Microscopie cu sondă de scanare

Principii fizice de bază ale microscopiei cu sonde de scanare:

O caracteristică comună a tuturor microscoapelor cu sondă de scanare (și definirea numelui acestora) este prezența unei sonde microscopice, care este adusă în contact (nu întotdeauna în contact mecanic) cu suprafața studiată și, în timpul scanării, se deplasează pe o anumită zonă a ​suprafata unei marimi date.

Contactul sondei și proba implică interacțiunea acestora. Este selectată orice interacțiune de lucru. Natura acestei interacțiuni alese determină dacă dispozitivul aparține unuia sau altui tip din familia de microscoape cu sondă. Informațiile de suprafață sunt preluate prin captare (folosind un sistem de feedback) sau prin detectarea interacțiunii dintre sondă și probă.

Într-un microscop tunel, această interacțiune se manifestă prin fluxul de curent continuu în contactul tunelului. Microscopia cu forță atomică se bazează pe interacțiunea unei sonde și a unei probe cu forțe de atracție sau de repulsie. Putem aminti astfel de tipuri de microscoape cu sondă precum un microscop cu forță magnetică (sonda și proba interacționează cu forțele magnetice), un microscop în câmp apropiat (proprietățile optice ale probei sunt detectate printr-o diafragmă în miniatură situată în zona apropiată a probei). sursă de fotoni), un microscop cu forță de polarizare (proba interacționează cu sonda încărcată conductivă), etc.

Tunnel, microscopie cu sonde de forță atomică, microscopie optică în câmp apropiat. Posibilități informative și rezoluție spațială.

Tunel: Principiul de funcționare al unui microscop tunel se bazează pe trecerea unui electron printr-o barieră de potențial, care este formată printr-o întrerupere a circuitului electric - un mic spațiu între micropunctul de sondare și suprafața probei. Funcționarea dispozitivului se bazează pe binecunoscutul fenomen de tunelizare a electronilor (efect de tunel). Se aplică o tensiune electrică între vârful metalic și suprafața conductorului studiat (valori tipice ale tensiunii: de la unități de mV la V) și vârful este apropiat de suprafața probei până când apare un curent de tunel. Imaginile stabile ale multor suprafețe pot fi obținute cu un curent de tunel de 10-9 A, i.e. în 1 nA. În acest caz, vârful este aproape de suprafață la o distanță de fracții de nanometru. Pentru a obține o imagine a suprafeței, vârful metalic este deplasat peste suprafața probei, menținând o valoare constantă a curentului de tunel. În acest caz, traiectoria vârfului coincide în esență cu profilul suprafeței, vârful ocolește dealurile și urmărește depresiunile. O parte importantă a unui microscop tunel de scanare este un manipulator mecanic, care asigură mișcarea sondei pe suprafață cu o precizie de miimi de nanometru. În mod tradițional, un manipulator mecanic este realizat dintr-un material piezoceramic.

Putere atomica:Într-un microscop cu forță atomică, interacțiunea este interacțiunea forței dintre sondă și probă. rezolutie atomica pe suprafete conductoare si neconductoare. În cazul studiilor de suprafețe neîncărcate într-o atmosferă naturală (în aer), principala contribuție la interacțiunea forțelor dintre sondă și probă o au: forțele de respingere cauzate de contactul mecanic al atomilor extremi ai sondei și proba, forțele van der Waals, precum și forțele capilare asociate prezenței filmului adsorbat (apă) pe suprafața probei.

Împărțirea AFM după metoda de măsurare și fixare a interacțiunii forțelor dintre sondă și probă face posibilă distingerea a două cazuri principale: microscopia de forță atomică de contact și AFM de contact discontinuu.

Microscopie optică în câmp apropiat: imagini optice cu o rezoluție longitudinală de 50 nm. Oferă o rezoluție mai bună decât microscopul optic convențional. Creșterea rezoluției BOM este obținută prin detectarea împrăștierii luminii de la obiectul studiat la distanțe mai mici decât lungimea de undă a luminii. Dacă sonda (detectorul) microscopului în câmp apropiat este echipată cu un dispozitiv de scanare spațială, atunci un astfel de dispozitiv se numește microscop optic cu scanare în câmp apropiat. Un astfel de microscop face posibilă obținerea de imagini raster ale suprafețelor și obiectelor cu o rezoluție sub limita de difracție.

Dacă luăm ca sondă o diafragmă în miniatură cu o gaură de câțiva nanometri - o deschidere, atunci, în conformitate cu legile opticii undelor, lumina vizibilă (cu o lungime de undă de câteva sute de nanometri) pătrunde într-o gaură atât de mică, dar nu. departe, dar la o distanță comparabilă cu dimensiunile găurilor. Dacă o probă este plasată în această distanță, în așa-numitul „câmp apropiat”, lumina împrăștiată din aceasta va fi înregistrată. Prin deplasarea diafragmei în imediata apropiere a probei, ca într-un microscop tunel, obținem o imagine raster a suprafeței. Mai târziu, au fost dezvoltate microscoape de câmp apropiat care nu au folosit o deschidere - SNOM fără deschidere.

Unicitatea microscopiei optice în câmp apropiat în comparație cu alte metode de scanare constă în faptul că imaginea este construită direct în domeniul optic, inclusiv în lumina vizibilă, dar rezoluția este de multe ori mai mare decât rezoluția sistemelor optice tradiționale.

(Ca sondă se folosește o fibră optică cu o diafragmă miniaturală. La scanarea unei probe, manipulatorul deplasează diafragma în apropierea suprafeței. Radiația sursei laser, care trece prin diafragmă, luminează suprafața supusă studiului. împrăștiate sau re- lumina emisă este înregistrată într-un microscop cu acest design.Ca urmare a faptului că împrăștierea luminii are loc în zona apropiată (la o distanță de diafragma emitentă mai mică decât lungimea de undă a luminii), este posibil să se depășească limitarea fundamentală a microscopia optică convențională în ceea ce privește rezoluția: detaliile suprafeței de zeci de nanometri în dimensiune devin vizibile.)

Elemente de bază ale unui microscop cu sondă de scanare.

Consolă, sondă (pentru fiecare microscopie a sa), manipulator mecanic, laser, fotodiodă, sistem de feedback. În termeni simpli: o sondă, un sistem de mișcare, un sistem de înregistrare.

Aplicație în studiul nano-obiectelor și măsurătorilor liniare în nanorange.

Cele mai izbitoare demonstrații ale posibilităților acestei direcții experimentale în studiul suprafețelor solide pot fi: rezultatele vizualizării directe a reconstrucției suprafeței, manipularea atomilor individuali pentru a înregistra informații cu o densitate record, studiul efectului local al suprafeței. defecte ale structurii benzii a probei etc.

Noile posibilități ale acestei direcții în comparație cu metodele tradiționale de investigare a suprafețelor fac deosebit de promițătoare utilizarea microscopiei cu sondă (în special, microscopia de forță atomică (AFM) pentru studiul materialelor biologice și organice. Progrese semnificative au fost înregistrate și pe această cale în ultima perioadă. În special, în ceea ce privește cercetarea acizilor nucleici, putem aminti astfel de rezultate precum vizualizarea moleculelor individuale de ADN și studiul stării lor conformaționale în medii lichide, măsurarea directă a forțelor de interacțiune a nucleotidelor complementare și vizualizarea în timp real a proceselor de interacțiune dintre ADN și proteine.

Universitatea Pedagogică de Stat Karelian

Microscopie cu sondă de scanare

Realizat de: Barbara O.

554 gr. (2007)

Microscop cu sondă de scanare (SPM), structura și principiul său de funcționare

Microscopie cu sondă de scanare (SPM)- una dintre metodele moderne puternice pentru studiul morfologiei și proprietăților locale ale suprafeței unui corp solid cu rezoluție spațială mare

În ciuda varietății de tipuri și aplicații ale microscoapelor moderne de scanare, funcționarea lor se bazează pe principii similare, iar designul lor diferă puțin unul de celălalt. Pe fig. 1 prezintă o schemă generalizată a unui microscop cu sondă de scanare (SPM).

Fig.1 Schema generalizată a unui microscop cu sondă de scanare (SPM).

Principiul funcționării sale este următorul. Folosind un sistem de poziționare grosieră, sonda de măsurare este adusă la suprafața probei de testat. Când proba și sonda se apropie de la o distanță mai mică de sute de nm, sonda începe să interacționeze cu structurile de suprafață ale suprafeței analizate. Mișcarea sondei de-a lungul suprafeței probei se realizează folosind un dispozitiv de scanare, care asigură scanarea suprafeței cu acul sondei. Este de obicei un tub piezoceramic cu trei perechi de electrozi separați aplicați pe suprafața sa. Sub acțiunea tensiunilor Ux și Uy aplicate piezotubului, acesta se îndoaie, asigurând astfel mișcarea sondei în raport cu proba de-a lungul axelor X și Y; sub acțiunea tensiunii Uz este comprimată sau întinsă, ceea ce o face posibilă modificarea distanței ac-probă.

Efectul piezoelectric în cristale a fost descoperit în 1880 de frații P. și J. Curie, care au observat apariția la suprafață a plăcilor tăiate cu o anumită orientare dintr-un cristal de cuarț, sarcini electrostatice sub acțiunea solicitărilor mecanice. Aceste sarcini sunt proporționale cu solicitarea mecanică, își schimbă semnul cu acesta și dispar atunci când este îndepărtată.

Formarea sarcinilor electrostatice pe suprafața unui dielectric și apariția polarizării electrice în interiorul acestuia ca urmare a stresului mecanic se numește efect piezoelectric direct.

Alături de directă, există un efect piezoelectric invers, care constă în faptul că într-o placă tăiată dintr-un cristal piezoelectric are loc deformarea mecanică sub acțiunea unui câmp electric aplicat acesteia; în plus, mărimea deformației mecanice este proporțională cu intensitatea câmpului electric. Efectul piezoelectric se observă numai la dielectricii solizi, în principal cei cristalini. În structurile care au un centru de simetrie, nicio deformare uniformă nu poate perturba echilibrul intern al rețelei cristaline și, prin urmare, doar 20 de clase de cristale cărora le lipsește un centru de simetrie sunt piezoelectrice. Absența unui centru de simetrie este o condiție necesară, dar nu suficientă pentru existența efectului piezoelectric și, prin urmare, nu toate cristalele acentrice îl au.

Efectul piezoelectric nu poate fi observat în dielectricii solidi amorfi și criptocristalini. (Piezoelectrice - monocristale: Cuarț. Proprietățile piezoelectrice ale cuarțului sunt utilizate pe scară largă în inginerie pentru a stabiliza și filtra frecvențele radio, pentru a genera vibrații ultrasonice și pentru a măsura cantități mecanice. Turmalina. Principalul avantaj al turmalinei este valoarea mai mare a coeficientului parțial în comparație cu cuarțul. Datorită acestui fapt și, de asemenea, datorită rezistenței mecanice mai mari a turmalinei, este posibil să se producă rezonatoare pentru frecvențe mai mari.

În prezent, turmalina nu este aproape niciodată folosită pentru fabricarea rezonatoarelor piezoelectrice și are o utilizare limitată pentru măsurarea presiunii hidrostatice.

sare Rochelle. Elementele piezoelectrice de sare Rochelle au fost utilizate pe scară largă în echipamentele care funcționează într-un interval de temperatură relativ îngust, în special în pickup-uri. Cu toate acestea, în prezent, acestea au fost aproape complet înlocuite cu elemente ceramice piezoelectrice.

Senzorul de poziție a sondei monitorizează continuu poziția sondei față de probă și, printr-un sistem de feedback, transmite date despre aceasta către un sistem informatic care controlează mișcarea scanerului. Pentru a înregistra forțele de interacțiune dintre sondă și suprafață, se utilizează de obicei o metodă bazată pe înregistrarea deviației unui fascicul laser semiconductor reflectat de vârful sondei. La microscoapele de acest tip, fasciculul de lumină reflectat cade în centrul unei fotodiode cu două sau patru secțiuni conectate într-un circuit diferențial. Sistemul informatic servește, pe lângă controlul scanerului, și pentru prelucrarea datelor de la sondă, analizarea și afișarea rezultatelor examinării suprafeței.

După cum puteți vedea, structura microscopului este destul de simplă. De interes principal este interacțiunea sondei cu suprafața studiată. Este tipul de interacțiune utilizat de un anumit microscop cu sondă de scanare care determină capacitățile și domeniul de aplicare al acestuia. (diapozitiv) După cum sugerează și numele, unul dintre elementele principale ale unui microscop cu sondă de scanare este o sondă. O caracteristică comună a tuturor microscoapelor cu sondă de scanare este metoda de obținere a informațiilor despre proprietățile suprafeței studiate. Sonda microscopică se apropie de suprafață până când se stabilește un echilibru de interacțiuni de o anumită natură între sondă și probă, după care se efectuează scanarea.

Microscop cu tunel de scanare (STM), structura și principiul său de funcționare

Primul prototip SPM a fost microscopul de scanare tunel (STM), inventat în 1981. oamenii de știință ai laboratorului de cercetare IBM din Zurich, Gerhard Binnig și Heinrich Röhrer. Cu ajutorul acestuia, au fost obținute pentru prima dată imagini reale ale suprafețelor cu rezoluție atomică, în special, o reconstrucție 7x7 pe o suprafață de siliciu (Fig. 2).

Fig.3 Imagine STM a suprafeței de siliciu monocristal. Reconstrucție 7 x 7

Toate metodele SPM cunoscute în prezent pot fi împărțite condiționat în trei grupuri principale:

– microscopie cu scanare tunel; STM folosește un ac conducător ascuțit ca sondă

Dacă se aplică o tensiune de polarizare între vârf și probă, atunci când vârful acului se apropie de eșantion la o distanță de aproximativ 1 nm, între ele ia naștere un curent de tunel, a cărui magnitudine depinde de distanța „ac-probă”. ", iar direcția depinde de polaritatea tensiunii (Fig. 4). Pe măsură ce vârful acului se îndepărtează de suprafața studiată, curentul de tunel scade și, pe măsură ce se apropie, crește. Astfel, folosind date despre curentul de tunel la un anumit set de puncte de suprafață, este posibil să se construiască o imagine a topografiei suprafeței.

Fig.4 Schema apariției curentului de tunel.

- microscopia forței atomice; înregistrează modificări ale forţei de atracţie a acului către suprafaţă de la un punct la altul. Acul este situat la capătul unei grinzi cantilever (consolă), care are o rigiditate cunoscută și este capabil să se îndoaie sub acțiunea unor mici forțe van der Waals care apar între suprafața studiată și vârful vârfului. Deformarea cantileverului se inregistreaza prin deformarea fasciculului laser incidenta pe suprafata sa posterioara, sau prin efectul piezoresistiv care apare in cantilever propriu-zis la incovoiere;

– microscopie optică în câmp apropiat; în ea, sonda este un ghid de undă optică (fibră optică), înclinându-se la capătul care este îndreptat spre eșantion la un diametru mai mic decât lungimea de undă a luminii. În acest caz, unda luminoasă nu părăsește ghidul de undă pe o distanță lungă, ci doar ușor „cade” din vârf. Un laser și un receptor de lumină reflectată de la capătul liber sunt instalate la celălalt capăt al ghidului de undă. La o distanță mică între suprafața studiată și vârful sondei, amplitudinea și faza undei de lumină reflectată se modifică, care este semnalul utilizat pentru a construi o imagine tridimensională a suprafeței.

În funcție de curentul de tunel sau de distanța dintre ac și suprafață, sunt posibile două moduri de funcționare ale microscopului de scanare tunel. În modul de înălțime constantă, vârful acului se mișcă într-un plan orizontal deasupra probei, iar curentul de tunel se modifică în funcție de distanța până la acesta (Fig. 5a). În acest caz, semnalul de informare este valoarea curentului de tunel măsurat la fiecare punct de scanare al suprafeței probei. Pe baza valorilor obținute ale curentului tunelului, se construiește o imagine a topografiei.

Orez. Fig. 5. Schema de funcţionare STM: a - în regim de înălţime constantă; b - în regim de curent continuu

În modul curent constant, sistemul de feedback al microscopului asigură constanta curentului de tunel prin ajustarea distanței „ac-probă” la fiecare punct de scanare (Fig. 5b). Monitorizează modificările curentului tunelului și controlează tensiunea aplicată scanerului pentru a compensa aceste modificări. Cu alte cuvinte, pe măsură ce curentul crește, sistemul de feedback îndepărtează sonda de probă și, pe măsură ce scade, o apropie. În acest mod, imaginea este construită pe baza datelor privind cantitatea de mișcare verticală a dispozitivului de scanare.

Ambele moduri au avantajele și dezavantajele lor. În modul înălțime constantă, puteți obține rezultate mai rapid, dar numai pentru suprafețe relativ netede. În modul curent constant, suprafețele neregulate pot fi măsurate cu mare precizie, dar măsurătorile durează mai mult.

Având o sensibilitate ridicată, microscoapele cu scanare tunel au oferit omenirii posibilitatea de a vedea atomii conductorilor și semiconductorilor. Dar din cauza limitărilor de proiectare, este imposibil să se obțină o imagine a materialelor neconductoare pe STM. În plus, pentru funcționarea de înaltă calitate a unui microscop tunel, trebuie îndeplinite o serie de condiții foarte stricte, în special funcționarea în vid și pregătirea specială a probelor. Astfel, deși nu se poate spune că prima clătită a lui Binnig și Röhrer s-a dovedit a fi cocoloase, produsul a ieșit puțin umed.

Au trecut cinci ani și Gerhard Binning, împreună cu Calvin Quayt și Christopher Gerber, au inventat un nou tip de microscop, pe care l-au numit microscop de forță atomică (AFM), pentru care în același 1986. G. Binnig și H. Röhrer au primit Premiul Nobel pentru Fizică. Noul microscop a ocolit limitările predecesorului său. Folosind AFM, este posibil să se obțină imagini ale suprafeței materialelor conductoare și neconductoare cu rezoluție atomică, în plus, în condiții atmosferice. Un avantaj suplimentar al microscoapelor cu forță atomică este capacitatea de a-și vizualiza proprietățile electrice, magnetice, elastice și alte proprietăți împreună cu măsurătorile topografiei de suprafață.

Microscopul de forță atomică (AFM), structura și principiul său de funcționare

Cea mai importantă componentă a ACM (Microscop de forță atomică) sunt sonde de scanare - cantilever, proprietățile microscopului depind direct de proprietățile cantilever.

Consolul este o grindă flexibilă (175x40x4 microni - date medii) cu un anumit coeficient de rigiditate k(10-3 - 10 N/m), la capătul căruia se află un microac (Fig. 1). Intervalul razei de curbură R vârful acului odată cu dezvoltarea AFM sa schimbat de la 100 la 5 nm. Evident, cu scădere R Microscopul vă permite să obțineți imagini cu rezoluție mai mare. Unghiul vârfului acului A este, de asemenea, o caracteristică importantă a sondei, de care depinde calitatea imaginii. Aîn diferite console variază de la 200 la 700, nu este greu de presupus că cu cât mai puțin A, cu atât calitatea imaginii rezultate este mai mare.

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

deci pentru a îmbunătăți w0 lungimea consolei (de care depinde coeficientul de rigiditate) este de ordinul mai multor microni, iar masa nu depaseste 10-10 kg. Frecvențele de rezonanță ale diferitelor console variază de la 8 la 420 kHz.

Metoda de scanare AFM este următoarea (Figura 2) : vârful sondei este deasupra suprafeței probei, în timp ce sonda se mișcă în raport cu eșantionul, ca un fascicul într-un tub catodic al unui televizor (scanare progresivă). Raza laser îndreptată spre suprafața sondei (care se îndoaie în funcție de peisajul probei), reflectată, lovește fotodetectorul, care fixează deviația fasciculului. În acest caz, deformarea acului în timpul scanării este cauzată de interacțiunea interatomică a suprafeței probei cu vârful acesteia. Cu ajutorul prelucrării computerizate a semnalelor fotodetectorului, se pot obține imagini tridimensionale ale suprafeței probei studiate.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Orez. 8. Dependența puterii interacțiunii interatomice de distanța dintre vârf și probă

Forțele de interacțiune ale sondei cu suprafața sunt împărțite în rază scurtă și rază lungă. Forțele cu rază scurtă de acțiune apar la o distanță de ordinul 1-10 A atunci când învelișurile de electroni ale atomilor de la vârful acului și suprafața se suprapun și scad rapid odată cu creșterea distanței. Doar câțiva atomi (în cel limită) ai vârfului acului intră în interacțiune pe distanță scurtă cu atomii de suprafață. Când imaginează o suprafață folosind acest tip de forță, AFM funcționează în modul de contact.

Există un mod de scanare de contact, când vârful sondei atinge suprafața probei, intermitent - sonda atinge periodic suprafața probei în timpul scanării și fără contact, când sonda se află la câțiva nanometri de suprafața scanată (cel din urmă mod de scanare este rar folosit, deoarece forțele de interacțiune dintre sondă și probă sunt practic greu de captat).

capabilități STM

STM a fost învățat nu numai să facă distincția între atomii individuali, ci și să determine forma acestora.
Mulți oameni nu au realizat încă pe deplin faptul că microscoapele de scanare cu tunel (STM) sunt capabile să recunoască atomi individuali, deoarece următorul pas a fost deja făcut: acum a devenit posibil să se determine chiar și forme atom individual în spațiul real (mai precis, forma de distribuție a densității electronilor în jurul nucleului atomic).

Microscop optic în câmp apropiat, structura și principiul de funcționare

Microscopie optică în câmp apropiat; în ea, sonda este un ghid de undă optică (fibră optică), înclinându-se la capătul care este îndreptat spre eșantion la un diametru mai mic decât lungimea de undă a luminii. În acest caz, unda luminoasă nu părăsește ghidul de undă pe o distanță lungă, ci doar ușor „cade” din vârf. Un laser și un receptor de lumină reflectată de la capătul liber sunt instalate la celălalt capăt al ghidului de undă. La o distanță mică între suprafața studiată și vârful sondei, amplitudinea și faza undei de lumină reflectată se modifică, care este semnalul utilizat pentru a construi o imagine tridimensională a suprafeței.

Dacă forțați lumina să treacă printr-o diafragmă cu un diametru de 50-100 nm și o apropiați la o distanță de câteva zeci de nanometri de suprafața probei studiate, atunci deplasând un astfel de „ ” peste suprafață din punct la punct (și având un detector suficient de sensibil), puteți investiga proprietățile optice ale acestei probe într-o zonă locală corespunzătoare dimensiunii găurii.

Acesta este modul în care funcționează un microscop optic de scanare în câmp apropiat (SNOM). Rolul găurii (diafragmul sublungimii de undă) este îndeplinit de obicei de o fibră optică, al cărei capăt este ascuțit și acoperit cu un strat subțire de metal, peste tot, cu excepția unei zone mici chiar în vârful vârfului (diametrul vârfului). zona „fără praf” este de doar 50-100 nm). De la celălalt capăt, lumina de la un laser intră într-un astfel de ghid de lumină.

Decembrie 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">Decembrie 2005 și este unul dintre laboratoarele de bază ale Departamentului de Nanotehnologie al Facultății de Fizică a Universității de Stat din Rusia. Laboratorul are 4 seturi de microscoape cu sondă de scanare NanoEducator, special dezvoltate de compania NT-MDT (Zelenograd, Rusia) pentru lucrări de laborator... Dispozitivele se adresează unui public studențesc: sunt controlate complet de un computer, au o interfață simplă și intuitivă, animație sprijin și necesită o stăpânire treptată a tehnicilor.

Fig.10 Laboratorul de microscopie cu sonda de scanare

Dezvoltarea microscopiei cu sonde de scanare a servit drept bază pentru dezvoltarea unei noi domenii de nanotehnologie - nanotehnologia sondei.

Literatură

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space, Phys. Rev. Lett. 1983 Vol. 50, nr 2. P. 120-123. Această publicație faimoasă a deschis era STM.

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. *****/lista_articole. html

MICROSCOAPE SONDE DE SCANARE: TIPURI ŞI PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE

Kuvaytsev Alexander Viaceslavovich
Institutul de Inginerie și Tehnologie Dimitrovgrad Filiala a Universității Naționale de Cercetare Nucleară „MEPhI”
student

adnotare
Acest articol descrie principiul de funcționare al unui microscop cu sondă. Aceasta este o tehnologie fundamental nouă, care poate rezolva probleme în domenii atât de diverse precum comunicațiile, biotehnologia, microelectronica și energia. Nanotehnologia în microscopie va reduce semnificativ consumul de resurse și nu va pune presiune asupra mediului, acestea vor juca un rol principal în viața omenirii, deoarece, de exemplu, computerul a devenit o parte integrantă a vieții oamenilor.

MICROSCOPIE SONDE DE SCANARE: TIPURI ȘI PRINCIPII DE OPERARE

Kuvaytsev Aleksandr Viaceslavovici
Institutul de Inginerie și Tehnologie Dimitrovgrad al Universității Naționale de Cercetare Nucleară MEPHI
student

Abstract
Acest articol descrie principiul unui microscop cu sondă. Este o tehnologie nouă care poate rezolva probleme în domenii atât de diverse precum comunicațiile, biotehnologia, microelectronica și energia. Nanotehnologia în microscopie va reduce semnificativ consumul de resurse și nu va pune presiune asupra mediului, acestea vor juca un rol principal în viața umană, deoarece, de exemplu, computerul a devenit o parte integrantă a vieții oamenilor.

În secolul 21, nanotehnologiile câștigă rapid popularitate, care pătrund în toate sferele vieții noastre, dar nu ar exista progrese în ele fără metode noi, experimentale de cercetare, una dintre cele mai informative este metoda de scanare cu sonde de microscopie, care a fost inventat si distribuit de laureatii Nobel in 1986 - Prof. Heinrich Rohrer si Dr. Gerd Binnig.

O adevărată revoluție a avut loc în lume odată cu apariția metodelor de vizualizare a atomilor. Au început să apară grupuri de entuziaști care își proiectau propriile dispozitive. Ca urmare, au fost obținute mai multe soluții de succes pentru vizualizarea rezultatelor interacțiunii sondei cu suprafața. Au fost create tehnologii pentru producerea de sonde cu parametrii necesari.

Deci, ce este un microscop cu sondă? În primul rând, aceasta este sonda în sine, care examinează suprafața probei; este, de asemenea, necesar un sistem de deplasare a sondei în raport cu eșantionul în reprezentare bidimensională sau tridimensională (se mișcă de-a lungul coordonatelor X-Y sau X-Y-Z). Toate acestea sunt completate de un sistem de înregistrare care fixează valoarea unei funcții care depinde de distanța de la sondă la probă. Sistemul de înregistrare fixează și reține valoarea uneia dintre coordonate.

Principalele tipuri de microscoape cu sondă de scanare pot fi împărțite în 3 grupuri:

1. Microscop cu scanare tunel - conceput pentru a măsura relieful suprafețelor conductoare cu rezoluție spațială mare.
   În STM, un ac metalic ascuțit este trecut peste probă la o distanță foarte mică. Atunci când acului este aplicat un curent mic, între acesta și eșantion ia naștere un curent de tunel, a cărui valoare este înregistrată de sistemul de înregistrare. Acul este trecut pe întreaga suprafață a probei și surprinde cea mai mică modificare a curentului tunelului, datorită căreia iese o hartă în relief a suprafeței probei. STM este primul dintr-o clasă de microscoape cu sondă de scanare, restul au fost dezvoltate mai târziu.
2. Microscop cu forță atomică de scanare - folosit pentru a construi structura de suprafață a probei cu o rezoluție de până la atomică. Spre deosebire de STM, acest microscop poate fi folosit pentru a examina atât suprafețele conductoare, cât și cele neconductoare. Datorită capacității nu numai de a scana, ci și de a manipula atomii, se numește putere.
3. Un microscop optic în câmp apropiat este un microscop optic „avansat” care oferă o rezoluție mai bună decât un microscop optic convențional. O creștere a rezoluției BOM a fost obținută prin captarea luminii de la obiectul studiat la distanțe mai mici decât lungimea de undă. Dacă sonda microscopului este echipată cu un dispozitiv pentru scanarea câmpului spațial, atunci un astfel de microscop se numește microscop optic de scanare al câmpului apropiat. Un astfel de microscop face posibilă obținerea de imagini ale suprafețelor cu rezoluție foarte mare.

Imaginea (Fig. 1) prezintă cea mai simplă schemă a microscopului cu sondă.

Figura 1. - Schema de funcționare a unui microscop cu sondă

Funcționarea sa se bazează pe interacțiunea suprafeței probei cu o sondă, aceasta poate fi un cantilever, un ac sau o sondă optică. Cu o distanță mică între sondă și obiectul de studiu, acțiunile forțelor de interacțiune, cum ar fi repulsie, atracție etc., și manifestarea efectelor, cum ar fi tunelul de electroni, pot fi înregistrate folosind instrumente de înregistrare. Pentru detectarea acestor forțe se folosesc senzori foarte sensibili care pot detecta cele mai mici modificări. Tuburile piezo sau scanerele plan-paralele sunt folosite ca sistem de scanare a coordonatelor pentru a obține o imagine raster.

Principalele dificultăți tehnice în crearea microscoapelor cu sondă de scanare includ:

1. Asigurarea integritatii mecanice
2. Detectoarele trebuie să aibă sensibilitate maximă
3. Capătul sondei trebuie să aibă o dimensiune minimă
4. Creați un sistem de măturare
5. Asigurarea netezirii sondei

Aproape întotdeauna, imaginea obținută de un microscop cu sondă de scanare este greu de descifrat din cauza distorsiunilor în obținerea rezultatelor. De regulă, este necesară o prelucrare matematică suplimentară. Pentru aceasta se folosește software specializat.

În prezent, sonda de scanare și microscopia electronică sunt utilizate ca metode de cercetare complementare datorită unui număr de caracteristici fizice și tehnice. În ultimii ani, utilizarea microscopiei cu sonde a făcut posibilă obținerea de cercetări științifice unice în domeniile fizicii, chimiei și biologiei. Primele microscoape au fost doar dispozitive - indicatori care au ajutat în cercetare, iar mostrele moderne sunt stații de lucru cu drepturi depline, care includ până la 50 de metode de cercetare diferite.

Sarcina principală a acestei tehnici avansate este obținerea de rezultate științifice, dar aplicarea capacităților acestor dispozitive în practică necesită calificări înalte din partea unui specialist.

Studiul scanerelor piezoelectrice cu microdeplasare.

Obiectiv: studiul principiilor fizice și tehnice de asigurare a microdeplasărilor obiectelor în microscopia cu sonde de scanare, implementat cu ajutorul scanerelor piezoelectrice

Introducere

Microscopia cu sondă de scanare (SPM) este una dintre metodele moderne puternice pentru studiul proprietăților unei suprafețe solide. În prezent, aproape nicio cercetare în domeniul fizicii suprafețelor și al microtehnologiilor nu este completă fără utilizarea metodelor SPM.

Principiile microscopiei cu sonde de scanare pot fi folosite ca bază de bază pentru dezvoltarea tehnologiei de creare a structurilor în stare solidă la scară nanometrică (1 nm = 10 A). Pentru prima dată în practica tehnologică de creare a obiectelor create de om, se pune problema utilizării principiilor asamblarii atomice în fabricarea produselor industriale. O astfel de abordare deschide perspective pentru implementarea dispozitivelor care conțin un număr foarte limitat de atomi individuali.

Microscopul de scanare cu tunel (STM), primul dintr-o familie de microscoape cu sondă, a fost inventat în 1981 de oamenii de știință elvețieni G. Binnig și G. Rohrer. În munca lor, ei au arătat că aceasta este o modalitate destul de simplă și foarte eficientă de a studia suprafața cu o rezoluție spațială mare până la ordinea atomică. Această tehnică a câștigat recunoaștere reală după vizualizarea structurii atomice a suprafeței unui număr de materiale și, în special, a suprafeței de siliciu reconstruită. În 1986, G. Binnig și G. Poper au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru crearea microscopului tunel. După microscopul tunel, un microscop cu forță atomică (AFM), un microscop cu forță magnetică (MSM), un microscop cu forță electrică (ESM), un microscop optic în câmp apropiat (NOM) și multe alte dispozitive cu principii de funcționare similare și numite microscoape cu sondă de scanare.

1. Principii generale de funcționare a microscoapelor cu sondă de scanare

În microscoapele cu sondă de scanare, studiul microreliefului și proprietăților locale ale suprafeței se realizează folosind sonde de tip ac special pregătite. Raza de curbură a părții de lucru a unor astfel de sonde (puncte) are dimensiuni de ordinul a zece nanometri. Distanța caracteristică dintre sondă și suprafața probei în microscoapele cu sondă este de 0,1 – 10 nm în ordinea mărimii.

Funcționarea microscoapelor cu sondă se bazează pe diferite tipuri de interacțiune fizică a sondei cu atomii de pe suprafața probei. Astfel, funcționarea unui microscop tunel se bazează pe fenomenul de curent de tunel care curge între un ac de metal și o probă conducătoare; diferite tipuri de interacțiune a forțelor stau la baza funcționării forței atomice, forței magnetice și forțelor electrice.

Să luăm în considerare caracteristicile comune inerente diferitelor microscoape cu sondă. Fie ca interacțiunea sondei cu suprafața să fie caracterizată de un parametru R. Dacă există o dependență suficient de clară și unu-la-unu a parametrului R de la distanța sondă-probă P = P(z), atunci acest parametru poate fi folosit pentru a organiza un sistem de feedback (FS) care controlează distanța dintre sondă și probă. Pe fig. 1 prezintă schematic principiul general al organizării feedback-ului unui microscop cu sondă de scanare.

Orez. 1. Schema sistemului de feedback al microscopului cu sondă

Sistemul de feedback menține valoarea parametrului R constantă, egală cu Ro stabilite de operator. Dacă distanța sondă-suprafață se modifică (de exemplu, crește), atunci există o modificare (creștere) a parametrului R. În sistemul OS, se formează un semnal de diferență care este proporțional cu valoarea. P= P - Po, care este amplificată la valoarea dorită și este alimentată la elementul de acționare al IE. Elementul de acţionare îndeplineşte acest semnal de diferenţă prin apropierea sondei de suprafaţă sau îndepărtarea acesteia până când semnalul diferenţei devine zero. În acest fel, distanța sondă-probă poate fi menținută cu mare precizie. În microscoapele cu sondă existente, precizia păstrării distanței sondă-suprafață ajunge la ~0,01 Å. Când sonda se mișcă de-a lungul suprafeței probei, parametrul de interacțiune se modifică R, datorita topografiei suprafetei. Sistemul OS realizează aceste modificări, astfel încât atunci când sonda se mișcă în planul X,Y, semnalul de pe elementul de acționare se dovedește a fi proporțional cu topografia suprafeței.

Pentru a obține o imagine SPM, se efectuează un proces special organizat de scanare a unui eșantion. La scanare, sonda se deplasează mai întâi peste eșantion de-a lungul unei anumite linii (line scanning), în timp ce valoarea semnalului de pe elementul de acționare, proporțională cu topografia suprafeței, este înregistrată în memoria computerului. Apoi sonda revine la punctul de pornire și trece la următoarea linie de scanare (scanare cadru), iar procesul se repetă din nou. Semnalul de feedback înregistrat în acest mod în timpul scanării este procesat de un computer, iar apoi imaginea SPM a topografiei suprafeței Z = f(x,y) construit folosind grafica computerizata. Alături de studiul topografiei suprafeței, microscoapele cu sondă fac posibilă studierea diferitelor proprietăți ale suprafeței: mecanice, electrice, magnetice, optice și multe altele.