სკანირების ზონდის მიკროსკოპია

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის ძირითადი ფიზიკური პრინციპები:

ყველა სკანირების ზონდის მიკროსკოპის საერთო მახასიათებელია (და მათი სახელის განსაზღვრა) არის მიკროსკოპული ზონდის არსებობა, რომელიც შეხებაშია (არა ყოველთვის მექანიკურ კონტაქტში) შესასწავლ ზედაპირთან და სკანირების დროს მოძრაობს გარკვეულ ფართობზე. მოცემული ზომის ზედაპირი.

ზონდისა და ნიმუშის კონტაქტი გულისხმობს მათ ურთიერთქმედებას. არჩეულია ნებისმიერი სამუშაო ურთიერთქმედება. ამ არჩეული ურთიერთქმედების ბუნება განსაზღვრავს, მიეკუთვნება თუ არა მოწყობილობა ამა თუ იმ ტიპს ზონდის მიკროსკოპების ოჯახში. ზედაპირული ინფორმაციის მიღება ხდება დაჭერით (უკუკავშირის სისტემის გამოყენებით) ან ზონდსა და ნიმუშს შორის ურთიერთქმედების გამოვლენით.

გვირაბის მიკროსკოპში ეს ურთიერთქმედება გვირაბის კონტაქტში პირდაპირი დენის ნაკადში ვლინდება. ატომური ძალის მიკროსკოპია ეფუძნება ზონდისა და ნიმუშის ურთიერთქმედებას მიზიდულობის ან მოგერიების ძალებთან. ჩვენ შეგვიძლია აღვნიშნოთ ზონდის მიკროსკოპების ისეთი სახეობები, როგორიცაა მაგნიტური ძალის მიკროსკოპი (ზონდი და ნიმუში ურთიერთქმედებენ მაგნიტურ ძალებთან), ახლო ველის მიკროსკოპი (ნიმუშის ოპტიკური თვისებები გამოვლენილია მინიატურული დიაფრაგმის საშუალებით, რომელიც მდებარეობს მიმდებარე ზონაში. ფოტონის წყარო), პოლარიზებული ძალის მიკროსკოპი (ნიმუში ურთიერთქმედებს გამტარ დამუხტულ ზონდთან) და ა.შ.

გვირაბების გაყვანა, ატომური ძალის ზონდის მიკროსკოპია, ველთან ახლოს ოპტიკური მიკროსკოპია. ინფორმაციული შესაძლებლობები და სივრცითი გარჩევადობა.

გვირაბი:გვირაბის მიკროსკოპის მოქმედების პრინციპი ემყარება ელექტრონის გავლას პოტენციურ ბარიერში, რომელიც წარმოიქმნება ელექტრული წრედის რღვევით - მცირე უფსკრული საცდელ მიკროპუნქტსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის. აპარატის მუშაობა ეფუძნება ელექტრონული გვირაბის ცნობილ ფენომენს (გვირაბის ეფექტი). ელექტრული ძაბვა გამოიყენება ლითონის წვერსა და შესწავლილი გამტარის ზედაპირს შორის (ჩვეულებრივი ძაბვის მნიშვნელობები: mV-დან V-მდე) და წვერი მიუახლოვდება ნიმუშის ზედაპირს, სანამ არ გამოჩნდება გვირაბის დენი. მრავალი ზედაპირის სტაბილური გამოსახულების მიღება შესაძლებელია 10-9 ა გვირაბის დენით, ე.ი. 1 ნA-ში. ამ შემთხვევაში, წვერი ზედაპირთან ახლოს არის ნანომეტრის ფრაქციების მანძილზე. ზედაპირის გამოსახულების მისაღებად, ლითონის წვერი გადაადგილდება ნიმუშის ზედაპირზე, ინარჩუნებს გვირაბის დენის მუდმივ მნიშვნელობას. ამ შემთხვევაში, წვერის ტრაექტორია არსებითად ემთხვევა ზედაპირის პროფილს, წვერი მიდის ბორცვებზე და კვალს უდევს დეპრესიებს. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის მნიშვნელოვანი ნაწილია მექანიკური მანიპულატორი, რომელიც უზრუნველყოფს ზონდის მოძრაობას ზედაპირზე ნანომეტრის მეათასედი სიზუსტით. ტრადიციულად, მექანიკური მანიპულატორი მზადდება პიეზოკერამიკული მასალისგან.

ატომური სიმძლავრე:ატომური ძალის მიკროსკოპში, ურთიერთქმედება არის ძალის ურთიერთქმედება ზონდსა და ნიმუშს შორის. ატომური გარჩევადობაგამტარ და არაგამტარ ზედაპირებზე. ბუნებრივ ატმოსფეროში (ჰაერში) დაუმუხტველი ზედაპირების შესწავლის შემთხვევაში, ზონდსა და ნიმუშს შორის ძალის ურთიერთქმედებაში მთავარი წვლილი შეაქვს: ზონდის უკიდურესი ატომების მექანიკური კონტაქტით გამოწვეული საგრებელი ძალები და. ნიმუში, ვან დერ ვაალის ძალები, ასევე კაპილარული ძალები, რომლებიც დაკავშირებულია ფირის ადსორბატის (წყლის) არსებობასთან ნიმუშის ზედაპირზე.

AFM-ის დაყოფა ზონდსა და ნიმუშს შორის ძალის ურთიერთქმედების გაზომვისა და დაფიქსირების მეთოდის მიხედვით შესაძლებელს ხდის განასხვავოს ორი ძირითადი შემთხვევა: კონტაქტური ატომური ძალის მიკროსკოპია და უწყვეტი საკონტაქტო AFM.

ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპია:ოპტიკური გამოსახულება გრძივი გარჩევადობით 50 ნმ. უზრუნველყოფს უკეთეს გარჩევადობას, ვიდრე ჩვეულებრივი ოპტიკური მიკროსკოპი. BOM-ის გარჩევადობის გაზრდა მიიღწევა შესწავლილი ობიექტიდან სინათლის გაფანტვის გამოვლენით სინათლის ტალღის სიგრძეზე მცირე მანძილზე. თუ ახლო ველის მიკროსკოპის ზონდი (დეტექტორი) აღჭურვილია სივრცითი სკანირების მოწყობილობით, მაშინ ასეთ მოწყობილობას ეწოდება ახლო ველის სკანირების ოპტიკური მიკროსკოპი. ასეთი მიკროსკოპი შესაძლებელს ხდის დიფრაქციის ზღვარზე დაბალი გარჩევადობის მქონე ზედაპირებისა და ობიექტების რასტრული გამოსახულების მიღებას.

თუ ზონდს ავიღებთ მინიატურულ დიაფრაგმას რამდენიმე ნანომეტრიანი ხვრელით - დიაფრაგმა, მაშინ, ტალღის ოპტიკის კანონების შესაბამისად, ხილული სინათლე (რამდენიმე ასეული ნანომეტრი ტალღის სიგრძით) აღწევს ასეთ პატარა ხვრელში, მაგრამ არა. შორს, მაგრამ ხვრელების ზომის შესადარ მანძილზე. თუ ნიმუში მოთავსებულია ამ მანძილზე, ეგრეთ წოდებულ „ახლო ველში“, მისგან გაფანტული შუქი ჩაიწერება. დიაფრაგმის ნიმუშთან ახლოს გადაადგილებით, როგორც გვირაბების მიკროსკოპში, ჩვენ ვიღებთ ზედაპირის რასტრულ გამოსახულებას. მოგვიანებით შეიქმნა ახლო ველის მიკროსკოპები, რომლებიც არ იყენებდნენ დიაფრაგმას - აპერტურა SNOM-ს.

ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპის უნიკალურობა სკანირების სხვა მეთოდებთან შედარებით არის ის, რომ გამოსახულება აგებულია უშუალოდ ოპტიკურ დიაპაზონში, ხილული სინათლის ჩათვლით, მაგრამ გარჩევადობა ბევრჯერ აღემატება ტრადიციულ ოპტიკური სისტემების გარჩევადობას.

(მინიატურული დიაფრაგმის მქონე ოპტიკური ბოჭკო გამოიყენება როგორც ზონდი. ნიმუშის სკანირებისას მანიპულატორი მოძრაობს დიაფრაგმის ზედაპირთან ახლოს. ლაზერული წყაროს გამოსხივება, რომელიც გადის დიაფრაგმაში, ანათებს შესასწავლ ზედაპირს. გაფანტულია ან ხელახლა. გამოსხივებული შუქი აღირიცხება ამ დიზაინის მიკროსკოპში. იმის გამო, რომ სინათლის გაფანტვა ხდება ახლო ზონაში (გამოსხივებული დიაფრაგმიდან სინათლის ტალღის სიგრძეზე ნაკლებ მანძილზე), შესაძლებელია დაძლიოს ფუნდამენტური შეზღუდვა. ჩვეულებრივი ოპტიკური მიკროსკოპია გარჩევადობის თვალსაზრისით: ზედაპირის დეტალები ათობით ნანომეტრის ზომის შესამჩნევი ხდება.)

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის ძირითადი ელემენტები.

კონსოლი, ზონდი (თითოეული მიკროსკოპისთვის საკუთარი), მექანიკური მანიპულატორი, ლაზერი, ფოტოდიოდი, უკუკავშირის სისტემა. მარტივი სიტყვებით: ზონდი, მოძრაობის სისტემა, ჩამწერი სისტემა.

გამოყენება ნანო-ობიექტების შესწავლაში და წრფივი გაზომვები ნანორაიმზე.

ამ ექსპერიმენტული მიმართულების შესაძლებლობების ყველაზე ნათელი დემონსტრირება მყარი ზედაპირების შესწავლაში შეიძლება იყოს: ზედაპირის რეკონსტრუქციის პირდაპირი ვიზუალიზაციის შედეგები, ცალკეული ატომების მანიპულირება რეკორდული სიმკვრივით ინფორმაციის ჩასაწერად, ზედაპირის ლოკალური ეფექტის შესწავლა. დეფექტები ნიმუშის ზოლის სტრუქტურაზე და ა.შ.

ამ მიმართულების ახალი შესაძლებლობები ზედაპირული გამოკვლევის ტრადიციულ მეთოდებთან შედარებით განსაკუთრებით პერსპექტიულს ხდის ზონდის მიკროსკოპის გამოყენებას (კერძოდ, ატომური ძალის მიკროსკოპის (AFM) ბიოლოგიური და ორგანული მასალების შესასწავლად. ამ გზაზე ასევე მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ბოლო დროს. წლების განმავლობაში, კერძოდ, ნუკლეინის მჟავების კვლევასთან დაკავშირებით, შეგვიძლია აღვნიშნოთ ისეთი შედეგები, როგორიცაა ცალკეული დნმ-ის მოლეკულების ვიზუალიზაცია და მათი კონფორმაციული მდგომარეობის შესწავლა თხევად გარემოში, დამატებითი ნუკლეოტიდების ურთიერთქმედების ძალების პირდაპირი გაზომვა და დნმ-სა და ცილებს შორის ურთიერთქმედების პროცესების რეალურ დროში ვიზუალიზაცია.

კარელიის სახელმწიფო პედაგოგიური უნივერსიტეტი

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია

შემქმნელი: ბარბარა ო.

554 გრ. (2007)

სკანირების ზონდის მიკროსკოპი (SPM), მისი სტრუქტურა და მოქმედების პრინციპი

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია (SPM)- ერთ-ერთი მძლავრი თანამედროვე მეთოდი მყარი სხეულის ზედაპირის მორფოლოგიისა და ლოკალური თვისებების შესასწავლად მაღალი სივრცითი გარჩევადობით.

მიუხედავად თანამედროვე სკანირების მიკროსკოპების ტიპებისა და გამოყენების მრავალფეროვნებისა, მათი მოქმედება ეფუძნება მსგავს პრინციპებს და მათი კონსტრუქციები მცირედ განსხვავდება ერთმანეთისგან. ნახ. 1 გვიჩვენებს სკანირების ზონდის მიკროსკოპის (SPM) განზოგადებულ სქემას.

ნახ.1 სკანირების ზონდის მიკროსკოპის (SPM) განზოგადებული სქემა.

მისი მუშაობის პრინციპი ასეთია. უხეში პოზიციონირების სისტემის გამოყენებით, საზომი ზონდი მოჰყავთ ტესტის ნიმუშის ზედაპირზე. როდესაც ნიმუში და ზონდი უახლოვდება ასობით ნმ-ზე ნაკლებ მანძილზე, ზონდი იწყებს ურთიერთქმედებას გაანალიზებული ზედაპირის ზედაპირულ სტრუქტურებთან. ზონდის მოძრაობა ნიმუშის ზედაპირის გასწვრივ ხორციელდება სკანირების ხელსაწყოს გამოყენებით, რომელიც უზრუნველყოფს ზედაპირის სკანირებას ზონდის ნემსით. როგორც წესი, ეს არის პიეზოკერამიკული მილი, რომელზეც სამი წყვილი გამოყოფილი ელექტროდია გამოყენებული მის ზედაპირზე. Ux და Uy ძაბვის ზემოქმედებით, რომელიც გამოიყენება პიეზოტუბზე, ის იხრება, რითაც უზრუნველყოფს ზონდის მოძრაობას ნიმუშთან შედარებით X და Y ღერძების გასწვრივ; Uz სტრესის მოქმედების ქვეშ, იგი შეკუმშულია ან იჭიმება, რაც მას ხდის. შესაძლებელია ნემსის ნიმუშის მანძილის შეცვლა.

კრისტალებში პიეზოელექტრული ეფექტი აღმოაჩინეს 1880 წელს ძმებმა P. და J. Curie-მ, რომლებიც აკვირდებოდნენ კვარცის ბროლისგან გარკვეული ორიენტაციის მქონე ფირფიტების ზედაპირზე გარეგნობას, ელექტროსტატიკური მუხტების გამოჩენას მექანიკური სტრესის მოქმედებით. ეს მუხტები მექანიკური სტრესის პროპორციულია, იცვლის ნიშანს და ქრება მისი მოხსნისას.

დიელექტრიკის ზედაპირზე ელექტროსტატიკური მუხტების წარმოქმნას და მის შიგნით ელექტრული პოლარიზაციის წარმოქმნას მექანიკური სტრესის შედეგად პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი ეწოდება.

პირდაპირთან ერთად, არსებობს ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რომელიც მდგომარეობს იმაში, რომ პიეზოელექტრული ბროლისგან ამოჭრილ ფირფიტაში მასზე მიმართული ელექტრული ველის მოქმედებით ხდება მექანიკური დეფორმაცია; უფრო მეტიც, მექანიკური დეფორმაციის სიდიდე პროპორციულია ელექტრული ველის სიძლიერისა. პიეზოელექტრული ეფექტი შეინიშნება მხოლოდ მყარ დიელექტრიკებში, ძირითადად კრისტალურში. სტრუქტურებში, რომლებსაც აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, ვერც ერთმა დეფორმაციამ არ შეიძლება დაარღვიოს კრისტალური მედის შიდა წონასწორობა და, შესაბამისად, კრისტალების მხოლოდ 20 კლასი, რომლებსაც არ აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, არის პიეზოელექტრული. სიმეტრიის ცენტრის არარსებობა აუცილებელი, მაგრამ არა საკმარისი პირობაა პიეზოელექტრული ეფექტის არსებობისთვის და, შესაბამისად, ყველა აცენტრულ კრისტალს არ აქვს იგი.

პიეზოელექტრული ეფექტი არ შეინიშნება მყარ ამორფულ და კრიპტოკრისტალურ დიელექტრიკებში. (პიეზოელექტრიკა - ერთკრისტალები: კვარცი.კვარცის პიეზოელექტრული თვისებები ფართოდ გამოიყენება ინჟინერიაში რადიო სიხშირეების სტაბილიზაციისა და გასაფილტრად, ულტრაბგერითი ვიბრაციების წარმოქმნისა და მექანიკური რაოდენობების გასაზომად. ტურმალინი.ტურმალინის მთავარი უპირატესობა არის კვარცთან შედარებით ნაწილობრივი კოეფიციენტის უფრო დიდი მნიშვნელობა. ამის გამო და ასევე ტურმალინის უფრო დიდი მექანიკური სიმტკიცის გამო, შესაძლებელია უფრო მაღალი სიხშირეებისთვის რეზონატორების დამზადება.

ამჟამად ტურმალინი თითქმის არასოდეს გამოიყენება პიეზოელექტრული რეზონატორების დასამზადებლად და შეზღუდულია ჰიდროსტატიკური წნევის გასაზომად.

როშელის მარილი.როშელის მარილის პიეზოელექტრული ელემენტები ფართოდ გამოიყენებოდა აღჭურვილობაში, რომელიც მუშაობდა შედარებით ვიწრო ტემპერატურის დიაპაზონში, კერძოდ, პიკაპებში. თუმცა, ამჟამად ისინი თითქმის მთლიანად შეიცვალა კერამიკული პიეზოელექტრული ელემენტებით.

ზონდის პოზიციის სენსორი განუწყვეტლივ აკონტროლებს ზონდის პოზიციას ნიმუშთან მიმართებაში და უკუკავშირის სისტემის მეშვეობით, მის შესახებ მონაცემებს გადასცემს კომპიუტერულ სისტემას, რომელიც აკონტროლებს სკანერის მოძრაობას. ზონდსა და ზედაპირს შორის ურთიერთქმედების ძალების დასარეგისტრირებლად, ჩვეულებრივ გამოიყენება მეთოდი, რომელიც ეფუძნება ზონდის წვერიდან არეკლილი ნახევარგამტარული ლაზერის სხივის გადახრის ჩაწერას. ამ ტიპის მიკროსკოპებში, სინათლის არეკლილი სხივი ხვდება დიფერენციალურ წრეში დაკავშირებული ორ ან ოთხ განყოფილებიანი ფოტოდიოდის ცენტრში. კომპიუტერული სისტემა, სკანერის კონტროლის გარდა, ემსახურება აგრეთვე ზონდიდან მონაცემების დამუშავებას, ზედაპირული დათვალიერების შედეგების ანალიზს და ჩვენებას.

როგორც ხედავთ, მიკროსკოპის სტრუქტურა საკმაოდ მარტივია. მთავარი ინტერესია ზონდის ურთიერთქმედება შესასწავლ ზედაპირთან. ეს არის კონკრეტული სკანირების ზონდის მიკროსკოპის მიერ გამოყენებული ურთიერთქმედების ტიპი, რომელიც განსაზღვრავს მის შესაძლებლობებსა და მასშტაბებს. (სლაიდი) როგორც სახელი გულისხმობს, სკანირების ზონდის მიკროსკოპის ერთ-ერთი მთავარი ელემენტია ზონდი. ყველა სკანირების ზონდის მიკროსკოპის საერთო მახასიათებელია შესასწავლი ზედაპირის თვისებების შესახებ ინფორმაციის მოპოვების მეთოდი. მიკროსკოპული ზონდი უახლოვდება ზედაპირს მანამ, სანამ არ დამყარდება გარკვეული ხასიათის ურთიერთქმედების ბალანსი ზონდსა და ნიმუშს შორის, რის შემდეგაც ხდება სკანირება.

სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი (STM), მისი სტრუქტურა და მოქმედების პრინციპი

პირველი SPM პროტოტიპი იყო სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი (STM), რომელიც გამოიგონეს 1981 წელს. ციურიხის IBM კვლევითი ლაბორატორიის მეცნიერები გერჰარდ ბინიგი და ჰაინრიხ რორერი. მისი დახმარებით პირველად იქნა მიღებული ატომური გარჩევადობის მქონე ზედაპირების რეალური გამოსახულებები, კერძოდ, 7x7 რეკონსტრუქცია სილიკონის ზედაპირზე (სურ. 2).

ნახ.3 ერთკრისტალური სილიკონის ზედაპირის STM გამოსახულება. რეკონსტრუქცია 7 x 7

ყველა ამჟამად ცნობილი SPM მეთოდი პირობითად შეიძლება დაიყოს სამ მთავარ ჯგუფად:

– სკანირების გვირაბის მიკროსკოპია; STM იყენებს მკვეთრ გამტარ ნემსს, როგორც ზონდს

თუ მიკერძოებული ძაბვა გამოიყენება წვერსა და ნიმუშს შორის, მაშინ როდესაც ნემსის წვერი უახლოვდება ნიმუშს დაახლოებით 1 ნმ მანძილზე, მათ შორის წარმოიქმნება გვირაბის დენი, რომლის სიდიდე დამოკიდებულია "ნემსის ნიმუშის მანძილზე" “, ხოლო მიმართულება დამოკიდებულია ძაბვის პოლარობაზე (ნახ. 4). როდესაც ნემსის წვერი შორდება შესასწავლ ზედაპირს, გვირაბის დენი მცირდება და მიახლოებისას იზრდება. ამრიგად, გვირაბის დენის მონაცემების გამოყენებით ზედაპირის წერტილების გარკვეულ კომპლექტზე, შესაძლებელია ზედაპირის ტოპოგრაფიის გამოსახულების აგება.

ნახ.4 გვირაბის დენის წარმოქმნის სქემა.

- ატომური ძალის მიკროსკოპია; ის აღრიცხავს ცვლილებებს ნემსის მიზიდვის ძალის ზედაპირზე წერტილიდან წერტილამდე. ნემსი განლაგებულია კონსოლის სხივის ბოლოში (კონსოლზე), რომელსაც აქვს ცნობილი სიხისტე და შეუძლია მოხრილი იყოს მცირე ვან დერ ვაალის ძალების მოქმედებით, რომლებიც წარმოიქმნება შესასწავლ ზედაპირსა და წვერის წვერს შორის. კონსოლის დეფორმაცია აღირიცხება ლაზერის სხივის გადახრით მის უკანა ზედაპირზე, ან პიეზორეზისტული ეფექტით, რომელიც ჩნდება თავად კონსოლში მოხრის დროს;

- ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპია; მასში ზონდი არის ოპტიკური ტალღის გამტარი (ოპტიკური ბოჭკოვანი), რომელიც იკლებს ბოლოში, რომელიც ნიმუშისკენ არის მიმართული სინათლის ტალღის სიგრძეზე ნაკლები დიამეტრით. ამ შემთხვევაში, სინათლის ტალღა არ ტოვებს ტალღის გამტარს შორ მანძილზე, მაგრამ მხოლოდ ოდნავ "გამოდის" მისი წვერიდან. ლაზერი და თავისუფალი ბოლოდან არეკლილი სინათლის მიმღები დამონტაჟებულია ტალღის მეორე ბოლოში. შესასწავლ ზედაპირსა და ზონდის წვერს შორის მცირე მანძილზე იცვლება არეკლილი სინათლის ტალღის ამპლიტუდა და ფაზა, რაც არის სიგნალი, რომელიც გამოიყენება ზედაპირის სამგანზომილებიანი გამოსახულების შესაქმნელად.

გვირაბის დენიდან ან ნემსსა და ზედაპირს შორის მანძილის მიხედვით, შესაძლებელია სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის მუშაობის ორი რეჟიმი. მუდმივი სიმაღლის რეჟიმში ნემსის წვერი ნიმუშზე მაღლა მოძრაობს ჰორიზონტალურ სიბრტყეში და გვირაბის დენი იცვლება მასამდე მანძილის მიხედვით (ნახ. 5ა). ამ შემთხვევაში, საინფორმაციო სიგნალი არის გვირაბის დენის მნიშვნელობა, რომელიც იზომება ნიმუშის ზედაპირის თითოეულ სკანირების წერტილში. გვირაბის დენის მიღებულ მნიშვნელობებზე დაყრდნობით აგებულია ტოპოგრაფიის გამოსახულება.

ბრინჯი. ნახ. 5. STM მუშაობის სქემა: a - მუდმივი სიმაღლის რეჟიმში; ბ - პირდაპირი დენის რეჟიმში

მუდმივი დენის რეჟიმში მიკროსკოპის უკუკავშირის სისტემა უზრუნველყოფს გვირაბის დენის მუდმივობას ყოველი სკანირების წერტილში „ნემსის ნიმუშის“ მანძილის რეგულირებით (ნახ. 5ბ). ის აკონტროლებს გვირაბის დენის ცვლილებებს და აკონტროლებს სკანერზე დაყენებულ ძაბვას ამ ცვლილებების კომპენსაციის მიზნით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, დენის მატებასთან ერთად, უკუკავშირის სისტემა აშორებს ზონდს ნიმუშს და მცირდება, აახლოებს მას. ამ რეჟიმში, სურათი აგებულია სკანირების მოწყობილობის ვერტიკალური მოძრაობის ოდენობის მონაცემების საფუძველზე.

ორივე რეჟიმს აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები. მუდმივი სიმაღლის რეჟიმში, შეგიძლიათ მიიღოთ შედეგი უფრო სწრაფად, მაგრამ მხოლოდ შედარებით გლუვ ზედაპირებზე. მუდმივი დენის რეჟიმში, არარეგულარული ზედაპირების გაზომვა შესაძლებელია მაღალი სიზუსტით, მაგრამ გაზომვას უფრო მეტი დრო სჭირდება.

მაღალი მგრძნობელობის მქონე, სკანირებულმა გვირაბის მიკროსკოპებმა კაცობრიობას მისცა შესაძლებლობა დაენახა გამტარებისა და ნახევარგამტარების ატომები. მაგრამ დიზაინის შეზღუდვების გამო, შეუძლებელია STM-ზე არაგამტარი მასალების გამოსახულების მიღება. გარდა ამისა, გვირაბის მიკროსკოპის მაღალი ხარისხის მუშაობისთვის, უნდა დაკმაყოფილდეს მთელი რიგი ძალიან მკაცრი პირობები, კერძოდ, მუშაობა ვაკუუმში და სპეციალური ნიმუშის მომზადება. ამრიგად, მიუხედავად იმისა, რომ არ შეიძლება ითქვას, რომ Binnig-ისა და Röhrer-ის პირველი ბლინი ერთგვაროვანი აღმოჩნდა, პროდუქტი ოდნავ ნესტიანი გამოვიდა.

გავიდა ხუთი წელი და გერჰარდ ბინინგმა კალვინ კუიტთან და კრისტოფერ გერბერთან ერთად გამოიგონა ახალი ტიპის მიკროსკოპი, რომელსაც მათ უწოდეს ატომური ძალის მიკროსკოპი (AFM), რისთვისაც იმავე 1986 წელს. G. Binnig და H. Röhrer დაჯილდოვდნენ ნობელის პრემიით ფიზიკაში. ახალმა მიკროსკოპმა გვერდი აუარა წინამორბედის შეზღუდვებს. AFM-ის გამოყენებით შესაძლებელია როგორც გამტარ, ისე არაგამტარ მასალების ზედაპირის სურათების მიღება ატომური გარჩევადობით, უფრო მეტიც, ატმოსფერულ პირობებში. ატომური ძალის მიკროსკოპების დამატებითი უპირატესობაა მათი ელექტრული, მაგნიტური, ელასტიური და სხვა თვისებების ვიზუალიზაციის შესაძლებლობა ზედაპირის ტოპოგრაფიის გაზომვებთან ერთად.

ატომური ძალის მიკროსკოპი (AFM), მისი სტრუქტურა და მოქმედების პრინციპი

ACM-ის ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტი (ატომური ძალის მიკროსკოპი)არის სკანირების ზონდები - კონსოლები, მიკროსკოპის თვისებები პირდაპირ დამოკიდებულია კონსოლის თვისებებზე.

კონსოლი არის მოქნილი სხივი (175x40x4 მიკრონი - საშუალო მონაცემები) გარკვეული სიხისტის კოეფიციენტით. კ(10-3 - 10 ნ/მ), რომლის ბოლოში არის მიკრო ნემსი (სურ. 1). გამრუდების რადიუსის დიაპაზონი რნემსის წვერი AFM-ის განვითარებით შეიცვალა 100-დან 5 ნმ-მდე. ცხადია, შემცირებით რმიკროსკოპი საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ სურათები უფრო მაღალი გარჩევადობით. ნემსის წერტილის კუთხე აასევე არის ზონდის მნიშვნელოვანი მახასიათებელი, რომელზეც დამოკიდებულია გამოსახულების ხარისხი. ასხვადასხვა კონსოლში მერყეობს 200-დან 700-მდე, ძნელი არ არის ვივარაუდოთ, რომ ნაკლები ა, რაც უფრო მაღალია მიღებული სურათის ხარისხი.

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

ასე გასაუმჯობესებლად ვ0 კონსოლის სიგრძე (რომელზეც დამოკიდებულია სიმყარის კოეფიციენტი) არის რამდენიმე მიკრონის რიგის და მასა არ აღემატება 10-10 კგ-ს. სხვადასხვა კონსოლების რეზონანსული სიხშირეები მერყეობს 8-დან 420 kHz-მდე.

AFM სკანირების მეთოდი შემდეგია (სურათი 2) : ზონდის წვერი არის ნიმუშის ზედაპირის ზემოთ, ხოლო ზონდი მოძრაობს ნიმუშთან შედარებით, როგორც სხივი ტელევიზორის კათოდური სხივის მილში (პროგრესული სკანირება). ზონდის ზედაპირზე მიმართული ლაზერის სხივი (რომელიც იხრება ნიმუშის ლანდშაფტის შესაბამისად), არეკლილი ურტყამს ფოტოდეტექტორს, რომელიც აფიქსირებს სხივის გადახრას. ამ შემთხვევაში ნემსის გადახრა სკანირების დროს გამოწვეულია ნიმუშის ზედაპირის ატომთაშორისი ურთიერთქმედებით მის წვერთან. ფოტოდეტექტორის სიგნალების კომპიუტერული დამუშავების დახმარებით შესაძლებელია შესწავლილი ნიმუშის ზედაპირის სამგანზომილებიანი გამოსახულების მიღება.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
ბრინჯი. 8. ატომთაშორისი ურთიერთქმედების სიძლიერის დამოკიდებულება წვერსა და ნიმუშს შორის მანძილზე

ზონდის ზედაპირთან ურთიერთქმედების ძალები იყოფა მოკლე და შორ მანძილზე. მოკლე დიაპაზონის ძალები წარმოიქმნება 1-10 ა რიგის მანძილზე, როდესაც ნემსის წვერის ატომებისა და ზედაპირის ელექტრონული გარსები ერთმანეთს ემთხვევა და სწრაფად მცირდება მანძილის მატებასთან ერთად. ნემსის წვერის მხოლოდ რამდენიმე ატომი (საზღვარში ერთში) შედის ზედაპირულ ატომებთან მოკლე დიაპაზონის ურთიერთქმედებაში. ამ ტიპის ძალის გამოყენებით ზედაპირის გამოსახულებისას, AFM მუშაობს კონტაქტურ რეჟიმში.

არსებობს კონტაქტური სკანირების რეჟიმი, როდესაც ზონდის წვერი ეხება ნიმუშის ზედაპირს, წყვეტილი - ზონდი პერიოდულად ეხება ნიმუშის ზედაპირს სკანირების დროს და უკონტაქტო, როდესაც ზონდი არის დასკანირებული ზედაპირიდან რამდენიმე ნანომეტრში. (ეს უკანასკნელი სკანირების რეჟიმი იშვიათად გამოიყენება, რადგან ზონდსა და ნიმუშს შორის ურთიერთქმედების ძალები პრაქტიკულად ძნელად დასაჭერია).

STM შესაძლებლობები

STM ისწავლებოდა არა მხოლოდ ცალკეული ატომების გარჩევა, არამედ მათი ფორმის განსაზღვრაც.
ბევრმა ჯერ კიდევ ვერ გააცნობიერა ის ფაქტი, რომ სკანირების გვირაბის მიკროსკოპებს (STM) შეუძლიათ ცალკეული ატომების ამოცნობა, რადგან შემდეგი ნაბიჯი უკვე გადადგმულია: ახლა უკვე შესაძლებელი გახდა იმის დადგენა. ფორმებიცალკეული ატომი რეალურ სივრცეში (უფრო ზუსტად, ელექტრონის სიმკვრივის განაწილების ფორმა ატომის ბირთვის გარშემო).

ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპი, მისი სტრუქტურა და მოქმედების პრინციპი

ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპია; მასში ზონდი არის ოპტიკური ტალღის გამტარი (ოპტიკური ბოჭკოვანი), რომელიც იკლებს ბოლოში, რომელიც ნიმუშისკენ არის მიმართული სინათლის ტალღის სიგრძეზე ნაკლები დიამეტრით. ამ შემთხვევაში, სინათლის ტალღა არ ტოვებს ტალღის გამტარს შორ მანძილზე, მაგრამ მხოლოდ ოდნავ "გამოდის" მისი წვერიდან. ლაზერი და თავისუფალი ბოლოდან არეკლილი სინათლის მიმღები დამონტაჟებულია ტალღის მეორე ბოლოში. შესასწავლ ზედაპირსა და ზონდის წვერს შორის მცირე მანძილზე იცვლება არეკლილი სინათლის ტალღის ამპლიტუდა და ფაზა, რაც არის სიგნალი, რომელიც გამოიყენება ზედაპირის სამგანზომილებიანი გამოსახულების შესაქმნელად.

თუ აიძულებთ სინათლეს, გაიაროს დიაფრაგმა 50-100 ნმ დიამეტრით და მიიტანოთ იგი რამდენიმე ათეული ნანომეტრის მანძილზე შესასწავლი ნიმუშის ზედაპირთან, მაშინ ასეთი „“-ის გადაადგილებით ზედაპირზე წერტილიდან. მიუთითეთ (და საკმარისად მგრძნობიარე დეტექტორით), შეგიძლიათ გამოიკვლიოთ ამ ნიმუშის ოპტიკური თვისებები ხვრელების ზომის შესაბამის ლოკალურ არეში.

ასე მუშაობს ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპი (SNOM). ხვრელის როლს (ქვეტალღური სიგრძის დიაფრაგმა) ჩვეულებრივ ასრულებს ოპტიკური ბოჭკო, რომლის ერთი ბოლო წვეტიანია და დაფარულია ლითონის თხელი ფენით, ყველგან, გარდა მცირე უბნისა წვერის ბოლოში (დიამეტრი). "მტვრისგან თავისუფალი" ტერიტორია სულ რაღაც 50-100 ნმ). მეორე ბოლოდან ლაზერის სინათლე შემოდის ასეთ სინათლის სახელმძღვანელოში.

2005 წლის დეკემბერი." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">2005 წლის დეკემბერი და არის რუსეთის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ფიზიკის ფაკულტეტის ნანოტექნოლოგიის დეპარტამენტის ერთ-ერთი საბაზო ლაბორატორია. ლაბორატორიას აქვს 4 კომპლექტი. NanoEducator სკანირებადი ზონდის მიკროსკოპების, სპეციალურად შექმნილი კომპანია NT-MDT (ზელენოგრადი, რუსეთი) ლაბორატორიული სამუშაოებისთვის... მოწყობილობები გამიზნულია სტუდენტური აუდიტორიისთვის: მათ სრულად აკონტროლებენ კომპიუტერი, აქვთ მარტივი და ინტუიციური ინტერფეისი, ანიმაცია. მხარდაჭერა და მოითხოვს ტექნიკის ეტაპობრივ დაუფლებას.

სურ.10 სკანირების ზონდის მიკროსკოპის ლაბორატორია

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის შემუშავება საფუძვლად დაედო ნანოტექნოლოგიის ახალი სფეროს - ზონდის ნანოტექნოლოგიის განვითარებას.

ლიტერატურა

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space, Phys. რევ. ლეტ. 1983 წ. 50, No 2. გვ 120-123. ამ ცნობილმა გამოცემამ გახსნა STM-ის ეპოქა.

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

3. http://ru. ვიკიპედია. ორგ

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

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

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

ზონდის სკანირების მიკროსკოპები: მოქმედების ტიპები და პრინციპი

კუვაიცევი ალექსანდრე ვიაჩესლავოვიჩი
დიმიტროვგრადის ინჟინერიისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტი, ეროვნული კვლევითი ბირთვული უნივერსიტეტის ფილიალი "MEPhI"
სტუდენტი

ანოტაცია
ეს სტატია აღწერს ზონდის მიკროსკოპის მუშაობის პრინციპს. ეს არის ფუნდამენტურად ახალი ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია პრობლემების გადაჭრა ისეთ მრავალფეროვან სფეროებში, როგორიცაა კომუნიკაციები, ბიოტექნოლოგია, მიკროელექტრონიკა და ენერგია. ნანოტექნოლოგია მიკროსკოპში მნიშვნელოვნად შეამცირებს რესურსების მოხმარებას და არ მოახდენს ზეწოლას გარემოზე, ისინი ითამაშებენ წამყვან როლს კაცობრიობის ცხოვრებაში, როგორც, მაგალითად, კომპიუტერი გახდა ადამიანების ცხოვრების განუყოფელი ნაწილი.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია: ტიპები და ოპერაციული პრინციპები

კუვაიცევი ალექსანდრე ვიაჩესლავოვიჩი
დიმიტროვგრადის ეროვნული კვლევითი ბირთვული უნივერსიტეტის MEPHI საინჟინრო და ტექნოლოგიური ინსტიტუტი
სტუდენტი

Აბსტრაქტული
ეს სტატია აღწერს ზონდის მიკროსკოპის პრინციპს. ეს არის ახალი ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია პრობლემების გადაჭრა ისეთ მრავალფეროვან სფეროებში, როგორიცაა კომუნიკაციები, ბიოტექნოლოგია, მიკროელექტრონიკა და ენერგია. ნანოტექნოლოგია მიკროსკოპში საგრძნობლად შეამცირებს რესურსების მოხმარებას და არ მოახდენს ზეწოლას გარემოზე, ისინი ითამაშებენ წამყვან როლს ადამიანის ცხოვრებაში, როგორც, მაგალითად, კომპიუტერი გახდა ადამიანების ცხოვრების განუყოფელი ნაწილი.

21-ე საუკუნეში ნანოტექნოლოგიები სწრაფად იძენს პოპულარობას, რომლებიც შეაღწევენ ჩვენი ცხოვრების ყველა სფეროში, მაგრამ მათში პროგრესი არ იქნებოდა კვლევის ახალი, ექსპერიმენტული მეთოდების გარეშე, ერთ-ერთი ყველაზე ინფორმატიული არის სკანირების ზონდის მიკროსკოპის მეთოდი. გამოიგონეს და გაავრცელეს 1986 წელს ნობელის პრემიის ლაურეატები - პროფესორი ჰაინრიხ რორერი და დოქტორი გერდ ბინიგი.

ნამდვილი რევოლუცია მოხდა მსოფლიოში ატომების ვიზუალიზაციის მეთოდების მოსვლასთან ერთად. დაიწყეს ენთუზიასტების ჯგუფების გამოჩენა, რომლებიც ქმნიდნენ საკუთარ მოწყობილობებს. შედეგად, მიღებულ იქნა რამდენიმე წარმატებული გამოსავალი ზონდის ზედაპირთან ურთიერთქმედების შედეგების ვიზუალიზაციისთვის. შეიქმნა ზონდების წარმოების ტექნოლოგიები საჭირო პარამეტრებით.

რა არის ზონდის მიკროსკოპი? უპირველეს ყოვლისა, ეს არის თავად ზონდი, რომელიც იკვლევს ნიმუშის ზედაპირს; ასევე აუცილებელია ზონდის გადაადგილების სისტემა ნიმუშთან მიმართებაში ორგანზომილებიანი ან სამგანზომილებიანი წარმოდგენით (მოძრაობს X-Y ან X-Y-Z კოორდინატების გასწვრივ). ამ ყველაფერს ემატება ჩამწერი სისტემა, რომელიც აფიქსირებს ფუნქციის მნიშვნელობას, რომელიც დამოკიდებულია ზონდიდან ნიმუშამდე დაშორებაზე. რეგისტრაციის სისტემა აფიქსირებს და ახსოვს ერთ-ერთი კოორდინატის მნიშვნელობა.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპების ძირითადი ტიპები შეიძლება დაიყოს 3 ჯგუფად:

1. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი - შექმნილია გამტარ ზედაპირების რელიეფის გასაზომად მაღალი სივრცითი გარჩევადობით.
   STM-ში ნიმუშზე ბასრი ლითონის ნემსი გადადის ძალიან მცირე მანძილზე. როდესაც ნემსზე მცირე დენი მიემართება, მასსა და ნიმუშს შორის წარმოიქმნება გვირაბის დენი, რომლის ღირებულება აღირიცხება ჩამწერი სისტემის მიერ. ნემსი გადადის ნიმუშის მთელ ზედაპირზე და აფიქსირებს გვირაბის დენის უმცირეს ცვლილებას, რის გამოც ჩნდება ნიმუშის ზედაპირის რელიეფური რუკა. STM არის პირველი სკანირების ზონდის მიკროსკოპების კლასიდან, დანარჩენი კი მოგვიანებით შეიქმნა.
2. სკანირების ატომური ძალის მიკროსკოპი - გამოიყენება ნიმუშის ზედაპირის სტრუქტურის ასაგებად ატომამდე გარჩევადობით. STM-ისგან განსხვავებით, ეს მიკროსკოპი შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გამტარ, ისე არაგამტარ ზედაპირების შესამოწმებლად. ატომების არა მხოლოდ სკანირების, არამედ მანიპულირების შესაძლებლობის გამო, მას უწოდებენ ძალას.
3. ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპი არის "მოწინავე" ოპტიკური მიკროსკოპი, რომელიც უზრუნველყოფს უკეთეს გარჩევადობას, ვიდრე ჩვეულებრივი ოპტიკური მიკროსკოპი. BOM-ის გარჩევადობის ზრდა მიღწეული იქნა შესწავლილი ობიექტიდან სინათლის აღებით ტალღის სიგრძეზე მცირე მანძილზე. თუ მიკროსკოპის ზონდი აღჭურვილია სივრცითი ველის სკანირების მოწყობილობით, მაშინ ასეთ მიკროსკოპს ეწოდება ახლო ველის სკანირების ოპტიკური მიკროსკოპი. ასეთი მიკროსკოპი შესაძლებელს ხდის ძალიან მაღალი გარჩევადობის მქონე ზედაპირების გამოსახულების მიღებას.

გამოსახულება (ნახ. 1) გვიჩვენებს ზონდის მიკროსკოპის უმარტივეს სქემას.

სურათი 1. - ზონდის მიკროსკოპის მუშაობის სქემა

მისი მუშაობა ეფუძნება ნიმუშის ზედაპირის ურთიერთქმედებას ზონდთან, ეს შეიძლება იყოს კონსოლი, ნემსი ან ოპტიკური ზონდი. ზონდსა და კვლევის ობიექტს შორის მცირე მანძილით, ურთიერთქმედების ძალების მოქმედებები, როგორიცაა მოგერიება, მიზიდულობა და ა.შ. და ეფექტების გამოვლინება, როგორიცაა ელექტრონული გვირაბი, შეიძლება ჩაიწეროს რეგისტრაციის ხელსაწყოების გამოყენებით. ამ ძალების გამოსავლენად გამოიყენება ძალიან მგრძნობიარე სენსორები, რომლებსაც შეუძლიათ ოდნავი ცვლილებების აღმოჩენა. პიეზო მილები ან სიბრტყე პარალელური სკანერები გამოიყენება როგორც კოორდინატთა სკანირების სისტემა რასტრული გამოსახულების მისაღებად.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპების შექმნის ძირითადი ტექნიკური სირთულეები მოიცავს:

1. მექანიკური მთლიანობის უზრუნველყოფა
2. დეტექტორებს უნდა ჰქონდეთ მაქსიმალური მგრძნობელობა
3. ზონდის ბოლოს უნდა ჰქონდეს მინიმალური განზომილება
4. შექმენით გაწმენდის სისტემა
5. ზონდის სიგლუვის უზრუნველყოფა

თითქმის ყოველთვის, სკანირების ზონდის მიკროსკოპით მიღებული გამოსახულება ძნელია გაშიფრვა შედეგების მიღებისას დამახინჯების გამო. როგორც წესი, საჭიროა დამატებითი მათემატიკური დამუშავება. ამისათვის გამოიყენება სპეციალიზებული პროგრამული უზრუნველყოფა.

ამჟამად, სკანირებადი ზონდი და ელექტრონული მიკროსკოპია გამოიყენება როგორც კვლევის დამატებითი მეთოდები რიგი ფიზიკური და ტექნიკური მახასიათებლების გამო. ბოლო წლების განმავლობაში, ზონდის მიკროსკოპის გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა უნიკალური სამეცნიერო კვლევების მოპოვება ფიზიკის, ქიმიისა და ბიოლოგიის სფეროებში. პირველი მიკროსკოპები იყო მხოლოდ მოწყობილობები - ინდიკატორები, რომლებიც დაეხმარნენ კვლევას, ხოლო თანამედროვე ნიმუშები არის სრულფასოვანი სამუშაო სადგურები, მათ შორის 50-მდე სხვადასხვა კვლევის მეთოდი.

ამ მოწინავე ტექნიკის მთავარი ამოცანაა სამეცნიერო შედეგების მიღება, მაგრამ ამ მოწყობილობების შესაძლებლობების პრაქტიკაში გამოყენება მოითხოვს სპეციალისტის მაღალ კვალიფიკაციას.

პიეზოელექტრული მიკროგადაადგილების სკანერების შესწავლა.

მიზანი:პიეზოელექტრული სკანერების გამოყენებით განხორციელებული სკანირების ზონდის მიკროსკოპში ობიექტების მიკროგადაადგილების უზრუნველყოფის ფიზიკური და ტექნიკური პრინციპების შესწავლა

შესავალი

სკანირების ზონდის მიკროსკოპია (SPM) არის ერთ-ერთი მძლავრი თანამედროვე მეთოდი მყარი ზედაპირის თვისებების შესასწავლად. ამჟამად თითქმის არცერთი კვლევა ზედაპირული ფიზიკისა და მიკროტექნოლოგიების სფეროში არ არის დასრულებული SPM მეთოდების გამოყენების გარეშე.

სკანირების ზონდის მიკროსკოპის პრინციპები შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ძირითადი საფუძველი ნანომასშტაბიანი მყარი მდგომარეობის სტრუქტურების შექმნის ტექნოლოგიის განვითარებისათვის (1 ნმ = 10 ა). პირველად ადამიანის მიერ შექმნილი ობიექტების შექმნის ტექნოლოგიურ პრაქტიკაში დაისვა საკითხი ატომური შეკრების პრინციპების გამოყენების შესახებ სამრეწველო პროდუქციის წარმოებაში. ასეთი მიდგომა ხსნის პერსპექტივებს ინდივიდუალური ატომების ძალიან შეზღუდული რაოდენობის შემცველი მოწყობილობების დანერგვისთვის.

სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი (STM), პირველი ზონდი მიკროსკოპების ოჯახიდან, გამოიგონეს 1981 წელს შვეიცარიელმა მეცნიერებმა G. Binnig-მა და G. Rohrer-მა. მათ ნაშრომში აჩვენეს, რომ ეს არის საკმაოდ მარტივი და ძალიან ეფექტური გზა ზედაპირის შესასწავლად მაღალი სივრცითი გარჩევადობით ატომურ წესრიგამდე. ამ ტექნიკამ რეალური აღიარება მოიპოვა რიგი მასალის ზედაპირის ატომური სტრუქტურის ვიზუალიზაციის შემდეგ და, კერძოდ, რეკონსტრუირებული სილიკონის ზედაპირი. 1986 წელს გ.ბინიგს და გ.პოპერს მიენიჭათ ნობელის პრემია ფიზიკაში გვირაბის მიკროსკოპის შექმნისთვის. გვირაბის მიკროსკოპის შემდეგ, ატომური ძალის მიკროსკოპი (AFM), მაგნიტური ძალის მიკროსკოპი (MSM), ელექტრული ძალის მიკროსკოპი (ESM), ახლო ველის ოპტიკური მიკროსკოპი (NOM) და მრავალი სხვა მოწყობილობა მსგავსი მოქმედების პრინციპებით და ე.წ. სკანირების ზონდის მიკროსკოპები.

1. სკანირების ზონდის მიკროსკოპების მუშაობის ზოგადი პრინციპები

სკანირების ზონდის მიკროსკოპებში ზედაპირის მიკრორელიეფის და ლოკალური თვისებების შესწავლა ხორციელდება სპეციალურად მომზადებული ნემსის ტიპის ზონდებით. ასეთი ზონდების (წერტილების) სამუშაო ნაწილის გამრუდების რადიუსს აქვს ათი ნანომეტრის რიგის ზომები. ზონდსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის დამახასიათებელი მანძილი ზონდის მიკროსკოპებში არის 0,1 – 10 ნმ სიდიდის მიხედვით.

ზონდის მიკროსკოპების მოქმედება ეფუძნება ზონდის სხვადასხვა სახის ფიზიკურ ურთიერთქმედებას ნიმუშის ზედაპირის ატომებთან. ამრიგად, გვირაბის მიკროსკოპის მოქმედება ეფუძნება ლითონის ნემსსა და გამტარ ნიმუშს შორის გვირაბის დენის გადინების ფენომენს; სხვადასხვა ტიპის ძალის ურთიერთქმედება საფუძვლად უდევს ატომური ძალის, მაგნიტური ძალის და ელექტრული ძალის მიკროსკოპების მუშაობას.

მოდით განვიხილოთ საერთო მახასიათებლები, რომლებიც თან ახლავს სხვადასხვა ზონდის მიკროსკოპს. მოდით, ზონდის ურთიერთქმედება ზედაპირთან ხასიათდებოდეს გარკვეული პარამეტრით რ. თუ არსებობს პარამეტრის საკმარისად მკვეთრი და ერთი-ერთზე დამოკიდებულება რზონდი-ნიმუშის მანძილიდან P = P(z), მაშინ ეს პარამეტრი შეიძლება გამოყენებულ იქნას უკუკავშირის სისტემის (FS) ორგანიზებისთვის, რომელიც აკონტროლებს მანძილს ზონდსა და ნიმუშს შორის. ნახ. 1 სქემატურად გვიჩვენებს სკანირების ზონდის მიკროსკოპის უკუკავშირის ორგანიზების ზოგად პრინციპს.

ბრინჯი. 1. ზონდის მიკროსკოპის უკუკავშირის სისტემის სქემა

უკუკავშირის სისტემა ინარჩუნებს პარამეტრის მნიშვნელობას რმუდმივი, ტოლი როოპერატორის მიერ დაყენებული. თუ ზონდსა და ზედაპირს შორის მანძილი იცვლება (მაგალითად, იზრდება), მაშინ ხდება პარამეტრის ცვლილება (მატება). რ. OS სისტემაში იქმნება განსხვავების სიგნალი, რომელიც პროპორციულია მნიშვნელობისა. პ= პ - პო, რომელიც გაძლიერებულია სასურველ მნიშვნელობამდე და მიეწოდება IE-ს მოქმედ ელემენტს. მოქმედი ელემენტი ამუშავებს ამ განსხვავების სიგნალს ზონდის ზედაპირთან მიახლოებით ან მოშორებით, სანამ განსხვავება სიგნალი ნული გახდება. ამ გზით, ზონდი-ნიმუშის მანძილი შეიძლება შენარჩუნდეს მაღალი სიზუსტით. არსებულ ზონდულ მიკროსკოპებში ზონდის ზედაპირის მანძილის შენარჩუნების სიზუსტე აღწევს ~0,01 Å. როდესაც ზონდი მოძრაობს ნიმუშის ზედაპირის გასწვრივ, ურთიერთქმედების პარამეტრი იცვლება რზედაპირის ტოპოგრაფიის გამო. OS სისტემა ამუშავებს ამ ცვლილებებს, ასე რომ, როდესაც ზონდი მოძრაობს X,Y სიბრტყეში, სიგნალი მოქმედ ელემენტზე აღმოჩნდება ზედაპირის ტოპოგრაფიის პროპორციული.

SPM სურათების მისაღებად ტარდება ნიმუშის სკანირების სპეციალურად ორგანიზებული პროცესი. სკანირებისას, ზონდი პირველად მოძრაობს ნიმუშზე გარკვეული ხაზის გასწვრივ (ხაზის სკანირება), ხოლო სიგნალის მნიშვნელობა მოქმედ ელემენტზე, ზედაპირის ტოპოგრაფიის პროპორციულად, ჩაიწერება კომპიუტერის მეხსიერებაში. შემდეგ ზონდი უბრუნდება საწყის წერტილს და გადადის შემდეგ სკანირების ხაზზე (ჩარჩოების სკანირება) და პროცესი კვლავ მეორდება. სკანირებისას ამ გზით ჩაწერილი უკუკავშირის სიგნალი მუშავდება კომპიუტერით, შემდეგ კი ზედაპირის ტოპოგრაფიის SPM გამოსახულება. Z = f(x,y)აგებულია კომპიუტერული გრაფიკის გამოყენებით. ზედაპირის ტოპოგრაფიის შესწავლასთან ერთად ზონდის მიკროსკოპები შესაძლებელს ხდის ზედაპირის სხვადასხვა თვისებების შესწავლას: მექანიკური, ელექტრო, მაგნიტური, ოპტიკური და მრავალი სხვა.