Pemindaian mikroskop probe

Prinsip fisik dasar pemindaian mikroskop probe:

Sebuah fitur umum dari semua mikroskop probe pemindaian (dan mendefinisikan namanya) adalah adanya probe mikroskopis, yang dibawa ke dalam kontak (tidak selalu kontak mekanis) dengan permukaan yang diteliti dan, selama pemindaian, bergerak di atas area tertentu dari permukaan dengan ukuran tertentu.

Kontak probe dan sampel menyiratkan interaksi mereka. Salah satu interaksi yang berfungsi dipilih. Sifat interaksi yang dipilih ini menentukan apakah perangkat tersebut termasuk dalam satu atau jenis lain dalam keluarga mikroskop probe. Informasi permukaan diambil dengan menangkap (menggunakan sistem umpan balik) atau dengan mendeteksi interaksi antara probe dan sampel.

Dalam mikroskop terowongan, interaksi ini memanifestasikan dirinya dalam aliran arus searah dalam kontak terowongan. Mikroskop gaya atom didasarkan pada interaksi probe dan sampel dengan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak. Kita dapat menyebutkan jenis mikroskop probe seperti mikroskop gaya magnet (probe dan sampel berinteraksi dengan gaya magnet), mikroskop medan dekat (sifat optik sampel dideteksi melalui diafragma mini yang terletak di zona dekat objek). sumber foton), mikroskop gaya polarisasi (sampel berinteraksi dengan probe bermuatan konduktif), dll.

Tunneling, mikroskop penyelidikan kekuatan atom, mikroskop optik medan dekat. Kemungkinan informatif dan resolusi spasial.

Terowongan: Prinsip pengoperasian mikroskop tunneling didasarkan pada perjalanan elektron melalui penghalang potensial, yang dibentuk oleh pemutusan sirkuit listrik - celah kecil antara titik mikro penyelidik dan permukaan sampel. Pengoperasian perangkat didasarkan pada fenomena tunneling elektron (efek tunneling) yang terkenal. Tegangan listrik diterapkan antara ujung logam dan permukaan konduktor yang diteliti (nilai tegangan khas: dari satuan mV ke V) dan ujung dibawa lebih dekat ke permukaan sampel sampai arus terowongan muncul. Gambar stabil dari banyak permukaan dapat diperoleh dengan arus tunneling 10-9 A, mis. dalam 1 nA. Dalam hal ini, ujungnya dekat dengan permukaan pada jarak sepersekian nanometer. Untuk mendapatkan gambar permukaan, ujung logam dipindahkan di atas permukaan sampel, mempertahankan nilai arus terowongan yang konstan. Dalam hal ini, lintasan ujung pada dasarnya bertepatan dengan profil permukaan, ujungnya mengelilingi perbukitan dan menelusuri depresi. Bagian penting dari mikroskop tunneling pemindaian adalah manipulator mekanis, yang memastikan pergerakan probe di atas permukaan dengan akurasi seperseribu nanometer. Secara tradisional, manipulator mekanik terbuat dari bahan piezoceramic.

kekuatan atom: Dalam mikroskop gaya atom, interaksi adalah interaksi gaya antara probe dan sampel. resolusi atom pada permukaan konduktif dan non-konduktif. Dalam kasus studi permukaan yang tidak bermuatan di atmosfer alami (di udara), kontribusi utama pada interaksi gaya antara probe dan sampel dibuat oleh: gaya tolak yang disebabkan oleh kontak mekanis atom ekstrem probe dan sampel, gaya van der Waals, serta gaya kapiler yang terkait dengan keberadaan film adsorbat (air) pada permukaan sampel.

Pembagian AFM menurut metode pengukuran dan penetapan interaksi gaya antara probe dan sampel memungkinkan untuk membedakan dua kasus utama: mikroskop gaya atom kontak dan AFM kontak terputus-putus.

Mikroskop optik medan dekat: gambar optik dengan resolusi longitudinal 50 nm. Memberikan resolusi yang lebih baik daripada mikroskop optik konvensional. Meningkatkan resolusi BOM dicapai dengan mendeteksi hamburan cahaya dari objek yang diteliti pada jarak yang lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Jika probe (detektor) mikroskop medan dekat dilengkapi dengan perangkat pemindaian spasial, maka perangkat semacam itu disebut mikroskop optik pemindaian jarak dekat. Mikroskop semacam itu memungkinkan untuk memperoleh gambar raster dari permukaan dan objek dengan resolusi di bawah batas difraksi.

Jika kita mengambil sebagai probe diafragma mini dengan lubang beberapa nanometer - lubang, maka, sesuai dengan hukum optik gelombang, cahaya tampak (dengan panjang gelombang beberapa ratus nanometer) menembus lubang sekecil itu, tetapi tidak jauh, tetapi pada jarak yang sebanding dengan ukuran lubang. Jika sampel ditempatkan dalam jarak ini, dalam apa yang disebut "bidang dekat", cahaya yang tersebar darinya akan direkam. Dengan menggerakkan diafragma di dekat sampel, seperti pada mikroskop tunneling, kami memperoleh gambar raster dari permukaan. Kemudian, mikroskop medan dekat dikembangkan yang tidak menggunakan bukaan - SNOM tanpa bukaan.

Keunikan mikroskop optik jarak dekat dibandingkan dengan metode pemindaian lainnya terletak pada kenyataan bahwa gambar dibangun langsung dalam rentang optik, termasuk cahaya tampak, tetapi resolusinya berkali-kali lebih tinggi daripada resolusi sistem optik tradisional.

(Sebuah serat optik dengan diafragma mini digunakan sebagai probe. Saat memindai sampel, manipulator menggerakkan diafragma di dekat permukaan. Radiasi sumber laser, melewati diafragma, menyinari permukaan yang diteliti. Tersebar atau kembali cahaya yang dipancarkan direkam dalam mikroskop desain ini.Sebagai akibat dari fakta bahwa hamburan cahaya terjadi di zona dekat (pada jarak dari diafragma pemancar kurang dari panjang gelombang cahaya), adalah mungkin untuk mengatasi keterbatasan mendasar dari mikroskop optik konvensional dalam hal resolusi: detail permukaan berukuran puluhan nanometer menjadi terlihat.)

Elemen dasar mikroskop probe pemindaian.

Kantilever, probe (satu untuk setiap mikroskop), manipulator mekanik, laser, fotodioda, sistem umpan balik. Dalam istilah sederhana: probe, sistem gerakan, sistem perekaman.

Aplikasi dalam studi objek nano dan pengukuran linier dalam rentang nano.

Demonstrasi yang paling mencolok dari kemungkinan arah eksperimental ini dalam studi permukaan padat dapat berupa: hasil visualisasi langsung dari rekonstruksi permukaan, manipulasi atom individu untuk merekam informasi dengan kerapatan rekaman, studi tentang efek lokal permukaan. cacat pada struktur pita sampel, dll.

Kemungkinan baru dari arah ini dibandingkan dengan metode tradisional penyelidikan permukaan membuat sangat menjanjikan penggunaan mikroskop probe (khususnya, mikroskop kekuatan atom (AFM) untuk mempelajari bahan biologis dan organik. Kemajuan yang signifikan juga telah dibuat di jalur ini baru-baru ini. Secara khusus, sehubungan dengan penelitian asam nukleat, kita dapat menyebutkan hasil seperti visualisasi molekul DNA individu dan studi keadaan konformasi mereka dalam media cair, pengukuran langsung gaya interaksi nukleotida komplementer, dan visualisasi real-time dari proses interaksi antara DNA dan protein.

Universitas Pedagogis Negeri Karelia

Pemindaian mikroskop probe

Dibuat oleh: Barbara O.

554 gram. (2007)

Pemindaian mikroskop probe (SPM), struktur dan prinsip operasinya

Scanning probe microscopy (SPM)- salah satu metode modern yang kuat untuk mempelajari morfologi dan sifat lokal permukaan benda padat dengan resolusi spasial tinggi

Meskipun berbagai jenis dan aplikasi mikroskop pemindaian modern, operasinya didasarkan pada prinsip yang sama, dan desainnya sedikit berbeda satu sama lain. pada gambar. 1 menunjukkan skema umum dari mikroskop probe pemindaian (SPM).

Gbr.1 Skema umum dari mikroskop probe pemindaian (SPM).

Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut. Menggunakan sistem penentuan posisi kasar, probe pengukur dibawa ke permukaan sampel uji. Ketika sampel dan probe mendekat pada jarak kurang dari ratusan nm, probe mulai berinteraksi dengan struktur permukaan dari permukaan yang dianalisis. Pergerakan probe di sepanjang permukaan sampel dilakukan menggunakan perangkat pemindaian, yang menyediakan pemindaian permukaan dengan jarum probe. Biasanya tabung piezoceramic dengan tiga pasang elektroda terpisah diterapkan pada permukaannya. Di bawah aksi tekanan Ux dan Uy yang diterapkan pada piezotube, ia menekuk, sehingga memastikan pergerakan probe relatif terhadap sampel di sepanjang sumbu X dan Y; di bawah aksi tegangan Uz, ia dikompresi atau diregangkan, yang membuatnya mungkin untuk mengubah jarak jarum-sampel.

Efek piezoelektrik dalam kristal ditemukan pada tahun 1880 oleh saudara P. dan J. Curie, yang mengamati penampakan pada permukaan pelat yang dipotong dengan orientasi tertentu dari kristal kuarsa, muatan elektrostatik di bawah aksi tekanan mekanis. Muatan-muatan ini sebanding dengan tegangan mekanik, berubah tanda dengannya, dan menghilang ketika dihilangkan.

Pembentukan muatan elektrostatik pada permukaan dielektrik dan terjadinya polarisasi listrik di dalamnya sebagai akibat dari tekanan mekanik disebut efek piezoelektrik langsung.

Seiring dengan langsung, ada efek piezoelektrik terbalik, yang terdiri dari fakta bahwa dalam potongan pelat dari kristal piezoelektrik, deformasi mekanis terjadi di bawah aksi medan listrik yang diterapkan padanya; Selain itu, besarnya deformasi mekanis sebanding dengan kuat medan listrik. Efek piezoelektrik diamati hanya dalam dielektrik padat, terutama yang kristal. Dalam struktur yang memiliki pusat simetri, tidak ada deformasi seragam yang dapat mengganggu keseimbangan internal kisi kristal dan, oleh karena itu, hanya 20 kelas kristal yang tidak memiliki pusat simetri yang piezoelektrik. Tidak adanya pusat simetri adalah kondisi yang diperlukan tetapi tidak cukup untuk keberadaan efek piezoelektrik, dan karena itu tidak semua kristal asentrik memilikinya.

Efek piezoelektrik tidak dapat diamati pada dielektrik amorf dan kriptokristalin padat. (Piezoelektrik - kristal tunggal: Kuarsa. Sifat piezoelektrik kuarsa banyak digunakan dalam rekayasa untuk menstabilkan dan menyaring frekuensi radio, menghasilkan getaran ultrasonik, dan mengukur kuantitas mekanik. turmalin. Keuntungan utama dari turmalin adalah nilai koefisien parsial yang lebih besar dibandingkan dengan kuarsa. Karena ini, dan juga karena kekuatan mekanik turmalin yang lebih besar, dimungkinkan untuk memproduksi resonator untuk frekuensi yang lebih tinggi.

Saat ini, turmalin hampir tidak pernah digunakan untuk pembuatan resonator piezoelektrik dan penggunaannya terbatas untuk mengukur tekanan hidrostatik.

garam Rochelle. Elemen piezoelektrik garam Rochelle banyak digunakan pada peralatan yang beroperasi pada kisaran suhu yang relatif sempit, khususnya pada pickup. Namun, saat ini mereka hampir sepenuhnya digantikan oleh elemen piezoelektrik keramik.

Sensor posisi probe terus memantau posisi probe relatif terhadap sampel dan, melalui sistem umpan balik, mengirimkan data tentangnya ke sistem komputer yang mengontrol pergerakan pemindai. Untuk mendaftarkan gaya interaksi probe dengan permukaan, metode biasanya digunakan berdasarkan pencatatan deviasi sinar laser semikonduktor yang dipantulkan dari ujung probe. Dalam mikroskop jenis ini, berkas cahaya yang dipantulkan jatuh ke pusat fotodioda dua atau empat bagian yang terhubung dalam rangkaian diferensial. Sistem komputer selain berfungsi untuk mengendalikan pemindai juga untuk mengolah data dari probe, menganalisis dan menampilkan hasil pemeriksaan permukaan.

Seperti yang Anda lihat, struktur mikroskop cukup sederhana. Yang menarik adalah interaksi probe dengan permukaan yang diteliti. Ini adalah jenis interaksi yang digunakan oleh mikroskop probe pemindaian tertentu yang menentukan kemampuan dan cakupannya. (slide) Sesuai dengan namanya, salah satu elemen utama dari mikroskop probe pemindaian adalah probe. Sebuah fitur umum dari semua mikroskop probe pemindaian adalah metode memperoleh informasi tentang sifat-sifat permukaan yang diteliti. Probe mikroskopis mendekati permukaan sampai keseimbangan interaksi sifat tertentu terbentuk antara probe dan sampel, setelah itu pemindaian dilakukan.

Scanning tunneling microscope (STM), struktur dan prinsip operasinya

Prototipe SPM pertama adalah scanning tunneling microscope (STM), ditemukan pada tahun 1981. ilmuwan dari laboratorium penelitian IBM di Zurich, Gerhard Binnig dan Heinrich Röhrer. Dengan bantuannya, gambar nyata dari permukaan dengan resolusi atom diperoleh untuk pertama kalinya, khususnya, rekonstruksi 7x7 pada permukaan silikon (Gbr. 2).

Gbr.3 Gambar STM dari permukaan silikon kristal tunggal. Rekonstruksi 7 x 7

Semua metode SPM yang diketahui saat ini dapat dibagi secara kondisional menjadi tiga kelompok utama:

– pemindaian mikroskop tunneling; STM menggunakan jarum penghantar tajam sebagai probe

Jika tegangan bias diterapkan antara ujung dan sampel, maka ketika ujung jarum mendekati sampel pada jarak sekitar 1 nm, arus tunneling muncul di antara mereka, yang besarnya tergantung pada jarak "jarum-sampel ", dan arahnya tergantung pada polaritas tegangan (Gbr. 4). Saat ujung jarum bergerak menjauh dari permukaan yang diteliti, arus terowongan menurun, dan saat mendekat, arus meningkat. Dengan demikian, dengan menggunakan data arus tunneling pada kumpulan titik permukaan tertentu, dimungkinkan untuk membuat gambar topografi permukaan.

Gbr.4 Skema terjadinya arus tunneling.

- mikroskop kekuatan atom; itu mencatat perubahan gaya tarik jarum ke permukaan dari titik ke titik. Jarum terletak di ujung balok kantilever (kantilever), yang memiliki kekakuan yang diketahui dan mampu menekuk di bawah aksi gaya van der Waals kecil yang muncul antara permukaan yang dipelajari dan ujung ujung. Deformasi kantilever dicatat oleh defleksi insiden sinar laser pada permukaan belakangnya, atau oleh efek piezoresistif yang terjadi pada kantilever itu sendiri selama pembengkokan;

– mikroskop optik medan dekat; di dalamnya, probe adalah pemandu gelombang optik (serat optik), meruncing di ujung yang menghadap sampel dengan diameter kurang dari panjang gelombang cahaya. Dalam hal ini, gelombang cahaya tidak meninggalkan pandu gelombang untuk jarak yang jauh, tetapi hanya sedikit "jatuh" dari ujungnya. Sebuah laser dan penerima cahaya yang dipantulkan dari ujung bebas dipasang di ujung lain dari pandu gelombang. Pada jarak kecil antara permukaan yang diteliti dan ujung probe, amplitudo dan fase gelombang cahaya yang dipantulkan berubah, yang merupakan sinyal yang digunakan untuk membuat gambar tiga dimensi dari permukaan.

Tergantung pada arus tunneling atau jarak antara jarum dan permukaan, dua mode operasi mikroskop tunneling pemindaian dimungkinkan. Dalam mode ketinggian konstan, ujung jarum bergerak dalam bidang horizontal di atas sampel, dan arus terowongan berubah tergantung pada jaraknya (Gbr. 5a). Dalam hal ini, sinyal informasi adalah nilai arus tunneling yang diukur pada setiap titik pemindaian permukaan sampel. Berdasarkan nilai arus terowongan yang diperoleh, gambar topografi dibangun.

Beras. Gambar 5. Skema operasi STM: a - dalam mode ketinggian konstan; b - dalam mode arus searah

Dalam mode arus konstan, sistem umpan balik mikroskop memastikan keteguhan arus tunneling dengan menyesuaikan jarak "jarum-sampel" pada setiap titik pemindaian (Gbr. 5b). Ini memantau perubahan arus terowongan dan mengontrol tegangan yang diterapkan ke pemindai untuk mengkompensasi perubahan ini. Dengan kata lain, saat arus meningkat, sistem umpan balik menggerakkan probe menjauh dari sampel, dan saat menurun, ia mendekatkan probe. Dalam mode ini, gambar dibangun berdasarkan data pada jumlah gerakan vertikal perangkat pemindaian.

Kedua mode tersebut memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Dalam mode ketinggian konstan, Anda bisa mendapatkan hasil lebih cepat, tetapi hanya untuk permukaan yang relatif halus. Dalam mode arus konstan, permukaan tidak beraturan dapat diukur dengan akurasi tinggi, tetapi pengukuran membutuhkan waktu lebih lama.

Memiliki sensitivitas tinggi, mikroskop tunneling pemindaian telah memberi manusia kesempatan untuk melihat atom konduktor dan semikonduktor. Tetapi karena keterbatasan desain, tidak mungkin untuk mendapatkan gambar bahan non-konduktif pada STM. Selain itu, untuk pengoperasian mikroskop tunneling berkualitas tinggi, sejumlah kondisi yang sangat ketat harus dipenuhi, khususnya, pengoperasian dalam ruang hampa dan preparasi sampel khusus. Jadi, meskipun tidak dapat dikatakan bahwa pancake pertama Binnig dan Röhrer ternyata kental, produk yang keluar sedikit lembab.

Lima tahun telah berlalu dan Gerhard Binning, bersama dengan Calvin Quayt dan Christopher Gerber, menemukan jenis mikroskop baru, yang mereka sebut mikroskop gaya atom (AFM), yang pada tahun 1986 sama. G. Binnig dan H. Röhrer dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika. Mikroskop baru menghindari keterbatasan pendahulunya. Menggunakan AFM, dimungkinkan untuk mendapatkan gambar permukaan bahan konduktif dan non-konduktif dengan resolusi atom, apalagi, dalam kondisi atmosfer. Keuntungan tambahan mikroskop gaya atom adalah kemampuan untuk memvisualisasikan sifat listrik, magnetik, elastis, dan lainnya bersama dengan pengukuran topografi permukaan.

Mikroskop gaya atom (AFM), struktur dan prinsip operasinya

Komponen terpenting dari ACM (Mikroskop Gaya Atom) adalah probe pemindaian - kantilever, sifat mikroskop secara langsung bergantung pada sifat kantilever.

Kantilever adalah balok fleksibel (175x40x4 mikron - data rata-rata) dengan koefisien kekakuan tertentu k(10-3 - 10 N/m), di ujungnya ada jarum mikro (Gbr. 1). Rentang radius kelengkungan R ujung jarum dengan perkembangan AFM berubah dari 100 menjadi 5 nm. Jelas, dengan menurun R Mikroskop memungkinkan Anda mendapatkan gambar dengan resolusi lebih tinggi. Sudut titik jarum sebuah juga merupakan karakteristik penting dari probe, di mana kualitas gambar tergantung. sebuah di berbagai kantilever bervariasi dari 200 hingga 700, tidak sulit untuk mengasumsikan bahwa semakin sedikit sebuah, semakin tinggi kualitas gambar yang dihasilkan.

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

jadi untuk meningkatkan w0 panjang kantilever (di mana koefisien kekakuan tergantung) berada pada urutan beberapa mikron, dan massa tidak melebihi 10-10 kg. Frekuensi resonansi dari berbagai kantilever berkisar antara 8 hingga 420 kHz.

Metode pemindaian AFM adalah sebagai berikut (Gambar 2) : ujung probe berada di atas permukaan sampel, sedangkan probe bergerak relatif terhadap sampel, seperti sinar dalam tabung sinar katoda TV (pemindaian baris demi baris). Sinar laser diarahkan pada permukaan probe (yang menekuk sesuai dengan lanskap sampel), dipantulkan, mengenai fotodetektor, yang memperbaiki defleksi sinar. Dalam hal ini, defleksi jarum selama pemindaian disebabkan oleh interaksi interatomik permukaan sampel dengan ujungnya. Dengan bantuan pemrosesan komputer dari sinyal fotodetektor, dimungkinkan untuk memperoleh gambar tiga dimensi dari permukaan sampel yang diteliti.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Beras. 8. Ketergantungan kekuatan interaksi interatomik pada jarak antara ujung dan sampel

Kekuatan interaksi probe dengan permukaan dibagi menjadi jarak pendek dan jarak jauh. Gaya jarak pendek muncul pada jarak orde 1-10 A ketika kulit elektron atom ujung jarum dan permukaan tumpang tindih, dan dengan cepat berkurang dengan bertambahnya jarak. Hanya beberapa atom (dalam batas satu) dari ujung jarum yang masuk ke dalam interaksi jarak pendek dengan atom permukaan. Saat mencitrakan permukaan menggunakan jenis gaya ini, AFM beroperasi dalam mode kontak.

Ada mode pemindaian kontak, ketika ujung probe menyentuh permukaan sampel, intermiten - probe secara berkala menyentuh permukaan sampel selama pemindaian, dan non-kontak, ketika probe beberapa nanometer dari permukaan yang dipindai (mode pemindaian terakhir jarang digunakan, karena gaya interaksi antara probe dan sampel praktis sulit ditangkap).

kemampuan STM

STM diajarkan tidak hanya untuk membedakan antara atom individu, tetapi juga untuk menentukan bentuknya.
Banyak orang belum sepenuhnya menyadari fakta bahwa scanning tunneling microscopes (STMs) mampu mengenali atom individu, sebagai langkah selanjutnya telah diambil: sekarang telah menjadi mungkin untuk menentukan bahkan formulir atom individu dalam ruang nyata (lebih tepatnya, bentuk distribusi kerapatan elektron di sekitar inti atom).

Mikroskop optik jarak dekat, struktur dan prinsip operasinya

Mikroskop optik medan dekat; di dalamnya, probe adalah pemandu gelombang optik (serat optik), meruncing di ujung yang menghadap sampel dengan diameter kurang dari panjang gelombang cahaya. Dalam hal ini, gelombang cahaya tidak meninggalkan pandu gelombang untuk jarak yang jauh, tetapi hanya sedikit "jatuh" dari ujungnya. Sebuah laser dan penerima cahaya yang dipantulkan dari ujung bebas dipasang di ujung lain dari pandu gelombang. Pada jarak kecil antara permukaan yang diteliti dan ujung probe, amplitudo dan fase gelombang cahaya yang dipantulkan berubah, yang merupakan sinyal yang digunakan untuk membuat gambar tiga dimensi dari permukaan.

Jika Anda memaksa cahaya untuk melewati diafragma dengan diameter 50-100 nm dan membawanya lebih dekat ke jarak beberapa puluh nanometer ke permukaan sampel yang diteliti, maka dengan memindahkan seperti " " melintasi permukaan dari titik untuk menunjuk (dan memiliki detektor yang cukup sensitif), Anda dapat menyelidiki sifat optik sampel ini di area lokal yang sesuai dengan ukuran lubang.

Beginilah cara kerja mikroskop optik medan dekat (SNOM). Peran lubang (diafragma subwavelength) biasanya dilakukan oleh serat optik, yang salah satu ujungnya runcing dan ditutupi dengan lapisan logam tipis, di mana-mana kecuali area kecil di ujung paling ujung (diameter lubang). area "bebas debu" hanya 50-100 nm). Dari ujung yang lain, cahaya dari laser memasuki pemandu cahaya semacam itu.

Desember 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">Desember 2005 dan merupakan salah satu laboratorium dasar Departemen Nanoteknologi Fakultas Fisika Universitas Negeri Rusia. Laboratorium ini memiliki 4 set mikroskop probe pemindaian NanoEducator, yang dikembangkan secara khusus oleh perusahaan NT-MDT (Zelenograd, Rusia) untuk pekerjaan laboratorium... Perangkat ini ditujukan untuk audiens siswa: mereka sepenuhnya dikendalikan oleh komputer, memiliki antarmuka yang sederhana dan intuitif, animasi dukungan, dan membutuhkan penguasaan teknik secara bertahap.

Gbr.10 Laboratorium Mikroskopi Probe Pemindaian

Pengembangan mikroskop probe pemindaian berfungsi sebagai dasar untuk pengembangan area baru nanoteknologi - nanoteknologi probe.

literatur

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Rekonstruksi pada Si (111) Diselesaikan di Ruang Nyata, Phys. Putaran. Lett. 1983 Jil. 50, No. 2. Hal. 120-123. Publikasi terkenal ini membuka era STM.

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

3. http://ru. wikipedia. organisasi

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

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

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

SCANNING PROBE MICROSCOPE: JENIS DAN PRINSIP OPERASI

Kuvaytsev Alexander Vyacheslavovich
Institut Teknik dan Teknologi Dimitrovgrad, cabang dari Universitas Nuklir Riset Nasional "MEPhI"
murid

anotasi
Artikel ini menjelaskan prinsip pengoperasian mikroskop probe. Ini adalah teknologi baru yang fundamental yang dapat memecahkan masalah di berbagai bidang seperti komunikasi, bioteknologi, mikroelektronika, dan energi. Nanoteknologi dalam mikroskop akan secara signifikan mengurangi konsumsi sumber daya dan tidak akan memberikan tekanan pada lingkungan, mereka akan memainkan peran utama dalam kehidupan umat manusia, seperti, misalnya, komputer telah menjadi bagian integral dari kehidupan manusia.

SCANNING PROBE MICROSCOPY: JENIS DAN PRINSIP OPERASI

Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Institut Teknik dan Teknologi Dimitrovgrad dari Universitas Nuklir Riset Nasional MEPHI
murid

Abstrak
Artikel ini menjelaskan prinsip mikroskop probe. Ini adalah teknologi baru yang dapat memecahkan masalah di berbagai bidang seperti komunikasi, bioteknologi, mikroelektronika, dan energi. Nanoteknologi dalam mikroskop akan secara signifikan mengurangi konsumsi sumber daya dan tidak memberikan tekanan pada lingkungan, mereka akan memainkan peran utama dalam kehidupan manusia, seperti, misalnya, komputer telah menjadi bagian integral dari kehidupan manusia.

Pada abad ke-21, nanoteknologi dengan cepat mendapatkan popularitas, yang menembus ke semua bidang kehidupan kita, tetapi tidak akan ada kemajuan di dalamnya tanpa metode penelitian eksperimental baru, salah satu yang paling informatif adalah metode pemindaian mikroskop probe, yang ditemukan dan didistribusikan oleh peraih Nobel pada tahun 1986 - Prof. Heinrich Rohrer dan Dr. Gerd Binnig.

Sebuah revolusi nyata terjadi di dunia dengan munculnya metode untuk memvisualisasikan atom. Kelompok peminat mulai bermunculan, merancang perangkat mereka sendiri. Akibatnya, beberapa solusi yang berhasil diperoleh untuk memvisualisasikan hasil interaksi probe dengan permukaan. Teknologi untuk produksi probe dengan parameter yang diperlukan telah dibuat.

Jadi apa itu mikroskop probe? Pertama-tama, ini adalah probe itu sendiri, yang memeriksa permukaan sampel; sistem untuk memindahkan probe relatif terhadap sampel dalam representasi dua dimensi atau tiga dimensi (bergerak sepanjang koordinat X-Y atau X-Y-Z) juga diperlukan. Semua ini dilengkapi dengan sistem perekaman yang menetapkan nilai fungsi yang bergantung pada jarak dari probe ke sampel. Sistem pendaftaran memperbaiki dan mengingat nilai salah satu koordinat.

Jenis utama mikroskop probe pemindaian dapat dibagi menjadi 3 kelompok:

1. Scanning tunneling microscope - dirancang untuk mengukur relief permukaan konduktif dengan resolusi spasial yang tinggi.
   Di STM, jarum logam tajam melewati sampel pada jarak yang sangat pendek. Ketika arus kecil diterapkan ke jarum, arus terowongan muncul di antara jarum itu dan sampel, yang nilainya dicatat oleh sistem perekaman. Jarum melewati seluruh permukaan sampel dan menangkap perubahan sekecil apa pun dalam arus terowongan, yang dengannya peta relief permukaan sampel muncul. STM adalah yang pertama dari kelas mikroskop probe pemindaian, sisanya dikembangkan kemudian.
2. Pemindaian mikroskop kekuatan atom - digunakan untuk membangun struktur permukaan sampel dengan resolusi hingga atom. Tidak seperti STM, mikroskop ini dapat digunakan untuk memeriksa permukaan konduktif dan non-konduktif. Karena kemampuan untuk tidak hanya memindai tetapi juga memanipulasi atom, itu disebut daya.
3. Mikroskop optik medan dekat adalah mikroskop optik "canggih" yang memberikan resolusi lebih baik daripada mikroskop optik konvensional. Peningkatan resolusi BOM dicapai dengan menangkap cahaya dari objek yang diteliti pada jarak yang lebih kecil dari panjang gelombang. Jika probe mikroskop dilengkapi dengan perangkat untuk memindai bidang spasial, maka mikroskop semacam itu disebut mikroskop optik pemindaian medan dekat. Mikroskop semacam itu memungkinkan untuk memperoleh gambar permukaan dengan resolusi sangat tinggi.

Gambar (Gbr. 1) menunjukkan skema mikroskop probe yang paling sederhana.

Gambar 1. - Skema pengoperasian mikroskop probe

Pekerjaannya didasarkan pada interaksi permukaan sampel dengan probe, dapat berupa kantilever, jarum, atau probe optik. Dengan jarak yang kecil antara probe dan objek studi, aksi gaya interaksi, seperti tolakan, tarik-menarik, dll., dan manifestasi efek, seperti penerowongan elektron, dapat direkam menggunakan alat registrasi. Untuk mendeteksi kekuatan ini, digunakan sensor yang sangat sensitif yang dapat mendeteksi perubahan sekecil apa pun. Tabung piezo atau pemindai bidang-paralel digunakan sebagai sistem pemindaian koordinat untuk mendapatkan gambar raster.

Kesulitan teknis utama dalam membuat mikroskop probe pemindaian meliputi:

1. Memastikan integritas mekanis
2. Detektor harus memiliki sensitivitas maksimum
3. Ujung probe harus memiliki dimensi minimum
4. Buat sistem sapuan
5. Memastikan kelancaran probe

Hampir selalu, gambar yang diperoleh dengan mikroskop probe pemindaian sulit diuraikan karena distorsi dalam memperoleh hasil. Sebagai aturan, pemrosesan matematis tambahan diperlukan. Untuk ini, perangkat lunak khusus digunakan.

Saat ini, probe pemindaian dan mikroskop elektron digunakan sebagai metode penelitian pelengkap karena sejumlah fitur fisik dan teknis. Selama beberapa tahun terakhir, penggunaan mikroskop probe telah memungkinkan untuk memperoleh penelitian ilmiah yang unik di bidang fisika, kimia dan biologi. Mikroskop pertama hanyalah perangkat - indikator yang membantu dalam penelitian, dan sampel modern adalah stasiun kerja yang lengkap, termasuk hingga 50 metode penelitian yang berbeda.

Tugas utama dari teknik lanjutan ini adalah untuk mendapatkan hasil ilmiah, tetapi penerapan kemampuan perangkat ini dalam praktiknya membutuhkan kualifikasi tinggi dari seorang spesialis.

Studi pemindai perpindahan mikro piezoelektrik.

Objektif: studi tentang prinsip-prinsip fisik dan teknis untuk memastikan perpindahan mikro objek dalam pemindaian mikroskop probe, diimplementasikan menggunakan pemindai piezoelektrik

pengantar

Scanning probe microscopy (SPM) adalah salah satu metode modern yang kuat untuk mempelajari sifat-sifat permukaan padat. Saat ini, hampir tidak ada penelitian di bidang fisika permukaan dan mikroteknologi yang lengkap tanpa menggunakan metode SPM.

Prinsip-prinsip pemindaian mikroskop probe dapat digunakan sebagai dasar dasar untuk pengembangan teknologi untuk membuat struktur solid-state skala nano (1 nm = 10 A). Untuk pertama kalinya dalam praktik teknologi menciptakan benda-benda buatan manusia, pertanyaan tentang penggunaan prinsip-prinsip perakitan atom dalam pembuatan produk industri diajukan. Pendekatan semacam itu membuka prospek untuk implementasi perangkat yang mengandung jumlah atom individu yang sangat terbatas.

Scanning tunneling microscope (STM), yang pertama dari keluarga mikroskop probe, ditemukan pada tahun 1981 oleh ilmuwan Swiss G. Binnig dan G. Rohrer. Dalam pekerjaan mereka, mereka menunjukkan bahwa ini adalah cara yang cukup sederhana dan sangat efektif untuk mempelajari permukaan dengan resolusi spasial yang tinggi hingga orde atomik. Teknik ini mendapat pengakuan nyata setelah visualisasi struktur atom permukaan sejumlah bahan dan, khususnya, permukaan silikon yang direkonstruksi. Pada tahun 1986, G. Binnig dan G. Poper dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika untuk penciptaan mikroskop terowongan. Mengikuti mikroskop tunneling, mikroskop gaya atom (AFM), mikroskop gaya magnet (MSM), mikroskop gaya listrik (ESM), mikroskop optik medan dekat (NOM) dan banyak perangkat lain dengan prinsip operasi serupa dan disebut pemindaian mikroskop probe.

1. Prinsip umum pengoperasian mikroskop probe pemindaian

Dalam pemindaian mikroskop probe, studi tentang microrelief dan sifat lokal permukaan dilakukan dengan menggunakan probe tipe jarum yang disiapkan secara khusus. Jari-jari kelengkungan bagian kerja probe (titik) tersebut memiliki dimensi urutan sepuluh nanometer. Jarak karakteristik antara probe dan permukaan sampel dalam mikroskop probe adalah 0,1 – 10 nm dalam urutan besarnya.

Pengoperasian mikroskop probe didasarkan pada berbagai jenis interaksi fisik probe dengan atom permukaan sampel. Jadi, pengoperasian mikroskop tunneling didasarkan pada fenomena arus tunneling yang mengalir antara jarum logam dan sampel konduktor; berbagai jenis interaksi gaya mendasari pengoperasian gaya atom, gaya magnet dan gaya listrik mikroskop.

Mari kita pertimbangkan fitur umum yang melekat pada berbagai mikroskop probe. Biarkan interaksi probe dengan permukaan dicirikan oleh beberapa parameter R. Jika ada ketergantungan parameter yang cukup tajam dan satu-ke-satu R dari jarak probe-sampel P = P(z), maka parameter ini dapat digunakan untuk mengatur sistem umpan balik (FS) yang mengontrol jarak antara probe dan sampel. pada gambar. Gambar 1 secara skematis menunjukkan prinsip umum mengatur umpan balik mikroskop probe pemindaian.

Beras. 1. Skema sistem umpan balik mikroskop probe

Sistem umpan balik mempertahankan nilai parameter R konstan, sama dengan Ro ditetapkan oleh operator. Jika jarak antara probe dan permukaan berubah (misalnya, meningkat), maka ada perubahan (peningkatan) pada parameter R. Dalam sistem OS, sinyal perbedaan terbentuk yang sebanding dengan nilainya. P= P - Po, yang diperkuat ke nilai yang diinginkan dan diumpankan ke elemen penggerak IE. Elemen penggerak memproses sinyal perbedaan ini dengan menggerakkan probe lebih dekat ke permukaan atau memindahkannya hingga sinyal perbedaan menjadi nol. Dengan cara ini, jarak probe-sampel dapat dipertahankan dengan akurasi tinggi. Pada mikroskop probe yang ada, akurasi menjaga jarak permukaan probe mencapai ~0,01 . Ketika probe bergerak di sepanjang permukaan sampel, parameter interaksi berubah R, karena topografi permukaan. Sistem OS mengerjakan perubahan ini, sehingga ketika probe bergerak di bidang X,Y, sinyal pada elemen penggerak ternyata sebanding dengan topografi permukaan.

Untuk mendapatkan gambar SPM, proses pemindaian sampel yang terorganisir secara khusus dilakukan. Saat memindai, probe pertama-tama bergerak di atas sampel sepanjang garis tertentu (pemindaian garis), sedangkan nilai sinyal pada elemen penggerak, sebanding dengan topografi permukaan, dicatat dalam memori komputer. Kemudian probe kembali ke titik awal dan menuju ke garis scan berikutnya (frame scan), dan proses tersebut diulangi lagi. Sinyal umpan balik yang direkam dengan cara ini selama pemindaian diproses oleh komputer, dan kemudian gambar SPM dari topografi permukaan Z = f(x,y) dibangun menggunakan grafik komputer. Seiring dengan studi topografi permukaan, mikroskop probe memungkinkan untuk mempelajari berbagai sifat permukaan: mekanik, listrik, magnetik, optik, dan banyak lainnya.