Pyyhkäisykoettimen mikroskopia

Skannauskoettimikroskoopin fyysiset perusperiaatteet:

Kaikkien pyyhkäisykoetinmikroskooppien yhteinen piirre (ja niiden nimen määritteleminen) on mikroskooppisen koetin, joka saatetaan kosketukseen (ei aina mekaanisesti) tutkittavan pinnan kanssa ja liikkuu skannauksen aikana tietyn alueen yli. tietyn kokoinen pinta.

Anturin ja näytteen kosketus edellyttää niiden vuorovaikutusta. Mikä tahansa toimiva vuorovaikutus valitaan. Tämän valitun vuorovaikutuksen luonne määrittää, kuuluuko laite johonkin tyyppiin koetinmikroskooppien perheessä. Pintatietoa haetaan sieppaamalla (käyttämällä palautejärjestelmää) tai havaitsemalla anturin ja näytteen välinen vuorovaikutus.

Tunnelimikroskoopissa tämä vuorovaikutus ilmenee tasavirran virtauksena tunnelikontaktissa. Atomivoimamikroskopia perustuu anturin ja näytteen vuorovaikutukseen veto- tai hylkäysvoimien kanssa. Voimme mainita sellaiset koetinmikroskooppien lajikkeet, kuten magneettinen voimamikroskooppi (koetin ja näyte ovat vuorovaikutuksessa magneettisten voimien kanssa), lähikenttämikroskoopin (näytteen optiset ominaisuudet havaitaan pienoisaukon kautta, joka sijaitsee koetin lähialueella. fotonilähde), polarisoiva voimamikroskooppi (näyte on vuorovaikutuksessa johtavan varautuneen anturin kanssa) jne.

Tunnelointi, atomivoimakoetinmikroskopia, lähikenttäoptinen mikroskopia. Informatiiviset mahdollisuudet ja tilaresoluutio.

Tunneli: Tunnelointimikroskoopin toimintaperiaate perustuu elektronin kulkemiseen potentiaaliesteen läpi, joka muodostuu sähköpiirin katkeamisesta - pienestä rakosta koetusmikropisteen ja näytteen pinnan välillä. Laitteen toiminta perustuu hyvin tunnettuun elektronitunnelointiilmiöön (tunneling effect). Metallikärjen ja tutkittavan johtimen pinnan väliin syötetään sähköjännite (tyypilliset jännitearvot: mV:n yksiköistä V:iin) ja kärki tuodaan lähemmäksi näytteen pintaa, kunnes tunnelivirta ilmaantuu. Vakaat kuvat monista pinnoista voidaan saada tunnelointivirralla 10-9 A, ts. 1 nA:ssa. Tässä tapauksessa kärki on lähellä pintaa nanometrin murto-osien etäisyydellä. Kuvan saamiseksi pinnasta metallikärki siirretään näytteen pinnan yli, jolloin tunnelointivirran arvo säilyy vakiona. Tässä tapauksessa kärjen liikerata osuu olennaisesti pintaprofiiliin, kärki kiertää mäkiä ja jäljittää painumia. Pyyhkäisytunnelimikroskoopin tärkeä osa on mekaaninen manipulaattori, joka varmistaa anturin liikkeen pinnan yli nanometrin tuhannesosan tarkkuudella. Perinteisesti mekaaninen manipulaattori on valmistettu pietsokeraamisesta materiaalista.

Atomivoima: Atomivoimamikroskoopissa vuorovaikutus on anturin ja näytteen välinen voimavuorovaikutus. atomin resoluutio johtavilla ja johtamattomilla pinnoilla. Varautumattomien pintojen tutkimuksissa luonnollisessa ilmakehässä (ilmassa), pääasiallinen vaikutus anturin ja näytteen väliseen voimavuorovaikutukseen on: hylkivät voimat, jotka aiheutuvat anturin äärimmäisten atomien mekaanisesta kosketuksesta ja näyte, van der Waalsin voimat sekä kapillaarivoimat, jotka liittyvät kalvoadsorbaatin (veden) läsnäoloon näytteen pinnalla.

AFM:n jakaminen anturin ja näytteen välisen voimavuorovaikutuksen mittaus- ja kiinnitysmenetelmän mukaan mahdollistaa kahden päätapauksen erottamisen: kontaktiatomivoimamikroskopian ja epäjatkuvan kosketuksen AFM:n.

Optinen lähikenttämikroskopia: optisia kuvia, joiden pituussuuntainen resoluutio on 50 nm. Tarjoaa paremman resoluution kuin perinteinen optinen mikroskooppi. BOM:n resoluution lisääminen saavutetaan havaitsemalla valon sironta tutkittavasta kohteesta valon aallonpituutta pienemmiltä etäisyyksiltä. Jos lähikenttämikroskoopin anturi (detektori) on varustettu spatiaalisella skannauslaitteella, niin tällaista laitetta kutsutaan lähikenttäpyyhkäisyoptiseksi mikroskoopiksi. Tällaisella mikroskoopilla on mahdollista saada rasterikuvia pinnoista ja kohteista, joiden resoluutio on alle diffraktiorajan.

Jos otamme anturina pienoiskalvon, jossa on useiden nanometrien reikä - aukko, niin aaltooptiikan lakien mukaisesti näkyvä valo (usean sadan nanometrin aallonpituudella) tunkeutuu niin pieneen reikään, mutta ei kaukana, mutta etäisyydellä, joka on verrattavissa reikien kokoon. Jos näyte sijoitetaan tälle etäisyydelle, niin sanottuun "lähikenttään", siitä siroteltu valo tallennetaan. Siirtämällä kalvoa lähelle näytettä, kuten tunnelointimikroskoopissa, saamme pinnasta rasterikuvan. Myöhemmin kehitettiin lähikenttämikroskoopit, joissa ei käytetty aukkoa - aukoton SNOM.

Lähikenttäoptisen mikroskopian ainutlaatuisuus muihin skannausmenetelmiin verrattuna on, että kuva rakennetaan suoraan optiselle alueelle, mukaan lukien näkyvä valo, mutta resoluutio on moninkertainen perinteisten optisten järjestelmien resoluutioon verrattuna.

(Anturina käytetään optista kuitua, jossa on minikalvo. Näytettä skannattaessa manipulaattori siirtää kalvoa lähellä pintaa. Laserlähteen säteily, joka kulkee kalvon läpi, valaisee tutkittavaa pintaa. Hajallaan tai uudelleen. säteilevä valo tallennetaan tämän mallin mikroskoopilla. Koska valon sironta tapahtuu lähivyöhykkeellä (etäisyydellä emittoivasta kalvosta, joka on pienempi kuin valon aallonpituus), on mahdollista voittaa perusrajoitus tavanomainen optinen mikroskopia erottelukyvyn suhteen: kymmenien nanometrien kokoiset pinnan yksityiskohdat tulevat näkyviin.)

Pyyhkäisykoettimikroskoopin peruselementit.

Uloke, anturi (jokaiselle mikroskopialle oma), mekaaninen manipulaattori, laser, valodiodi, takaisinkytkentäjärjestelmä. Yksinkertaisesti sanottuna: anturi, liikejärjestelmä, tallennusjärjestelmä.

Sovellus nanoobjektien ja lineaaristen mittausten tutkimuksessa nanoalueella.

Silmiinpistävimmät osoitukset tämän kokeellisen suunnan mahdollisuuksista kiinteiden pintojen tutkimuksessa voivat olla: pinnan rekonstruoinnin suoran visualisoinnin tulokset, yksittäisten atomien manipulointi tiedon tallentamiseksi ennätystiheydellä, pinnan paikallisen vaikutuksen tutkimus. näytteen nauharakenteen viat jne.

Tämän suunnan uudet mahdollisuudet perinteisiin pintatutkimuksen menetelmiin verrattuna tekevät erityisen lupaavan koetinmikroskopian (erityisesti atomivoimamikroskopian (AFM)) käytön biologisten ja orgaanisten materiaalien tutkimukseen. Myös tällä tiellä on viime aikoina edistytty merkittävästi. Erityisesti nukleiinihappojen tutkimuksen osalta voidaan mainita sellaiset tulokset kuin yksittäisten DNA-molekyylien visualisointi ja niiden konformaatiotilan tutkiminen nestemäisessä väliaineessa, komplementaaristen nukleotidien vuorovaikutusvoimien suora mittaus sekä DNA:n ja proteiinien välisten vuorovaikutusprosessien reaaliaikainen visualisointi.

Karjalan valtiollinen pedagoginen yliopisto

Pyyhkäisykoettimen mikroskopia

Valmistaja: Barbara O.

554 gr. (2007)

Pyyhkäisykoetinmikroskooppi (SPM), sen rakenne ja toimintaperiaate

SPM (Scanning Probe Microscopy)- yksi tehokkaimmista moderneista menetelmistä tutkia kiinteän kappaleen pinnan morfologiaa ja paikallisia ominaisuuksia korkealla tilaresoluutiolla

Huolimatta nykyaikaisten pyyhkäisymikroskooppien erilaisista tyypeistä ja sovelluksista, niiden toiminta perustuu samanlaisiin periaatteisiin, ja niiden rakenteet eroavat vähän toisistaan. Kuvassa Kuva 1 esittää yleisen kaavion pyyhkäisykoetinmikroskoopista (SPM).

Kuva 1 Pyyhkäisykoetinmikroskoopin (SPM) yleinen kaavio.

Sen toimintaperiaate on seuraava. Karkealla paikannusjärjestelmällä mittausanturi tuodaan koenäytteen pinnalle. Kun näyte ja koetin lähestyvät alle satojen nm:ien etäisyyttä, koetin alkaa olla vuorovaikutuksessa analysoitavan pinnan pintarakenteiden kanssa. Anturin liike näytteen pintaa pitkin suoritetaan skannauslaitteella, joka mahdollistaa pinnan skannauksen anturin neulalla. Se on yleensä pietsokeraaminen putki, jonka pinnalle on kiinnitetty kolme paria erotettuja elektrodeja. Pietsoputkeen kohdistettujen jännitysten Ux ja Uy vaikutuksesta se taipuu, mikä varmistaa anturin liikkeen suhteessa näytteeseen X- ja Y-akseleita pitkin; jännityksen Uz vaikutuksesta se puristuu tai venyy, mikä tekee siitä mahdollista muuttaa neulan ja näytteen etäisyyttä.

Pietsosähköisen vaikutuksen kiteissä havaitsivat vuonna 1880 veljekset P. ja J. Curie, jotka havaitsivat kvartsikiteestä tietyssä suunnassa leikattujen levyjen pinnalla sähköstaattisia varauksia mekaanisten jännitysten vaikutuksesta. Nämä varaukset ovat verrannollisia mekaaniseen rasitukseen, muuttavat merkkiä sen mukana ja katoavat, kun se poistetaan.

Sähköstaattisten varausten muodostumista eristeen pinnalle ja sähköisen polarisaation esiintymistä sen sisällä mekaanisen rasituksen seurauksena kutsutaan suoraksi pietsosähköiseksi vaikutukseksi.

Suoran ohella on käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka koostuu siitä, että pietsosähköisestä kiteestä leikatussa levyssä tapahtuu mekaanista muodonmuutosta siihen kohdistetun sähkökentän vaikutuksesta; lisäksi mekaanisen muodonmuutoksen suuruus on verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen. Pietsosähköinen vaikutus havaitaan vain kiinteissä eristeissä, pääasiassa kiteisissä. Rakenteissa, joissa on symmetriakeskus, mikään yhtenäinen muodonmuutos ei voi häiritä kidehilan sisäistä tasapainoa, ja siksi vain 20 kideluokkaa, joista puuttuu symmetriakeskus, ovat pietsosähköisiä. Symmetriakeskuksen puuttuminen on välttämätön, mutta ei riittävä ehto pietsosähköisen vaikutuksen olemassaololle, ja siksi sitä ei ole kaikissa asentrisissa kiteissä.

Pietsosähköistä vaikutusta ei voida havaita kiinteissä amorfisissa ja kryptokiteisissä eristeissä. (Pietsosähköiset - yksikiteet: kvartsi. Kvartsin pietsosähköisiä ominaisuuksia käytetään laajalti tekniikassa radiotaajuuksien stabiloimiseen ja suodattamiseen, ultraäänivärähtelyjen tuottamiseen ja mekaanisten suureiden mittaamiseen. Turmaliini. Turmaliinin tärkein etu on kvartsiin verrattuna suurempi osakertoimen arvo. Tästä johtuen ja myös turmaliinin suuremman mekaanisen lujuuden vuoksi on mahdollista valmistaa resonaattoreita korkeammille taajuuksille.

Tällä hetkellä turmaliinia ei käytetä juuri koskaan pietsosähköisten resonaattoreiden valmistukseen, ja sen käyttö on rajoitettua hydrostaattisen paineen mittaamiseen.

Rochelle suola. Rochelle-suolan pietsosähköisiä elementtejä käytettiin laajalti suhteellisen kapealla lämpötila-alueella toimivissa laitteissa, erityisesti mikkureissa. Tällä hetkellä ne on kuitenkin lähes kokonaan korvattu keraamisilla pietsosähköisillä elementeillä.

Anturin asentoanturi tarkkailee jatkuvasti anturin asentoa näytteeseen nähden ja välittää siitä palautejärjestelmän kautta tietoa skannerin liikettä ohjaavalle tietokonejärjestelmälle. Anturin vuorovaikutusvoimien rekisteröimiseksi pinnan kanssa käytetään yleensä menetelmää, joka perustuu anturin kärjestä heijastuneen puolijohdelasersäteen poikkeaman kirjaamiseen. Tämän tyyppisissä mikroskoopeissa heijastunut valonsäde putoaa differentiaalipiiriin kytketyn kaksi- tai neliosaisen fotodiodin keskelle. Tietokonejärjestelmä palvelee skannerin ohjauksen lisäksi myös mittapään tietojen käsittelyä, pintatutkimuksen tulosten analysointia ja näyttöä.

Kuten näette, mikroskoopin rakenne on melko yksinkertainen. Suurin kiinnostava on anturin vuorovaikutus tutkittavan pinnan kanssa. Se on tietyn skannauskoetinmikroskoopin käyttämä vuorovaikutustyyppi, joka määrittää sen ominaisuudet ja laajuuden. (dia) Kuten nimestä voi päätellä, yksi pyyhkäisyanturimikroskoopin pääelementeistä on anturi. Kaikkien pyyhkäisyanturimikroskooppien yhteinen piirre on menetelmä, jolla saadaan tietoa tutkittavan pinnan ominaisuuksista. Mikroskooppinen koetin lähestyy pintaa, kunnes koettimen ja näytteen välille muodostuu tietyntyyppisten vuorovaikutusten tasapaino, minkä jälkeen suoritetaan skannaus.

Pyyhkäisytunnelimikroskooppi (STM), sen rakenne ja toimintaperiaate

Ensimmäinen SPM-prototyyppi oli pyyhkäisytunnelimikroskooppi (STM), joka keksittiin vuonna 1981. IBM:n Zürichin tutkimuslaboratorion tutkijat Gerhard Binnig ja Heinrich Röhrer. Sen avulla saatiin ensimmäistä kertaa todellisia kuvia pinnoista atomiresoluutiolla, erityisesti 7x7-rekonstruktio piipinnalle (kuva 2).

Kuva 3 STM-kuva yksikiteisen piin pinnasta. Jälleenrakennus 7 x 7

Kaikki tällä hetkellä tunnetut SPM-menetelmät voidaan jakaa ehdollisesti kolmeen pääryhmään:

– pyyhkäisytunnelimikroskopia; STM käyttää anturina terävää johtavaa neulaa

Jos kärjen ja näytteen väliin kohdistetaan esijännite, neulan kärjen lähestyessä näytettä noin 1 nm:n etäisyydellä niiden välille syntyy tunnelointivirta, jonka suuruus riippuu etäisyydestä "neula-näyte". ", ja suunta riippuu jännitteen napaisuudesta (kuva 4). Kun neulan kärki siirtyy pois tutkittavasta pinnasta, tunnelointivirta pienenee ja sitä lähestyttäessä kasvaa. Siten käyttämällä tietoa tunnelointivirrasta tietyissä pintapisteissä on mahdollista muodostaa kuva pinnan topografiasta.

Kuva 4 Kaavio tunnelointivirran esiintymisestä.

– atomivoimamikroskopia; se rekisteröi muutokset neulan vetovoimassa pintaan pisteestä toiseen. Neula sijaitsee ulokepalkin (ulokepalkin) päässä, jolla on tunnettu jäykkyys ja joka pystyy taipumaan pienten van der Waalsin voimien vaikutuksesta, jotka syntyvät tutkittavan pinnan ja kärjen kärjen välillä. Ulokkeen muodonmuutos kirjataan sen takapinnalle osuvan lasersäteen taipumana tai pietsoresistiivisenä vaikutuksena, joka esiintyy itse ulokkeessa taivutuksen aikana;

– lähikentän optinen mikroskopia; siinä anturi on optinen aaltoputki (optinen kuitu), joka kapenee näytettä kohti olevasta päästä halkaisijaan, joka on pienempi kuin valon aallonpituus. Tässä tapauksessa valoaalto ei poistu aaltoputkesta pitkälle matkalle, vaan vain vähän "putoaa" sen kärjestä. Aaltoputken toiseen päähän asennetaan laser ja vapaasta päästä heijastuneen valon vastaanotin. Pienellä etäisyydellä tutkittavan pinnan ja anturin kärjen välillä heijastuneen valon aallon amplitudi ja vaihe muuttuvat, mikä on signaali, jota käytetään pinnasta kolmiulotteisen kuvan rakentamiseen.

Tunnelointivirrasta tai neulan ja pinnan välisestä etäisyydestä riippuen pyyhkäisytunnelointimikroskoopin kaksi toimintatapaa ovat mahdollisia. Vakiokorkeustilassa neulan kärki liikkuu vaakatasossa näytteen yläpuolella ja tunnelointivirta muuttuu riippuen etäisyydestä siihen (kuva 5a). Tässä tapauksessa informaatiosignaali on tunnelointivirran arvo mitattuna näytepinnan jokaisessa pyyhkäisypisteessä. Saatujen tunnelin virran arvojen perusteella muodostetaan kuva topografiasta.

Riisi. Kuva 5. STM-toimintakaavio: a - vakiokorkeustilassa; b - tasavirtatilassa

Vakiovirtatilassa mikroskoopin takaisinkytkentäjärjestelmä varmistaa tunnelointivirran pysyvyyden säätämällä "neula-näyte" -etäisyyttä jokaisessa skannauspisteessä (kuva 5b). Se tarkkailee tunnelin virran muutoksia ja ohjaa skanneriin kohdistettua jännitettä näiden muutosten kompensoimiseksi. Toisin sanoen virran kasvaessa takaisinkytkentäjärjestelmä siirtää anturin poispäin näytteestä, ja kun se pienenee, se tuo sen lähemmäksi. Tässä tilassa kuva rakennetaan skannauslaitteen pystysuuntaisen liikkeen määrää koskevien tietojen perusteella.

Molemmilla tavoilla on hyvät ja huonot puolensa. Vakiokorkeustilassa saat tuloksia nopeammin, mutta vain suhteellisen tasaisilla pinnoilla. Vakiovirtatilassa epäsäännölliset pinnat voidaan mitata suurella tarkkuudella, mutta mittaukset kestävät kauemmin.

Korkean herkkyyden ansiosta skannaavat tunnelointimikroskoopit ovat antaneet ihmiskunnalle mahdollisuuden nähdä johtimien ja puolijohteiden atomit. Mutta suunnittelun rajoitusten vuoksi on mahdotonta saada kuvaa johtamattomista materiaaleista STM:llä. Lisäksi tunnelimikroskoopin laadukkaan toiminnan kannalta on täytettävä useita erittäin tiukkoja ehtoja, erityisesti tyhjiökäyttö ja erityinen näytteen valmistelu. Näin ollen, vaikka ei voida sanoa, että Binnigin ja Röhrerin ensimmäinen pannukakku olisi muodostunut möykkyiseksi, tuote tuli hieman kosteaksi.

Viisi vuotta on kulunut ja Gerhard Binning yhdessä Calvin Quaytin ja Christopher Gerberin kanssa keksi uudentyyppisen mikroskoopin, jota he kutsuivat atomivoimamikroskoopiksi (AFM), jota varten samassa 1986. G. Binnig ja H. Röhrer saivat fysiikan Nobel-palkinnon. Uusi mikroskooppi ohitti edeltäjänsä rajoitukset. AFM:n avulla on mahdollista saada kuvia sekä johtavien että johtamattomien materiaalien pinnasta atomiresoluutiolla, lisäksi ilmakehän olosuhteissa. Atomivoimamikroskooppien lisäetu on kyky visualisoida niiden sähköiset, magneettiset, elastiset ja muut ominaisuudet sekä pintatopografiamittaukset.

Atomivoimamikroskooppi (AFM), sen rakenne ja toimintaperiaate

ACM:n tärkein komponentti (Atomivoimamikroskooppi) ovat skannausantureita - ulokkeita, mikroskoopin ominaisuudet riippuvat suoraan ulokkeen ominaisuuksista.

Uloke on joustava palkki (175x40x4 mikronia - keskiarvotettu data), jolla on tietty jäykkyyskerroin k(10-3 - 10 N/m), jonka päässä on mikroneula (kuva 1). Kaarevuussäteen alue R neulan kärki AFM:n kehittyessä muuttui 100:sta 5 nm:iin. Ilmeisesti vähenemällä R Mikroskoopin avulla voit saada kuvia korkeammalla resoluutiolla. Neulan kärjen kulma a on myös tärkeä anturin ominaisuus, josta kuvan laatu riippuu. a eri ulokkeissa vaihtelee 200:sta 700:aan, ei ole vaikeaa olettaa, että mitä vähemmän a, sitä parempi tuloksena olevan kuvan laatu.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image007_32.gif" width="113 height=63" height="63">,

siis parantamaan w0 ulokkeen pituus (josta jäykkyyskerroin riippuu) on usean mikronin luokkaa ja massa ei ylitä 10-10 kg. Erilaisten ulokkeiden resonanssitaajuudet vaihtelevat välillä 8 - 420 kHz.

AFM-skannausmenetelmä on seuraava (kuva 2) : anturin kärki on näytteen pinnan yläpuolella, kun taas koetin liikkuu suhteessa näytteeseen, kuten säde television katodisädeputkessa (rivi-linja-skannaus). Anturin pintaan (joka taipuu näytteen maiseman mukaan) suunnattu lasersäde heijastuneena osuu valoilmaisimeen, joka kiinnittää säteen taipuman. Tässä tapauksessa neulan taipuminen skannauksen aikana johtuu näytteen pinnan ja sen kärjen välisestä atomien välisestä vuorovaikutuksesta. Valodetektorin signaalien tietokonekäsittelyn avulla on mahdollista saada kolmiulotteisia kuvia tutkittavan näytteen pinnasta.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Riisi. 8. Atomien välisen vuorovaikutuksen voimakkuuden riippuvuus kärjen ja näytteen välisestä etäisyydestä

Anturin vuorovaikutusvoimat pinnan kanssa on jaettu lyhyen ja pitkän kantaman voimaksi. Lyhyen kantaman voimat syntyvät luokkaa 1-10 A, kun neulan kärjen ja pinnan atomien elektronikuoret menevät päällekkäin ja pienenevät nopeasti etäisyyden kasvaessa. Vain muutama atomi (rajassa) neulan kärjestä joutuu lyhyen kantaman vuorovaikutukseen pintaatomien kanssa. Kun kuvaat pintaa käyttämällä tämäntyyppistä voimaa, AFM toimii kosketustilassa.

On kosketusskannaustila, jossa anturin kärki koskettaa näytteen pintaa, jaksottainen - anturi koskettaa ajoittain näytteen pintaa skannauksen aikana, ja kosketukseton, kun koetin on muutaman nanometrin päässä skannatusta pinnasta. (jälkimmäistä skannaustilaa käytetään harvoin, koska anturin ja näytteen välisiä vuorovaikutusvoimia on käytännössä vaikea sietää).

STM-ominaisuudet

STM opetettiin paitsi erottamaan yksittäiset atomit, myös määrittämään niiden muodon.
Monet ihmiset eivät ole vielä täysin ymmärtäneet, että pyyhkäisytunnelimikroskoopit (STM) pystyvät tunnistamaan yksittäisiä atomeja, sillä seuraava askel on jo otettu: nyt on tullut mahdolliseksi määrittää jopa lomakkeita yksittäinen atomi todellisessa avaruudessa (tarkemmin sanottuna elektronitiheyden jakautumismuoto atomiytimen ympärillä).

Lähikenttäoptinen mikroskooppi, sen rakenne ja toimintaperiaate

Optinen lähikenttämikroskopia; siinä anturi on optinen aaltoputki (optinen kuitu), joka kapenee näytettä kohti olevasta päästä halkaisijaan, joka on pienempi kuin valon aallonpituus. Tässä tapauksessa valoaalto ei poistu aaltoputkesta pitkälle matkalle, vaan vain vähän "putoaa" sen kärjestä. Aaltoputken toiseen päähän asennetaan laser ja vapaasta päästä heijastuneen valon vastaanotin. Pienellä etäisyydellä tutkittavan pinnan ja anturin kärjen välillä heijastuneen valon aallon amplitudi ja vaihe muuttuvat, mikä on signaali, jota käytetään pinnasta kolmiulotteisen kuvan rakentamiseen.

Jos pakotat valon kulkemaan halkaisijaltaan 50-100 nm olevan kalvon läpi ja tuot sen lähemmäksi useiden kymmenien nanometrien etäisyyttä tutkittavan näytteen pintaan, niin siirtämällä sellainen " " pinnan poikki pisteestä pisteeseen (ja jolla on riittävän herkkä ilmaisin), voit tutkia tämän näytteen optisia ominaisuuksia reiän kokoa vastaavalta paikalliselta alueelta.

Näin skannaava lähikenttäoptinen mikroskooppi (SNOM) toimii. Reiän (aliaallonpituuskalvon) tehtävänä on yleensä optinen kuitu, jonka toinen pää on terävä ja peitetty ohuella metallikerroksella kaikkialla paitsi pientä aluetta kärjen kärjessä (läpimitta). "pölytön" alue on vain 50-100 nm). Toisesta päästä laserin valo tulee tällaiseen valonohjaimeen.

joulukuuta 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">joulukuussa 2005 ja on yksi Venäjän valtionyliopiston fysiikan tiedekunnan nanoteknologian laitoksen peruslaboratorioista. Laboratoriossa on 4 sarjaa NT-MDT (Zelenograd, Venäjä) erityisesti laboratoriotyöskentelyä varten kehittämästä NanoEducator-skannauskoettimikroskoopista... Laitteet on suunnattu opiskelijayleisölle: niitä ohjataan täysin tietokoneella, niissä on yksinkertainen ja intuitiivinen käyttöliittymä, animaatio tukea ja vaativat vaiheittaista tekniikoiden hallintaa.

Kuva 10 Pyyhkäisykoetinmikroskooppilaboratorio

Pyyhkäisyanturimikroskopian kehitys toimi perustana uuden nanoteknologia-alueen - koetin nanoteknologian - kehitykselle.

Kirjallisuus

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space, Phys. Rev. Lett. 1983 Voi. 50, nro 2. S. 120-123. Tämä kuuluisa julkaisu avasi STM:n aikakauden.

2. http://www. *****/education/stsoros/1118.html

3. http://ru. wikipedia. org

4. http://www. *****/SPM-Techniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Near-field_Microscopy_mode94.html

5. http://scireg. *****.

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

SKANNAUSANTURIMIKROSKOOPIT: TYYPIT JA TOIMINTAPERIAATE

Kuvaytsev Aleksanteri Vjatšeslavovitš
Dimitrovgrad Institute of Engineering and Technology Branch National Research Nuclear University "MEPhI"
opiskelija-

huomautus
Tässä artikkelissa kuvataan anturimikroskoopin toimintaperiaate. Tämä on pohjimmiltaan uusi teknologia, joka voi ratkaista ongelmia sellaisilla eri aloilla kuin viestintä, biotekniikka, mikroelektroniikka ja energia. Nanoteknologia mikroskopiassa vähentää merkittävästi resurssien kulutusta eikä aiheuta paineita ympäristölle, sillä niillä on johtava rooli ihmiskunnan elämässä, koska esimerkiksi tietokoneesta on tullut olennainen osa ihmisten elämää.

SKANNAUSANTURIMIKROSKOPIA: TYYPIT JA TOIMINTAPERIAATTEET

Kuvaytsev Aleksandr Vjatšeslavovitš
National Research Nuclear University MEPHI:n Dimitrovgradin insinööri- ja teknologiainstituutti
opiskelija-

Abstrakti
Tässä artikkelissa kuvataan anturimikroskoopin periaate. Se on uusi teknologia, joka voi ratkaista ongelmia sellaisilla eri aloilla kuin viestintä, biotekniikka, mikroelektroniikka ja energia. Nanoteknologia mikroskopiassa vähentää merkittävästi resurssien kulutusta eikä aiheuta paineita ympäristölle, sillä ne ovat johtavassa asemassa ihmisten elämässä, koska esimerkiksi tietokoneesta on tullut olennainen osa ihmisten elämää.

2000-luvulla nanoteknologiat ovat saamassa nopeasti suosiota, joka tunkeutuu kaikille elämämme alueille, mutta niissä ei olisi edistystä ilman uusia, kokeellisia tutkimusmenetelmiä, yksi informatiivisimmista on skannauskoettimikroskoopin menetelmä, joka sen keksivät ja jakelivat Nobel-palkitut vuonna 1986 - prof. Heinrich Rohrer ja tohtori Gerd Binnig.

Todellinen vallankumous tapahtui maailmassa, kun atomien visualisointimenetelmiä syntyi. Harrastajaryhmiä alkoi ilmestyä, jotka suunnittelivat omia laitteitaan. Tuloksena saatiin useita onnistuneita ratkaisuja, joilla visualisoitiin anturin ja pinnan vuorovaikutuksen tulokset. Luotiin teknologiat tarvittavilla parametreilla varustettujen koettimien valmistamiseksi.

Joten mikä on anturimikroskooppi? Ensinnäkin tämä on itse koetin, joka tutkii näytteen pintaa, tarvitaan myös järjestelmä, jolla koetinta siirretään suhteessa näytteeseen kaksi- tai kolmiulotteisessa esityksessä (liikkuu X-Y- tai X-Y-Z-koordinaatteja pitkin). Kaikkea tätä täydentää tallennusjärjestelmä, joka kiinnittää funktion arvon, joka riippuu etäisyydestä anturin ja näytteen välillä. Rekisteröintijärjestelmä kiinnittää ja muistaa yhden koordinaatin arvon.

Pyyhkäisyanturimikroskooppien päätyypit voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

1. Pyyhkäisytunnelointimikroskooppi - suunniteltu mittaamaan johtavien pintojen kohokuviota korkealla tilaresoluutiolla.
   STM:ssä terävä metallineula viedään näytteen yli hyvin lyhyeltä etäisyydeltä. Kun neulaan johdetaan pieni virta, sen ja näytteen välille syntyy tunnelointivirta, jonka arvon tallennusjärjestelmä tallentaa. Neula johdetaan koko näytteen pinnan yli ja se vangitsee pienimmänkin muutoksen tunnelivirrassa, minkä ansiosta näytteen pinnasta syntyy kohokartta. STM on ensimmäinen pyyhkäisykoettimikroskooppien luokassa, loput kehitettiin myöhemmin.
2. Pyyhkäisevä atomivoimamikroskooppi - käytetään näytteen pintarakenteen rakentamiseen atomien resoluutiolla. Toisin kuin STM, tätä mikroskooppia voidaan käyttää sekä johtavien että johtamattomien pintojen tutkimiseen. Koska kyky ei vain skannata, vaan myös manipuloida atomeja, sitä kutsutaan tehoksi.
3. Lähikentän optinen mikroskooppi on "edistynyt" optinen mikroskooppi, joka tarjoaa paremman resoluution kuin perinteinen optinen mikroskooppi. BOM:n resoluution kasvu saavutettiin sieppaamalla valoa tutkittavasta kohteesta aallonpituutta pienemmiltä etäisyyksiltä. Jos mikroskoopin koetin on varustettu laitteella spatiaalisen kentän skannaamiseen, niin tällaista mikroskooppia kutsutaan lähikentän pyyhkäiseväksi optiseksi mikroskoopiksi. Tällaisella mikroskoopilla on mahdollista saada kuvia pinnoista erittäin korkealla resoluutiolla.

Kuvassa (kuva 1) näkyy yksinkertaisin kaavio koetinmikroskoopista.

Kuva 1. - Koetinmikroskoopin toimintakaavio

Sen toiminta perustuu näytepinnan vuorovaikutukseen anturin kanssa, se voi olla uloke, neula tai optinen anturi. Pienellä etäisyydellä anturin ja tutkimuskohteen välillä voidaan rekisteröintityökaluilla tallentaa vuorovaikutusvoimien vaikutukset, kuten hylkiminen, vetovoima jne., sekä vaikutusten ilmenemismuotoja, kuten elektronitunnelointi. Näiden voimien havaitsemiseen käytetään erittäin herkkiä antureita, jotka voivat havaita pienimmätkin muutokset. Pietsoputkia tai tasorinnakkaisskannereita käytetään koordinaattiskannausjärjestelmänä rasterikuvan saamiseksi.

Tärkeimmät tekniset vaikeudet skannauskoetinmikroskooppien luomisessa ovat:

1. Mekaanisen eheyden varmistaminen
2. Ilmaisimien herkkyyden tulee olla suurin
3. Anturin päässä on oltava vähimmäismitta
4. Luo pyyhkäisyjärjestelmä
5. Anturin tasaisuuden varmistaminen

Lähes aina pyyhkäisykoetinmikroskoopilla saatua kuvaa on vaikea tulkita tulosten saamisen vääristymien vuoksi. Yleensä tarvitaan matemaattista lisäkäsittelyä. Tätä varten käytetään erikoisohjelmistoa.

Tällä hetkellä pyyhkäisykoetinta ja elektronimikroskopiaa käytetään toisiaan täydentävinä tutkimusmenetelminä useiden fysikaalisten ja teknisten ominaisuuksien vuoksi. Anturimikroskopian käyttö on viime vuosina mahdollistanut ainutlaatuisen tieteellisen tutkimuksen tekemisen fysiikan, kemian ja biologian aloilla. Ensimmäiset mikroskoopit olivat vain laitteita - indikaattoreita, jotka auttoivat tutkimuksessa, ja nykyaikaiset näytteet ovat täysimittaisia ​​työasemia, joissa oli jopa 50 erilaista tutkimusmenetelmää.

Tämän edistyneen tekniikan päätehtävänä on saada tieteellisiä tuloksia, mutta näiden laitteiden ominaisuuksien soveltaminen käytännössä vaatii korkeaa pätevyyttä asiantuntijalta.

Pietsosähköisten mikrosiirtymäskannerien tutkimus.

Tavoite: tutkimus fysikaalisista ja teknisistä periaatteista, joilla varmistetaan esineiden mikrosiirtymät pyyhkäisykoettimikroskoopissa, toteutettu pietsosähköisillä skannereilla

Johdanto

SPM (Scanning Probe Microscopy) on yksi tehokkaimmista nykyaikaisista menetelmistä kiinteän pinnan ominaisuuksien tutkimiseen. Tällä hetkellä lähes mikään pintafysiikan ja mikroteknologian tutkimus ei ole täydellistä ilman SPM-menetelmien käyttöä.

Pyyhkäisyanturimikroskopian periaatteita voidaan käyttää perustana kehitettäessä teknologiaa nanomittakaavan solid-state-rakenteiden (1 nm = 10 A) luomiseksi. Ensimmäistä kertaa ihmisen tekemien esineiden luomisen teknologisessa käytännössä nostetaan esille kysymys atomikokoonpanon periaatteiden käytöstä teollisuustuotteiden valmistuksessa. Tällainen lähestymistapa avaa mahdollisuuksia toteuttaa laitteita, jotka sisältävät hyvin rajallisen määrän yksittäisiä atomeja.

Sveitsiläiset tutkijat G. Binnig ja G. Rohrer keksivät vuonna 1981 pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM), joka on ensimmäinen koetinmikroskooppiperheestä. He osoittivat työssään, että tämä on melko yksinkertainen ja erittäin tehokas tapa tutkia pintaa korkealla avaruudellisella resoluutiolla atomijärjestykseen asti. Tämä tekniikka sai todellista tunnustusta useiden materiaalien pinnan ja erityisesti rekonstruoidun piipinnan atomirakenteen visualisoinnin jälkeen. Vuonna 1986 G. Binnig ja G. Poper saivat fysiikan Nobelin palkinnon tunnelimikroskoopin luomisesta. Tunnelointimikroskoopin jälkeen atomivoimamikroskooppi (AFM), magneettinen voimamikroskooppi (MSM), sähkövoimamikroskooppi (ESM), lähikenttäoptinen mikroskooppi (NOM) ja monet muut laitteet, joilla on samanlainen toimintaperiaate ja ns. skannauskoetinmikroskoopit.

1. Pyyhkäisyanturimikroskooppien yleiset toimintaperiaatteet

Pyyhkäisyanturimikroskoopeissa pinnan mikroreljeefin ja paikallisten ominaisuuksien tutkimus tehdään käyttämällä erityisesti valmistettuja neulatyyppisiä koettimia. Tällaisten koettimien (pisteiden) työosan kaarevuussäteen mitat ovat kymmenen nanometrin luokkaa. Anturin ja näytteen pinnan välinen tunnusomainen etäisyys koetinmikroskoopeissa on suuruusjärjestyksessä 0,1 – 10 nm.

Anturin mikroskooppien toiminta perustuu erilaisiin fysikaalisiin vuorovaikutuksiin anturin ja näytteen pinnan atomien kanssa. Näin ollen tunnelointimikroskoopin toiminta perustuu ilmiöön, jossa metallineulan ja johtavan näytteen välillä kulkee tunnelointivirta; atomivoima-, magneettivoima- ja sähkövoimamikroskooppien toiminnan taustalla on erilaisia ​​voimavuorovaikutuksia.

Tarkastellaanpa erilaisten koetinmikroskooppien yhteisiä piirteitä. Olkoon mittapään vuorovaikutus pinnan kanssa karakterisoitava jollain parametrilla R. Jos parametrista on riittävän terävä ja yksi-yhteen riippuvuus R anturin ja näytteen etäisyydeltä P = P(z), tämän parametrin avulla voidaan järjestää palautejärjestelmä (FS), joka ohjaa anturin ja näytteen välistä etäisyyttä. Kuvassa Kuva 1 esittää kaavamaisesti pyyhkäisykoettimikroskoopin palautteen järjestämisen yleistä periaatetta.

Riisi. 1. Kaavio koetinmikroskoopin takaisinkytkentäjärjestelmästä

Palautejärjestelmä säilyttää parametrin arvon R vakio, yhtä suuri Ro operaattorin asettama. Jos anturin pinnan etäisyys muuttuu (esimerkiksi kasvaa), parametrissa tapahtuu muutos (lisäys) R. OS-järjestelmässä muodostuu arvoon verrannollinen erosignaali. P= P - Po, joka vahvistetaan haluttuun arvoon ja syötetään IE:n käyttöelementtiin. Toimielin käsittelee tätä erosignaalia siirtämällä mittapäätä lähemmäs pintaa tai siirtämällä sitä poispäin, kunnes erosignaali muuttuu nollaksi. Tällä tavoin mittapään ja näytteen välinen etäisyys voidaan säilyttää suurella tarkkuudella. Olemassa olevissa koetinmikroskoopeissa mittapään ja pinnan välisen etäisyyden pitämisen tarkkuus on ~0,01 Å. Kun koetin liikkuu näytteen pintaa pitkin, vuorovaikutusparametri muuttuu R pinnan topografian vuoksi. OS-järjestelmä käsittelee nämä muutokset niin, että anturin liikkuessa X,Y-tasossa, toimielimen signaali osoittautuu verrannolliseksi pinnan topografiaan.

SPM-kuvan saamiseksi suoritetaan erityisesti organisoitu näytteen skannausprosessi. Pyyhkäisyssä koetin liikkuu ensin näytteen yli tiettyä linjaa pitkin (viivaskannaus), kun taas toimielimen signaalin pintatopografiaan verrannollinen arvo tallennetaan tietokoneen muistiin. Sitten anturi palaa aloituspisteeseen ja siirtyy seuraavalle skannausriville (kehysskannaus), ja prosessi toistetaan uudelleen. Tällä tavalla skannauksen aikana tallennettu palautesignaali käsitellään tietokoneella ja sitten pintatopografian SPM-kuva Z = f(x,y) rakennettu tietokonegrafiikalla. Pintatopografian tutkimuksen ohella koetinmikroskoopit mahdollistavat erilaisten pintaominaisuuksien tutkimisen: mekaaniset, sähköiset, magneettiset, optiset ja monet muut.