empfänger für das vom freien Ende reflektierte Licht installiert. Bei einem kleinen Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Spitze der Sonde ändern sich Amplitude und Phase der reflektierten Lichtwelle, die das Signal ist, das verwendet wird, um ein dreidimensionales Bild der Oberfläche zu erstellen.

Je nach Tunnelstrom bzw. Abstand zwischen Nadel und Oberfläche sind zwei Betriebsarten des Rastertunnelmikroskops möglich. Im Modus mit konstanter Höhe bewegt sich die Nadelspitze in einer horizontalen Ebene über der Probe, und der Tunnelstrom ändert sich in Abhängigkeit vom Abstand zu ihr (Abb. 5a). In diesem Fall ist das Informationssignal der Wert des Tunnelstroms, der an jedem Abtastpunkt der Probenoberfläche gemessen wird. Basierend auf den erhaltenen Werten des Tunnelstroms wird ein Bild der Topographie konstruiert.

Reis. Abb. 5. STM-Betriebsschema: a - im Modus mit konstanter Höhe; b - im Gleichstrommodus

Im Konstantstrommodus stellt das Rückkopplungssystem des Mikroskops die Konstanz des Tunnelstroms sicher, indem es den "Nadel-Probe"-Abstand an jedem Abtastpunkt anpasst (Abb. 5b). Es überwacht Änderungen des Tunnelstroms und steuert die an den Scanner angelegte Spannung, um diese Änderungen zu kompensieren. Mit anderen Worten, wenn der Strom ansteigt, bewegt das Rückkopplungssystem die Sonde von der Probe weg, und wenn er abnimmt, bringt es sie näher. In diesem Modus wird das Bild auf der Grundlage von Daten über das Ausmaß der vertikalen Bewegung der Abtastvorrichtung aufgebaut.

Beide Modi haben ihre Vor- und Nachteile. Im Modus „Konstante Höhe“ erhalten Sie schneller Ergebnisse, jedoch nur bei relativ glatten Oberflächen. Im Konstantstrommodus können unregelmäßige Oberflächen mit hoher Genauigkeit gemessen werden, die Messungen dauern jedoch länger.

Mit ihrer hohen Empfindlichkeit haben Rastertunnelmikroskope der Menschheit die Möglichkeit gegeben, die Atome von Leitern und Halbleitern zu sehen. Aufgrund von Designbeschränkungen ist es jedoch unmöglich, ein Bild von nichtleitenden Materialien auf STM zu erhalten. Außerdem müssen für den qualitativ hochwertigen Betrieb eines Tunnelmikroskops eine Reihe sehr strenger Bedingungen erfüllt werden, insbesondere der Betrieb im Vakuum und eine spezielle Probenvorbereitung. Obwohl man nicht sagen kann, dass der erste Pfannkuchen von Binnig und Röhrer klumpig geworden ist, kam das Produkt etwas feucht heraus.

Fünf Jahre sind vergangen und Gerhard Binning erfand zusammen mit Calvin Quayt und Christopher Gerber einen neuen Mikroskoptyp, den sie Atomkraftmikroskop (AFM) nannten, für den sie im selben Jahr 1986. G. Binnig und H. Röhrer wurden mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Das neue Mikroskop umging die Beschränkungen seines Vorgängers. Mit AFM ist es möglich, Bilder der Oberfläche sowohl von leitfähigen als auch von nicht leitfähigen Materialien mit atomarer Auflösung zu erhalten, und zwar unter atmosphärischen Bedingungen. Ein zusätzlicher Vorteil von Rasterkraftmikroskopen ist die Fähigkeit, ihre elektrischen, magnetischen, elastischen und anderen Eigenschaften zusammen mit Messungen der Oberflächentopographie zu visualisieren.

Rasterkraftmikroskop (AFM), sein Aufbau und Funktionsprinzip

Die wichtigste Komponente von ACM (Atomkraftmikroskop) sind Rastersonden - Cantilever, die Eigenschaften des Mikroskops hängen direkt von den Eigenschaften des Cantilevers ab.

Der Ausleger ist ein flexibler Balken (175 x 40 x 4 Mikrometer - gemittelte Daten) mit einem bestimmten Steifigkeitskoeffizienten k(10-3 - 10 N/m), an deren Ende sich eine Mikronadel befindet (Abb. 1). Bereich des Krümmungsradius R Nadelspitze mit der Entwicklung von AFM von 100 auf 5 nm geändert. Offensichtlich mit Abnahme R Mit dem Mikroskop können Sie Bilder mit höherer Auflösung erhalten. Winkel der Nadelspitze a ist ebenfalls eine wichtige Sondeneigenschaft, von der die Bildqualität abhängt. a in verschiedenen Cantilevern variiert von 200 bis 700, es ist nicht schwer anzunehmen, dass dies weniger ist a, desto höher ist die Qualität des resultierenden Bildes.

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also zu verbessern w0 Die Länge des Auslegers (von der der Steifigkeitskoeffizient abhängt) liegt in der Größenordnung von mehreren Mikrometern und die Masse überschreitet 10-10 kg nicht. Die Resonanzfrequenzen verschiedener Cantilever reichen von 8 bis 420 kHz.

Das AFM-Scanverfahren ist wie folgt (Abbildung 2) : Die Spitze der Sonde befindet sich über der Oberfläche der Probe, während sich die Sonde relativ zur Probe bewegt, wie ein Strahl in einer Kathodenstrahlröhre eines Fernsehgeräts (zeilenweises Scannen). Der auf die Oberfläche der Sonde gerichtete Laserstrahl (der sich entsprechend der Landschaft der Probe biegt), wird reflektiert und trifft auf den Fotodetektor, der die Ablenkung des Strahls festlegt. In diesem Fall wird die Auslenkung der Nadel beim Scannen durch die interatomare Wechselwirkung der Probenoberfläche mit ihrer Spitze verursacht. Mit Hilfe der Computerverarbeitung der Photodetektorsignale ist es möglich, dreidimensionale Bilder der Oberfläche der untersuchten Probe zu erhalten.

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Reis. 8. Abhängigkeit der Stärke der interatomaren Wechselwirkung vom Abstand zwischen Spitze und Probe

Wechselwirkungskräfte der Sonde mit der Oberfläche werden in Nah- und Fernbereich unterteilt. Kurzreichweitige Kräfte entstehen in einem Abstand in der Größenordnung von 1-10 Å, wenn sich die Elektronenhüllen der Atome der Nadelspitze und der Oberfläche überlappen, und nehmen mit zunehmendem Abstand schnell ab. Nur wenige Atome (im Grenzfall eins) der Nadelspitze gehen eine kurzreichweitige Wechselwirkung mit Oberflächenatomen ein. Bei der Abbildung einer Oberfläche mit dieser Art von Kraft arbeitet das AFM im Kontaktmodus.

Es gibt einen Kontaktscanmodus, wenn die Spitze der Sonde die Oberfläche der Probe berührt, intermittierend – die Sonde berührt die Oberfläche der Probe während des Scannens periodisch und kontaktlos, wenn die Sonde einige Nanometer von der gescannten Oberfläche entfernt ist (Letzterer Scanmodus wird selten verwendet, da die Wechselwirkungskräfte zwischen Sonde und Probe praktisch schwer zu erfassen sind).

STM-Fähigkeiten

STM wurde gelehrt, nicht nur zwischen einzelnen Atomen zu unterscheiden, sondern auch ihre Form zu bestimmen.
Dass Rastertunnelmikroskope (STM) einzelne Atome erkennen können, ist vielen noch nicht ganz bewusst, denn der nächste Schritt ist bereits getan: Jetzt ist sogar eine Bestimmung möglich Formen einzelnes Atom im realen Raum (genauer gesagt die Verteilungsform der Elektronendichte um den Atomkern).

Optisches Nahfeldmikroskop, Aufbau und Funktionsprinzip

Optische Nahfeldmikroskopie; Darin ist die Sonde ein optischer Wellenleiter (optische Faser), der sich am Ende, das der Probe zugewandt ist, auf einen Durchmesser verjüngt, der kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist. In diesem Fall verlässt die Lichtwelle den Wellenleiter nicht weit, sondern „fällt“ nur geringfügig aus seiner Spitze heraus. Am anderen Ende des Wellenleiters sind ein Laser und ein Empfänger für das vom freien Ende reflektierte Licht installiert. Bei einem kleinen Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Spitze der Sonde ändern sich Amplitude und Phase der reflektierten Lichtwelle, die das Signal ist, das verwendet wird, um ein dreidimensionales Bild der Oberfläche zu erstellen.

Wenn Sie Licht zwingen, durch eine Blende mit einem Durchmesser von 50-100 nm zu gelangen, und es näher an die Oberfläche der zu untersuchenden Probe auf einen Abstand von mehreren zehn Nanometern bringen, dann bewegen Sie ein solches „ “ von Punkt über die Oberfläche (und mit einem ausreichend empfindlichen Detektor) können Sie die optischen Eigenschaften dieser Probe in einem lokalen Bereich untersuchen, der der Lochgröße entspricht.

So funktioniert ein optisches Nahfeld-Scanning-Mikroskop (SNOM). Die Rolle des Lochs (Subwellenlängenblende) wird normalerweise von einer optischen Faser übernommen, deren eines Ende zugespitzt und überall mit einer dünnen Metallschicht bedeckt ist, mit Ausnahme eines kleinen Bereichs an der äußersten Spitze der Spitze (der Durchmesser der "staubfreier" Bereich ist nur 50-100 nm). Am anderen Ende tritt Licht eines Lasers in einen solchen Lichtleiter ein.

Dezember 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">Dezember 2005 und ist eines der Basislaboratorien der Abteilung für Nanotechnologie der Fakultät für Physik der Russischen Staatsuniversität. Das Labor verfügt über 4 Sätze von NanoEducator-Rastersondenmikroskopen, die speziell von der Firma NT-MDT (Zelenograd, Russland) für Laborarbeiten entwickelt wurden... Die Geräte richten sich an ein studentisches Publikum: Sie werden vollständig über einen Computer gesteuert, haben eine einfache und intuitive Benutzeroberfläche, Animation Unterstützung und erfordern eine schrittweise Beherrschung der Techniken.

Abb.10 Labor für Rastersondenmikroskopie

Die Entwicklung der Rastersondenmikroskopie diente als Grundlage für die Entwicklung eines neuen Bereichs der Nanotechnologie – der Sondennanotechnologie.

Literatur

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space, Phys. Rev. Lette. 1983 Bd. 50, Nr. 2. S. 120-123. Diese berühmte Veröffentlichung eröffnete die Ära von STM.

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6.http://www. *****/article_list. html

RASTERSONDENMIKROSKOPE: ARTEN UND FUNKTIONSPRINZIP

Kuvaytsev Alexander Wjatscheslawowitsch
Dimitrovgrad Institute of Engineering and Technology, Zweigstelle der Nationalen Nuklearforschungsuniversität "MEPhI"
Schüler

Anmerkung
Dieser Artikel beschreibt das Funktionsprinzip eines Sondenmikroskops. Dies ist eine grundlegend neue Technologie, die Probleme in so unterschiedlichen Bereichen wie Kommunikation, Biotechnologie, Mikroelektronik und Energie lösen kann. Die Nanotechnologie in der Mikroskopie wird den Ressourcenverbrauch deutlich reduzieren und die Umwelt nicht belasten, sie wird eine führende Rolle im Leben der Menschheit einnehmen, da beispielsweise der Computer aus dem Leben der Menschen nicht mehr wegzudenken ist.

RASTERSONDENMIKROSKOPIE: ARTEN UND FUNKTIONSPRINZIPIEN

Kuvaytsev Aleksandr Wjatscheslawowitsch
Dimitrovgrad Engineering and Technological Institute der National Research Nuclear University MEPHI
Schüler

Abstrakt
Dieser Artikel beschreibt das Prinzip eines Sondenmikroskops. Es ist eine neue Technologie, die Probleme in so unterschiedlichen Bereichen wie Kommunikation, Biotechnologie, Mikroelektronik und Energie lösen kann. Nanotechnologie in der Mikroskopie wird den Ressourcenverbrauch deutlich reduzieren und die Umwelt nicht belasten, sie wird eine führende Rolle im menschlichen Leben einnehmen, da beispielsweise der Computer aus dem Leben der Menschen nicht mehr wegzudenken ist.

Im 21. Jahrhundert gewinnen Nanotechnologien rasant an Popularität, die in alle Bereiche unseres Lebens vordringen, aber ohne neue experimentelle Forschungsmethoden, von denen eine der aufschlussreichsten ist, die Methode der Rastersondenmikroskopie, würde es keinen Fortschritt geben wurde 1986 von den Nobelpreisträgern Prof. Heinrich Rohrer und Dr. Gerd Binnig erfunden und vertrieben.

Mit dem Aufkommen von Methoden zur Visualisierung von Atomen fand in der Welt eine echte Revolution statt. Gruppen von Enthusiasten tauchten auf und entwarfen ihre eigenen Geräte. Als Ergebnis wurden mehrere erfolgreiche Lösungen zur Visualisierung der Ergebnisse der Wechselwirkung der Sonde mit der Oberfläche erhalten. Technologien zur Herstellung von Sonden mit den erforderlichen Parametern wurden geschaffen.

Was ist also ein Sondenmikroskop? Das ist zunächst die Sonde selbst, die die Oberfläche der Probe untersucht, außerdem ist ein System zur Bewegung der Sonde relativ zur Probe in zweidimensionaler oder dreidimensionaler Darstellung (Bewegung entlang X-Y- oder X-Y-Z-Koordinaten) erforderlich. All dies wird durch ein Aufzeichnungssystem ergänzt, das den Wert einer Funktion festlegt, die vom Abstand der Sonde zur Probe abhängt. Das Registrierungssystem legt fest und merkt sich den Wert einer der Koordinaten.

Die Haupttypen von Rastersondenmikroskopen lassen sich in 3 Gruppen einteilen:

1. Rastertunnelmikroskop - entwickelt, um das Relief von leitfähigen Oberflächen mit hoher räumlicher Auflösung zu messen.
   Beim STM wird eine scharfe Metallnadel in sehr kurzer Entfernung über die Probe geführt. Wenn ein kleiner Strom an die Nadel angelegt wird, entsteht zwischen ihr und der Probe ein Tunnelstrom, dessen Wert vom Aufzeichnungssystem aufgezeichnet wird. Die Nadel wird über die gesamte Oberfläche der Probe geführt und erfasst die kleinste Änderung des Tunnelstroms, wodurch eine Reliefkarte der Probenoberfläche entsteht. Das STM ist das erste einer Klasse von Rastersondenmikroskopen, der Rest wurde später entwickelt.
2. Rasterkraftmikroskop - wird verwendet, um die Oberflächenstruktur der Probe mit einer Auflösung von bis zu Atomen aufzubauen. Im Gegensatz zum STM können mit diesem Mikroskop sowohl leitfähige als auch nicht leitfähige Oberflächen untersucht werden. Aufgrund der Fähigkeit, Atome nicht nur zu scannen, sondern auch zu manipulieren, wird es Macht genannt.
3. Ein optisches Nahfeldmikroskop ist ein "fortgeschrittenes" optisches Mikroskop, das eine bessere Auflösung als ein herkömmliches optisches Mikroskop bietet. Eine Erhöhung der Auflösung der Stückliste wurde erreicht, indem Licht vom untersuchten Objekt in Abständen kleiner als die Wellenlänge erfasst wurde. Ist die Sonde des Mikroskops mit einer Einrichtung zum Scannen des Raumfeldes ausgestattet, so wird ein solches Mikroskop als optisches Rastermikroskop des Nahfeldes bezeichnet. Ein solches Mikroskop ermöglicht es, Bilder von Oberflächen mit sehr hoher Auflösung zu erhalten.

Das Bild (Abb. 1) zeigt das einfachste Schema des Sondenmikroskops.

Abbildung 1. - Funktionsschema eines Sondenmikroskops

Seine Funktionsweise basiert auf der Interaktion der Probenoberfläche mit einer Sonde, dies kann ein Cantilever, eine Nadel oder eine optische Sonde sein. Mit einem geringen Abstand zwischen Sonde und Untersuchungsobjekt können die Wirkungen von Wechselwirkungskräften wie Abstoßung, Anziehung usw. und die Manifestation von Effekten wie Elektronentunneln mit Registrierungswerkzeugen aufgezeichnet werden. Um diese Kräfte zu erfassen, werden sehr empfindliche Sensoren verwendet, die kleinste Veränderungen erkennen können. Als Koordinaten-Abtastsystem werden Piezoröhren oder planparallele Scanner verwendet, um ein Rasterbild zu erhalten.

Zu den wichtigsten technischen Schwierigkeiten bei der Herstellung von Rastersondenmikroskopen gehören:

1. Gewährleistung der mechanischen Integrität
2. Detektoren müssen eine maximale Empfindlichkeit aufweisen
3. Das Ende der Sonde muss eine Mindestabmessung haben
4. Erstellen Sie ein Sweep-System
5. Gewährleistung der Glätte der Sonde

Fast immer ist das von einem Rastersondenmikroskop erhaltene Bild aufgrund von Verzerrungen beim Erhalten der Ergebnisse schwer zu entziffern. In der Regel ist eine zusätzliche mathematische Bearbeitung erforderlich. Dazu wird spezialisierte Software verwendet.

Derzeit werden Rastersonden- und Elektronenmikroskopie aufgrund einer Reihe physikalischer und technischer Merkmale als komplementäre Forschungsmethoden eingesetzt. Der Einsatz der Sondenmikroskopie hat in den vergangenen Jahren einzigartige wissenschaftliche Erkenntnisse in den Bereichen Physik, Chemie und Biologie ermöglicht. Die ersten Mikroskope waren nur Geräte - Indikatoren, die bei der Forschung halfen, und moderne Proben sind vollwertige Arbeitsplätze, einschließlich bis zu 50 verschiedener Forschungsmethoden.

Die Hauptaufgabe dieser fortschrittlichen Technik besteht darin, wissenschaftliche Ergebnisse zu erzielen, aber die Anwendung der Fähigkeiten dieser Geräte in der Praxis erfordert eine hohe Qualifikation eines Spezialisten.

Untersuchung piezoelektrischer Mikroverschiebungsscanner.

Zielsetzung: Untersuchung der physikalisch-technischen Grundlagen zur Sicherstellung von Mikroverschiebungen von Objekten in der Rastersondenmikroskopie, realisiert mit piezoelektrischen Scannern

Einführung

Die Rastersondenmikroskopie (SPM) ist eine der leistungsfähigen modernen Methoden zur Untersuchung der Eigenschaften einer festen Oberfläche. Derzeit ist fast keine Forschung auf dem Gebiet der Oberflächenphysik und Mikrotechnologien ohne den Einsatz von SPM-Methoden vollständig.

Die Prinzipien der Rastersondenmikroskopie können als Grundlage für die Technologieentwicklung zur Erzeugung von Festkörperstrukturen im Nanobereich (1 nm = 10 Å) verwendet werden. Zum ersten Mal wird in der technologischen Praxis der Herstellung von menschengemachten Objekten die Frage aufgeworfen, die Prinzipien des atomaren Zusammenbaus bei der Herstellung industrieller Produkte anzuwenden. Ein solcher Ansatz eröffnet Perspektiven für die Implementierung von Geräten, die eine sehr begrenzte Anzahl einzelner Atome enthalten.

Das Rastertunnelmikroskop (STM), das erste einer Familie von Sondenmikroskopen, wurde 1981 von den Schweizer Wissenschaftlern G. Binnig und G. Rohrer erfunden. In ihrer Arbeit zeigten sie, dass dies eine ziemlich einfache und sehr effektive Möglichkeit ist, die Oberfläche mit einer hohen räumlichen Auflösung bis in die atomare Ordnung zu untersuchen. Diese Technik erlangte echte Anerkennung nach der Visualisierung der atomaren Struktur der Oberfläche einer Reihe von Materialien und insbesondere der rekonstruierten Siliziumoberfläche. 1986 erhielten G. Binnig und G. Poper den Nobelpreis für Physik für die Entwicklung des Tunnelmikroskops. Im Folgenden werden das Tunnelmikroskop, ein Rasterkraftmikroskop (AFM), ein Magnetkraftmikroskop (MSM), ein elektrisches Kraftmikroskop (ESM), ein optisches Nahfeldmikroskop (NOM) und viele andere Geräte mit ähnlichen Funktionsprinzipien und genannt Rastersondenmikroskope.

1. Allgemeine Funktionsprinzipien von Rastersondenmikroskopen

Bei Rastersondenmikroskopen erfolgt die Untersuchung des Mikroreliefs und lokaler Eigenschaften der Oberfläche mit speziell präparierten Nadelsonden. Der Krümmungsradius des Arbeitsteils solcher Sonden (Punkte) hat Abmessungen in der Größenordnung von zehn Nanometern. Der charakteristische Abstand zwischen Sonde und Probenoberfläche liegt bei Sondenmikroskopen in der Größenordnung von 0,1 – 10 nm.

Die Funktionsweise von Sondenmikroskopen basiert auf verschiedenen physikalischen Wechselwirkungen der Sonde mit den Atomen der Probenoberfläche. Somit basiert der Betrieb eines Tunnelmikroskops auf dem Phänomen des Tunnelstroms, der zwischen einer Metallnadel und einer leitenden Probe fließt; Verschiedene Arten von Kraftwechselwirkungen liegen dem Betrieb von Rasterkraft-, Magnetkraft- und Elektrokraftmikroskopen zugrunde.

Betrachten wir die gemeinsamen Merkmale verschiedener Sondenmikroskope. Lassen Sie die Wechselwirkung der Sonde mit der Oberfläche durch einen Parameter charakterisieren R. Wenn eine ausreichend scharfe und eineindeutige Abhängigkeit des Parameters vorliegt R aus dem Sonden-Proben-Abstand P = P(z), dann kann dieser Parameter verwendet werden, um ein Rückkopplungssystem (FS) zu organisieren, das den Abstand zwischen der Sonde und der Probe steuert. Auf Abb. 1 zeigt schematisch das allgemeine Prinzip der Organisation der Rückkopplung eines Rastersondenmikroskops.

Reis. 1. Schema des Rückkopplungssystems des Sondenmikroskops

Das Feedback-System behält den Parameterwert bei R konstant, gleich Ro vom Betreiber eingestellt. Wenn sich der Abstand zwischen Sonde und Oberfläche ändert (z. B. vergrößert), dann liegt eine Änderung (Erhöhung) des Parameters vor R. Im OS-System wird ein dem Wert proportionales Differenzsignal gebildet. P= P-Po, der auf den gewünschten Wert verstärkt und dem Stellglied des IE zugeführt wird. Das Betätigungselement verarbeitet dieses Differenzsignal, indem es die Sonde näher an die Oberfläche bewegt oder sie wegbewegt, bis das Differenzsignal Null wird. Auf diese Weise kann der Sonden-Proben-Abstand mit hoher Genauigkeit eingehalten werden. Bei bestehenden Sondenmikroskopen erreicht die Genauigkeit der Einhaltung des Abstands zwischen Sonde und Oberfläche ~0,01 Å. Wenn sich die Sonde entlang der Probenoberfläche bewegt, ändert sich der Wechselwirkungsparameter R, aufgrund der Oberflächentopographie. Das OS-System verarbeitet diese Änderungen, so dass bei einer Bewegung des Tasters in der X,Y-Ebene das Signal am Stellelement proportional zur Oberflächentopographie ausfällt.

Um ein SPM-Bild zu erhalten, wird ein speziell organisierter Prozess zum Scannen einer Probe durchgeführt. Beim Scannen bewegt sich die Sonde zunächst entlang einer bestimmten Linie über die Probe (Linienscannen), während der Wert des Signals am Betätigungselement proportional zur Oberflächentopographie im Computerspeicher aufgezeichnet wird. Dann kehrt die Sonde zum Startpunkt zurück und geht zur nächsten Scanlinie (Frame-Scan), und der Vorgang wird erneut wiederholt. Das so beim Scannen aufgenommene Feedback-Signal wird von einem Computer verarbeitet und daraus das SPM-Bild der Oberflächentopographie Z = f(x,y) mit Hilfe von Computergrafiken konstruiert. Neben der Untersuchung der Oberflächentopographie ermöglichen Sondenmikroskope die Untersuchung verschiedener Oberflächeneigenschaften: mechanische, elektrische, magnetische, optische und viele andere.