Pag-scan ng probe microscopy

Mga pangunahing pisikal na prinsipyo ng pag-scan ng probe microscopy:

Ang isang karaniwang tampok ng lahat ng pag-scan ng probe microscope (at pagtukoy sa kanilang pangalan) ay ang pagkakaroon ng isang mikroskopiko na probe, na dinadala sa contact (hindi palaging mekanikal na contact) sa ibabaw na pinag-aaralan at, sa panahon ng pag-scan, gumagalaw sa isang tiyak na lugar ng ​ibabaw ng isang naibigay na sukat.

Ang contact ng probe at ang sample ay nagpapahiwatig ng kanilang pakikipag-ugnayan. Pinili ang anumang pakikipag-ugnayan sa trabaho. Tinutukoy ng likas na katangian ng napiling pakikipag-ugnayan na ito kung ang device ay kabilang sa isa o ibang uri sa loob ng pamilya ng mga probe microscope. Kinukuha ang impormasyon sa ibabaw sa pamamagitan ng pagkuha (gamit ang feedback system) o sa pamamagitan ng pag-detect ng interaksyon sa pagitan ng probe at ng sample.

Sa isang tunnel microscope, ang pakikipag-ugnayan na ito ay nagpapakita ng sarili sa daloy ng direktang kasalukuyang sa kontak ng tunel. Ang atomic force microscopy ay batay sa pakikipag-ugnayan ng isang probe at isang sample na may mga puwersa ng pagkahumaling o pagtanggi. Maaari nating banggitin ang mga ganitong uri ng probe microscope bilang magnetic force microscope (ang probe at ang sample ay nakikipag-ugnayan sa magnetic forces), isang near-field microscope (ang optical properties ng sample ay nakita sa pamamagitan ng miniature diaphragm na matatagpuan sa malapit na zone ng photon source), isang polarizing force microscope (ang sample ay nakikipag-ugnayan sa conductive charged probe), atbp.

Tunneling, atomic force probe microscopy, malapit sa field optical microscopy. Mga posibilidad na nagbibigay-kaalaman at spatial na resolusyon.

Tunnel: Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang tunneling microscope ay batay sa pagpasa ng isang elektron sa pamamagitan ng isang potensyal na hadlang, na nabuo sa pamamagitan ng isang break sa electrical circuit - isang maliit na agwat sa pagitan ng probing micropoint at ang ibabaw ng sample. Ang pagpapatakbo ng device ay batay sa kilalang phenomenon ng electron tunneling (tunneling effect). Ang isang boltahe ng kuryente ay inilalapat sa pagitan ng dulo ng metal at ng ibabaw ng konduktor na pinag-aaralan (karaniwang mga halaga ng boltahe: mula sa mga yunit ng mV hanggang V) at ang dulo ay inilalapit sa ibabaw ng sample hanggang sa lumitaw ang isang tunnel current. Ang mga matatag na imahe ng maraming mga ibabaw ay maaaring makuha sa isang tunneling kasalukuyang ng 10-9 A, i.e. sa 1 nA. Sa kasong ito, ang dulo ay malapit sa ibabaw sa layo ng mga fraction ng isang nanometer. Upang makakuha ng isang imahe ng ibabaw, ang dulo ng metal ay inilipat sa ibabaw ng sample, pinapanatili ang isang pare-pareho ang halaga ng kasalukuyang tunneling. Sa kasong ito, ang trajectory ng tip ay mahalagang tumutugma sa profile sa ibabaw, ang tip ay pumupunta sa paligid ng mga burol at sinusubaybayan ang mga depressions. Ang isang mahalagang bahagi ng isang pag-scan ng tunneling microscope ay isang mekanikal na manipulator, na nagsisiguro sa paggalaw ng probe sa ibabaw na may katumpakan ng ika-1000 ng isang nanometer. Ayon sa kaugalian, ang isang mekanikal na manipulator ay gawa sa isang piezoceramic na materyal.

Atomic power: Sa isang atomic force microscope, ang interaksyon ay ang force interaction sa pagitan ng probe at ng sample. atomic na resolusyon sa conductive at non-conductive surface. Sa kaso ng mga pag-aaral ng mga hindi naka-charge na ibabaw sa isang natural na kapaligiran (sa hangin), ang pangunahing kontribusyon sa pakikipag-ugnayan ng puwersa sa pagitan ng probe at sample ay ginawa ng: ang mga salungat na puwersa na dulot ng mekanikal na pakikipag-ugnay ng mga matinding atomo ng probe at ang sample, ang mga puwersa ng van der Waals, gayundin ang mga puwersa ng capillary na nauugnay sa pagkakaroon ng film adsorbate (tubig) sa ibabaw ng sample.

Ang paghahati ng AFM ayon sa paraan ng pagsukat at pag-aayos ng pakikipag-ugnayan ng puwersa sa pagitan ng probe at ng sample ay ginagawang posible na makilala ang dalawang pangunahing mga kaso: makipag-ugnay sa atomic force microscopy at hindi tuluy-tuloy na contact AFM.

Malapit sa field optical microscopy: optical na imahe na may longitudinal na resolution na 50 nm. Nagbibigay ng mas mahusay na resolution kaysa sa maginoo optical mikroskopyo. Ang pagtaas ng resolution ng BOM ay nakakamit sa pamamagitan ng pag-detect ng scattering ng liwanag mula sa bagay na pinag-aaralan sa mga distansyang mas maliit kaysa sa wavelength ng liwanag. Kung ang probe (detector) ng malapit na field microscope ay nilagyan ng spatial scanning device, kung gayon ang naturang device ay tinatawag na near field scanning optical microscope. Ginagawang posible ng gayong mikroskopyo na makakuha ng mga raster na larawan ng mga ibabaw at bagay na may resolusyon na mas mababa sa limitasyon ng diffraction.

Kung kukuha tayo bilang isang probe ng isang miniature diaphragm na may butas ng ilang nanometer - isang aperture, kung gayon, alinsunod sa mga batas ng wave optics, ang nakikitang ilaw (na may wavelength ng ilang daang nanometer) ay tumagos sa isang maliit na butas, ngunit hindi. malayo, ngunit sa layo na maihahambing sa laki ng mga butas. Kung ang isang sample ay inilagay sa loob ng distansyang ito, sa tinatawag na "near field", ang liwanag na nakakalat mula dito ay itatala. Sa pamamagitan ng paglipat ng diaphragm sa malapit sa sample, tulad ng sa isang tunneling microscope, nakakakuha kami ng isang raster na imahe ng ibabaw. Nang maglaon, binuo ang mga near-field microscope na hindi gumagamit ng aperture - walang aperture na SNOM.

Ang uniqueness ng near-field optical microscopy kumpara sa iba pang mga paraan ng pag-scan ay nakasalalay sa katotohanan na ang imahe ay direktang binuo sa optical range, kabilang ang nakikitang liwanag, ngunit ang resolution ay maraming beses na mas mataas kaysa sa resolution ng tradisyonal na optical system.

(Ang isang optical fiber na may maliit na diaphragm ay ginagamit bilang isang probe. Kapag nag-scan ng sample, ginagalaw ng manipulator ang diaphragm malapit sa ibabaw. Ang radiation ng laser source, na dumadaan sa diaphragm, ay nag-iilaw sa ibabaw na pinag-aaralan. Nakakalat o muling- ang inilalabas na ilaw ay naitala sa isang mikroskopyo ng disenyong ito. Bilang resulta ng katotohanan na ang pagkalat ng liwanag ay nangyayari sa malapit na sona (sa layo mula sa naglalabas na diaphragm na mas mababa kaysa sa haba ng daluyong ng liwanag), posible na malampasan ang pangunahing limitasyon ng conventional optical microscopy sa mga tuntunin ng resolution: ang mga detalye sa ibabaw ay sampu-sampung nanometer ang laki ay nagiging kapansin-pansin.)

Mga pangunahing elemento ng isang scanning probe microscope.

Cantilever, probe (para sa bawat mikroskopya ng sarili nitong), mechanical manipulator, laser, photodiode, feedback system. Sa mga simpleng termino: isang probe, isang sistema ng paggalaw, isang sistema ng pag-record.

Application sa pag-aaral ng nano-object at linear measurements sa nanorange.

Ang pinaka-kapansin-pansin na mga pagpapakita ng mga posibilidad ng pang-eksperimentong direksyon na ito sa pag-aaral ng mga solidong ibabaw ay maaaring: ang mga resulta ng direktang paggunita ng muling pagtatayo ng ibabaw, ang pagmamanipula ng mga indibidwal na atomo upang maitala ang impormasyon na may isang record density, ang pag-aaral ng lokal na epekto ng ibabaw. mga depekto sa istraktura ng banda ng sample, atbp.

Ang mga bagong posibilidad ng direksyong ito kumpara sa mga tradisyunal na paraan ng pagsisiyasat sa ibabaw ay lalong nangangako sa paggamit ng probe microscopy (sa partikular, atomic force microscopy (AFM) para sa pag-aaral ng biological at organic na mga materyales. Malaking pag-unlad din ang nagawa sa landas na ito kamakailan. Sa partikular, patungkol sa pagsasaliksik ng mga nucleic acid, maaari nating banggitin ang mga resulta tulad ng visualization ng mga indibidwal na molekula ng DNA at ang pag-aaral ng kanilang conformational state sa liquid media, ang direktang pagsukat ng mga puwersa ng interaksyon ng mga pantulong na nucleotides, at ang real-time na visualization ng mga proseso ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng DNA at mga protina.

Karelian State Pedagogical University

Pag-scan ng probe microscopy

Ginawa ni: Barbara O.

554 gr. (2007)

Scanning probe microscope (SPM), ang istraktura at prinsipyo ng operasyon nito

Pag-scan ng probe microscopy (SPM)- isa sa mga makapangyarihang modernong pamamaraan para sa pag-aaral ng morpolohiya at mga lokal na katangian ng ibabaw ng isang solidong katawan na may mataas na spatial na resolusyon

Sa kabila ng iba't ibang uri at aplikasyon ng mga modernong mikroskopyo sa pag-scan, ang kanilang operasyon ay nakabatay sa magkatulad na mga prinsipyo, at ang kanilang mga disenyo ay hindi gaanong naiiba sa bawat isa. Sa fig. Ang 1 ay nagpapakita ng isang pangkalahatang pamamaraan ng isang scanning probe microscope (SPM).

Fig.1 Generalized scheme ng isang scanning probe microscope (SPM).

Ang prinsipyo ng trabaho nito ay ang mga sumusunod. Gamit ang isang magaspang na sistema ng pagpoposisyon, ang pagsukat ng probe ay dinadala sa ibabaw ng sample ng pagsubok. Kapag ang sample at probe ay lumalapit sa layo na mas mababa sa daan-daang nm, ang probe ay nagsisimulang makipag-ugnayan sa mga istruktura sa ibabaw ng nasuri na ibabaw. Ang paggalaw ng probe kasama ang ibabaw ng sample ay isinasagawa gamit ang isang aparato sa pag-scan, na nagbibigay ng pag-scan sa ibabaw gamit ang probe needle. Ito ay karaniwang isang piezoceramic tube na may tatlong pares ng hiwalay na mga electrodes na inilapat sa ibabaw nito. Sa ilalim ng pagkilos ng mga stress na Ux at Uy na inilapat sa piezotube, yumuko ito, sa gayon tinitiyak ang paggalaw ng probe na may kaugnayan sa sample sa kahabaan ng X at Y axes; sa ilalim ng pagkilos ng stress Uz, ito ay naka-compress o nakaunat, na ginagawa itong posibleng baguhin ang distansya ng sample ng karayom.

Ang piezoelectric effect sa mga kristal ay natuklasan noong 1880 ng magkapatid na P. at J. Curie, na napansin ang hitsura sa ibabaw ng mga plate na pinutol na may isang tiyak na oryentasyon mula sa isang kristal na kuwarts, mga electrostatic na singil sa ilalim ng pagkilos ng mga mekanikal na stress. Ang mga singil na ito ay proporsyonal sa mekanikal na stress, palitan ang tanda nito, at nawawala kapag naalis ito.

Ang pagbuo ng mga electrostatic charge sa ibabaw ng isang dielectric at ang paglitaw ng electric polarization sa loob nito bilang resulta ng mekanikal na stress ay tinatawag na direktang piezoelectric effect.

Kasama ng direktang, mayroong isang kabaligtaran na piezoelectric na epekto, na binubuo sa katotohanan na sa isang plate na hiwa mula sa isang piezoelectric na kristal, ang mekanikal na pagpapapangit ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field na inilapat dito; Bukod dito, ang magnitude ng mekanikal na pagpapapangit ay proporsyonal sa lakas ng electric field. Ang epekto ng piezoelectric ay sinusunod lamang sa mga solidong dielectric, pangunahin ang mga mala-kristal. Sa mga istrukturang may sentro ng simetriya, walang pare-parehong pagpapapangit ang maaaring makagambala sa panloob na ekwilibriyo ng kristal na sala-sala at, samakatuwid, 20 klase lamang ng mga kristal na walang sentro ng simetrya ang piezoelectric. Ang kawalan ng isang sentro ng mahusay na proporsyon ay isang kinakailangan ngunit hindi sapat na kondisyon para sa pagkakaroon ng piezoelectric effect, at samakatuwid ay hindi lahat ng acentric na kristal ay mayroon nito.

Ang piezoelectric na epekto ay hindi maaaring maobserbahan sa solid amorphous at cryptocrystalline dielectrics. (Piezoelectrics - iisang kristal: Quartz. Ang mga katangian ng piezoelectric ng quartz ay malawakang ginagamit sa engineering upang patatagin at i-filter ang mga frequency ng radyo, makabuo ng ultrasonic vibrations, at sukatin ang mekanikal na dami. Tourmaline. Ang pangunahing bentahe ng tourmaline ay ang mas malaking halaga ng bahagyang koepisyent kumpara sa kuwarts. Dahil dito, at dahil din sa higit na mekanikal na lakas ng tourmaline, posible na gumawa ng mga resonator para sa mas mataas na mga frequency.

Sa kasalukuyan, ang tourmaline ay halos hindi kailanman ginagamit para sa paggawa ng mga piezoelectric resonator at may limitadong paggamit para sa pagsukat ng hydrostatic pressure.

Rochelle asin. Ang mga elemento ng Rochelle salt piezoelectric ay malawakang ginagamit sa mga kagamitan na nagpapatakbo sa medyo makitid na hanay ng temperatura, lalo na, sa mga pickup. Gayunpaman, sa kasalukuyan sila ay halos ganap na pinalitan ng mga ceramic piezoelectric na elemento.

Ang probe position sensor ay patuloy na sinusubaybayan ang posisyon ng probe na may kaugnayan sa sample at, sa pamamagitan ng isang feedback system, nagpapadala ng data tungkol dito sa isang computer system na kumokontrol sa paggalaw ng scanner. Upang irehistro ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng probe sa ibabaw, ang isang paraan ay karaniwang ginagamit batay sa pagtatala ng paglihis ng semiconductor laser beam na makikita mula sa dulo ng probe. Sa mga mikroskopyo ng ganitong uri, ang nasasalamin na sinag ng liwanag ay nahuhulog sa gitna ng dalawa o apat na seksyong photodiode na konektado sa isang differential circuit. Ang sistema ng computer ay nagsisilbi, bilang karagdagan sa pagkontrol sa scanner, para din sa pagproseso ng data mula sa probe, pagsusuri at pagpapakita ng mga resulta ng pagsusuri sa ibabaw.

Tulad ng nakikita mo, ang istraktura ng mikroskopyo ay medyo simple. Ang pangunahing interes ay ang pakikipag-ugnayan ng probe sa ibabaw na pinag-aaralan. Ito ang uri ng pakikipag-ugnayan na ginagamit ng isang partikular na scanning probe microscope na tumutukoy sa mga kakayahan at saklaw nito. (slide) Gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang isa sa mga pangunahing elemento ng isang scanning probe microscope ay isang probe. Ang isang karaniwang tampok ng lahat ng pag-scan ng probe microscope ay ang paraan ng pagkuha ng impormasyon tungkol sa mga katangian ng ibabaw na pinag-aaralan. Ang microscopic probe ay lumalapit sa ibabaw hanggang sa isang balanse ng mga pakikipag-ugnayan ng isang tiyak na kalikasan ay maitatag sa pagitan ng probe at ang sample, pagkatapos ay isagawa ang pag-scan.

Pag-scan ng tunneling microscope (STM), ang istraktura at prinsipyo ng operasyon nito

Ang unang prototype ng SPM ay ang scanning tunneling microscope (STM), na naimbento noong 1981. mga siyentipiko ng IBM research laboratory sa Zurich, Gerhard Binnig at Heinrich Röhrer. Sa tulong nito, ang mga tunay na larawan ng mga ibabaw na may resolusyon ng atom ay nakuha sa unang pagkakataon, sa partikular, isang 7x7 na muling pagtatayo sa ibabaw ng silikon (Larawan 2).

Fig.3 STM na imahe ng ibabaw ng single-crystal na silicon. Reconstruction 7 x 7

Ang lahat ng kasalukuyang kilalang pamamaraan ng SPM ay maaaring nahahati sa tatlong pangunahing grupo:

– pag-scan ng tunneling microscopy; Gumagamit ang STM ng matalim na conducting needle bilang probe

Kung ang isang bias na boltahe ay inilapat sa pagitan ng dulo at ng sample, pagkatapos kapag ang dulo ng karayom ​​ay lumalapit sa sample sa layo na mga 1 nm, isang tunneling kasalukuyang lumitaw sa pagitan nila, ang magnitude nito ay depende sa distansya "needle-sample ", at ang direksyon ay nakasalalay sa polarity ng boltahe (Larawan 4). Habang lumalayo ang dulo ng karayom ​​mula sa ibabaw na pinag-aaralan, bumababa ang kasalukuyang tunneling, at habang lumalapit ito, tumataas ito. Kaya, gamit ang data sa kasalukuyang tunneling sa isang tiyak na hanay ng mga punto sa ibabaw, posible na bumuo ng isang imahe ng topograpiya sa ibabaw.

Fig.4 Scheme ng paglitaw ng kasalukuyang tunneling.

- mikroskopya ng atomic force; ito ay nagrerehistro ng mga pagbabago sa puwersa ng pagkahumaling ng karayom ​​sa ibabaw mula sa punto patungo sa punto. Ang karayom ​​ay matatagpuan sa dulo ng isang cantilever beam (cantilever), na may kilalang tigas at may kakayahang yumuko sa ilalim ng pagkilos ng maliliit na puwersa ng van der Waals na lumabas sa pagitan ng ibabaw na pinag-aaralan at ang dulo ng dulo. Ang pagpapapangit ng cantilever ay naitala sa pamamagitan ng pagpapalihis ng insidente ng laser beam sa likurang ibabaw nito, o ng piezoresistive effect na nangyayari sa cantilever mismo sa panahon ng baluktot;

– malapit sa field na optical microscopy; sa loob nito, ang probe ay isang optical waveguide (optical fiber), patulis sa dulo na nakaharap sa sample sa diameter na mas mababa kaysa sa wavelength ng liwanag. Sa kasong ito, ang liwanag na alon ay hindi umaalis sa waveguide sa isang mahabang distansya, ngunit bahagyang "bumagsak" mula sa dulo nito. Ang isang laser at isang receiver ng liwanag na makikita mula sa libreng dulo ay naka-install sa kabilang dulo ng waveguide. Sa isang maliit na distansya sa pagitan ng ibabaw na pinag-aaralan at ang dulo ng probe, ang amplitude at yugto ng sinasalamin na liwanag na alon ay nagbabago, na siyang senyales na ginagamit upang bumuo ng isang three-dimensional na imahe ng ibabaw.

Depende sa kasalukuyang tunneling o ang distansya sa pagitan ng karayom ​​at ibabaw, ang dalawang mode ng operasyon ng scanning tunneling microscope ay posible. Sa pare-pareho ang mode ng taas, ang dulo ng karayom ​​ay gumagalaw sa isang pahalang na eroplano sa itaas ng sample, at ang kasalukuyang tunneling ay nagbabago depende sa distansya dito (Larawan 5a). Sa kasong ito, ang signal ng impormasyon ay ang halaga ng kasalukuyang tunneling na sinusukat sa bawat scanning point ng sample surface. Batay sa nakuha na mga halaga ng kasalukuyang tunnel, ang isang imahe ng topograpiya ay itinayo.

kanin. Fig. 5. STM operation scheme: a - sa pare-pareho ang taas mode; b - sa direktang kasalukuyang mode

Sa pare-pareho ang kasalukuyang mode, ang feedback system ng mikroskopyo ay nagsisiguro ng tuluy-tuloy ng tunneling current sa pamamagitan ng pagsasaayos ng "needle-sample" na distansya sa bawat scanning point (Fig. 5b). Sinusubaybayan nito ang mga pagbabago sa kasalukuyang tunnel at kinokontrol ang boltahe na inilapat sa aparato sa pag-scan upang mabayaran ang mga pagbabagong ito. Sa madaling salita, habang tumataas ang kasalukuyang, inilalayo ng feedback system ang probe mula sa sample, at habang bumababa ito, pinalalapit nito. Sa mode na ito, ang imahe ay binuo batay sa data sa dami ng patayong paggalaw ng aparato sa pag-scan.

Ang parehong mga mode ay may kanilang mga pakinabang at disadvantages. Sa pare-parehong mode ng taas, maaari kang makakuha ng mga resulta nang mas mabilis, ngunit para lamang sa medyo makinis na mga ibabaw. Sa pare-pareho ang kasalukuyang mode, ang mga hindi regular na ibabaw ay maaaring masukat nang may mataas na katumpakan, ngunit mas tumatagal ang mga pagsukat.

Ang pagkakaroon ng mataas na sensitivity, ang pag-scan ng mga tunneling microscope ay nagbigay ng pagkakataon sa sangkatauhan na makita ang mga atom ng conductor at semiconductors. Ngunit dahil sa mga limitasyon sa disenyo, imposibleng makakuha ng imahe ng mga non-conductive na materyales sa STM. Bilang karagdagan, para sa mataas na kalidad na operasyon ng isang tunneling microscope, ang isang bilang ng mga napakahigpit na kondisyon ay dapat matugunan, lalo na, ang operasyon sa isang vacuum at espesyal na paghahanda ng sample. Kaya, kahit na hindi masasabi na ang unang pancake nina Binnig at Röhrer ay naging bukol, ang produkto ay lumabas na medyo mamasa-masa.

Lumipas ang limang taon at si Gerhard Binning, kasama sina Calvin Quayt at Christopher Gerber, ay nag-imbento ng bagong uri ng mikroskopyo, na tinawag nilang atomic force microscope (AFM), kung saan noong 1986 din. Ginawaran sina G. Binnig at H. Röhrer ng Nobel Prize sa Physics. Ang bagong mikroskopyo ay umiwas sa mga limitasyon ng hinalinhan nito. Gamit ang AFM, posibleng makakuha ng mga larawan ng ibabaw ng parehong conductive at non-conductive na materyales na may atomic resolution, bukod pa rito, sa ilalim ng mga kondisyon ng atmospera. Ang isang karagdagang bentahe ng atomic force microscopes ay ang kakayahang makita ang kanilang mga electrical, magnetic, elastic, at iba pang mga katangian kasama ng mga pagsukat ng topograpiya sa ibabaw.

Atomic force microscope (AFM), ang istraktura at prinsipyo ng operasyon nito

Ang pinakamahalagang bahagi ng ACM (Atomic Force Microscope) ay mga scanning probes - cantilevers, ang mga katangian ng mikroskopyo ay direktang nakasalalay sa mga katangian ng cantilever.

Ang cantilever ay isang flexible beam (175x40x4 microns - average na data) na may partikular na stiffness coefficient k(10-3 - 10 N / m), sa dulo kung saan mayroong isang micro needle (Larawan 1). Saklaw ng radius ng curvature R Ang dulo ng karayom ​​sa pagbuo ng AFM ay nagbago mula 100 hanggang 5 nm. Malinaw, na may bumababa R Ang mikroskopyo ay nagbibigay-daan sa iyo upang makakuha ng mga imahe na may mas mataas na resolution. Anggulo ng karayom a ay isa ring mahalagang katangian ng probe, kung saan nakasalalay ang kalidad ng imahe. a sa iba't ibang mga cantilevers ay nag-iiba mula 200 hanggang 700, hindi mahirap ipagpalagay na mas kaunti a, mas mataas ang kalidad ng nagreresultang larawan.

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

kaya upang mapabuti w0 ang haba ng cantilever (kung saan nakasalalay ang stiffness coefficient) ay nasa pagkakasunud-sunod ng ilang microns, at ang masa ay hindi lalampas sa 10-10 kg. Ang mga resonant frequency ng iba't ibang cantilevers ay mula 8 hanggang 420 kHz.

Ang paraan ng pag-scan ng AFM ay ang mga sumusunod (Larawan 2) : ang dulo ng probe ay nasa itaas ng ibabaw ng sample, habang ang probe ay gumagalaw na may kaugnayan sa sample, tulad ng isang sinag sa isang cathode ray tube ng isang TV (progresibong pag-scan). Ang laser beam na nakadirekta sa ibabaw ng probe (na yumuko alinsunod sa landscape ng sample), na nakalarawan, ay tumama sa photodetector, na nag-aayos ng pagpapalihis ng beam. Sa kasong ito, ang pagpapalihis ng karayom ​​sa panahon ng pag-scan ay sanhi ng interatomic na pakikipag-ugnayan ng sample surface kasama ang dulo nito. Sa tulong ng pagpoproseso ng computer ng mga signal ng photodetector, posible na makakuha ng tatlong-dimensional na mga imahe ng ibabaw ng sample sa ilalim ng pag-aaral.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
kanin. 8. Pagdepende sa lakas ng interatomic na pakikipag-ugnayan sa distansya sa pagitan ng dulo at ng sample

Ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng probe sa ibabaw ay nahahati sa short-range at long-range. Ang mga puwersa ng maikling hanay ay bumangon sa layo na pagkakasunud-sunod ng 1-10 A kapag ang mga shell ng elektron ng mga atomo ng dulo ng karayom ​​at ang ibabaw ay nagsasapawan, at mabilis na bumababa sa pagtaas ng distansya. Iilan lamang na mga atomo (sa limitasyon ng isa) ng dulo ng karayom ​​ang pumapasok sa maikling-hanay na pakikipag-ugnayan sa mga atomo sa ibabaw. Kapag nag-imaging ng surface gamit ang ganitong uri ng puwersa, gumagana ang AFM sa contact mode.

Mayroong contact scanning mode, kapag ang dulo ng probe ay dumampi sa ibabaw ng sample, pasulput-sulpot - pana-panahong hinahawakan ng probe ang ibabaw ng sample habang nag-scan, at hindi nakikipag-ugnayan, kapag ang probe ay ilang nanometer mula sa na-scan na ibabaw. (Ang huli na mode ng pag-scan ay bihirang gamitin, dahil ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng probe at sample ay halos mahirap makuha).

Mga kakayahan ng STM

Itinuro ang STM hindi lamang upang makilala ang mga indibidwal na atomo, kundi pati na rin upang matukoy ang kanilang hugis.
Maraming mga tao ang hindi pa ganap na natanto ang katotohanan na ang pag-scan ng tunneling microscopes (STMs) ay nakikilala ang mga indibidwal na atomo, dahil ang susunod na hakbang ay nagawa na: ngayon ay naging posible upang matukoy kahit mga form indibidwal na atom sa totoong espasyo (mas tiyak, ang anyo ng pamamahagi ng density ng elektron sa paligid ng atomic nucleus).

Near-field optical microscope, istraktura at prinsipyo ng operasyon nito

Near-field optical microscopy; sa loob nito, ang probe ay isang optical waveguide (optical fiber), patulis sa dulo na nakaharap sa sample sa diameter na mas mababa kaysa sa wavelength ng liwanag. Sa kasong ito, ang liwanag na alon ay hindi umaalis sa waveguide sa isang mahabang distansya, ngunit bahagyang "bumagsak" mula sa dulo nito. Ang isang laser at isang receiver ng liwanag na makikita mula sa libreng dulo ay naka-install sa kabilang dulo ng waveguide. Sa isang maliit na distansya sa pagitan ng ibabaw na pinag-aaralan at ang dulo ng probe, ang amplitude at yugto ng sinasalamin na liwanag na alon ay nagbabago, na siyang senyales na ginagamit upang bumuo ng isang three-dimensional na imahe ng ibabaw.

Kung pipilitin mong dumaan ang liwanag sa isang diaphragm na may diameter na 50-100 nm at ilapit ito sa layo na ilang sampu ng nanometer sa ibabaw ng sample na pinag-aaralan, pagkatapos ay sa pamamagitan ng paglipat ng tulad ng " " sa ibabaw mula sa punto upang ituro (at pagkakaroon ng sapat na sensitibong detector), maaari mong siyasatin ang mga optical na katangian ng sample na ito sa isang lokal na lugar na tumutugma sa laki ng butas.

Ito ay kung paano gumagana ang isang pag-scan ng near-field optical microscope (SNOM). Ang papel na ginagampanan ng butas (subwavelength diaphragm) ay karaniwang ginagawa ng isang optical fiber, ang isang dulo nito ay itinuturo at natatakpan ng manipis na layer ng metal, kahit saan maliban sa isang maliit na lugar sa pinakadulo ng dulo (ang diameter ng Ang lugar na "walang alikabok" ay 50-100 nm lamang). Mula sa kabilang dulo, ang liwanag mula sa isang laser ay pumapasok sa gayong liwanag na gabay.

Disyembre 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">Disyembre 2005 at isa sa mga batayang laboratoryo ng Nanotechnology Department ng Faculty of Physics ng Russian State University. Ang laboratoryo ay may 4 na set ng NanoEducator scanning probe microscopes, espesyal na binuo ng kumpanyang NT-MDT (Zelenograd, Russia) para sa gawaing laboratoryo... Ang mga device ay naglalayon sa isang manonood ng mag-aaral: ganap silang kinokontrol ng isang computer, may simple at madaling gamitin na interface, animation suporta, at nangangailangan ng isang phased mastery ng mga diskarte.

Fig.10 Scanning Probe Microscopy Laboratory

Ang pagbuo ng scanning probe microscopy ay nagsilbing batayan para sa pagbuo ng isang bagong lugar ng nanotechnology - probe nanotechnology.

Panitikan

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space, Phys. Sinabi ni Rev. Sinabi ni Lett. 1983 Vol. 50, No. 2. P. 120-123. Ang sikat na publikasyong ito ay nagbukas ng panahon ng 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. *****/article_list. html

PAG-SCAN NG PROBE MICROSCOPES: MGA URI AT PRINSIPYO NG OPERASYON

Kuvaytsev Alexander Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Institute of Engineering and Technology Branch ng National Research Nuclear University "MEPhI"
mag-aaral

anotasyon
Inilalarawan ng artikulong ito ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang probe microscope. Ito ay isang panimula na bagong teknolohiya na maaaring malutas ang mga problema sa magkakaibang mga lugar tulad ng komunikasyon, biotechnology, microelectronics at enerhiya. Ang nanotechnology sa mikroskopya ay makabuluhang bawasan ang pagkonsumo ng mga mapagkukunan at hindi maglalagay ng presyon sa kapaligiran, sila ay gaganap ng isang nangungunang papel sa buhay ng sangkatauhan, bilang, halimbawa, ang computer ay naging isang mahalagang bahagi ng buhay ng mga tao.

PAG-SCAN NG PROBE MICROSCOPY: MGA URI AT MGA PRINSIPYO SA PAGPAPATAKBO

Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Engineering at Technological Institute ng National Research Nuclear University MEPHI
mag-aaral

Abstract
Inilalarawan ng artikulong ito ang prinsipyo ng isang probe microscope. Ito ay isang bagong teknolohiya na maaaring malutas ang mga problema sa mga magkakaibang lugar tulad ng komunikasyon, biotechnology, microelectronics at enerhiya. Ang nanotechnology sa microscopy ay makabuluhang bawasan ang pagkonsumo ng mga mapagkukunan at hindi maglalagay ng presyon sa kapaligiran, sila ay maglalaro ng isang nangungunang papel sa buhay ng tao, bilang, halimbawa, ang computer ay naging isang mahalagang bahagi ng buhay ng mga tao.

Sa ika-21 siglo, ang mga nanotechnologies ay mabilis na nakakakuha ng katanyagan, na tumagos sa lahat ng mga spheres ng ating buhay, ngunit walang pag-unlad sa kanila nang walang mga bagong eksperimentong pamamaraan ng pananaliksik, ang isa sa mga pinaka-kaalaman ay ang paraan ng pag-scan ng probe microscopy, na kung saan ay naimbento at ipinamahagi ng mga Nobel laureates noong 1986 - Prof. Heinrich Rohrer at Dr. Gerd Binnig.

Isang tunay na rebolusyon ang naganap sa mundo sa pagdating ng mga pamamaraan para sa paggunita ng mga atomo. Ang mga grupo ng mga mahilig ay nagsimulang lumitaw, na nagdidisenyo ng kanilang sariling mga aparato. Bilang isang resulta, maraming mga matagumpay na solusyon ang nakuha para sa paggunita sa mga resulta ng pakikipag-ugnayan ng probe sa ibabaw. Ang mga teknolohiya para sa paggawa ng mga probes na may kinakailangang mga parameter ay nilikha.

Kaya ano ang isang probe microscope? Una sa lahat, ito ang mismong probe, na sumusuri sa ibabaw ng sample; kinakailangan din ang isang sistema para sa paglipat ng probe sa sample sa two-dimensional o three-dimensional na representasyon (gumagalaw kasama ang XY o XY-Z coordinates). Ang lahat ng ito ay pupunan ng isang sistema ng pag-record na nag-aayos ng halaga ng isang function na nakasalalay sa distansya mula sa probe hanggang sa sample. Ang sistema ng pagrerehistro ay nag-aayos at naaalala ang halaga ng isa sa mga coordinate.

Ang mga pangunahing uri ng scanning probe microscope ay maaaring nahahati sa 3 grupo:

1. Scanning tunneling microscope - idinisenyo upang sukatin ang relief ng conductive surface na may mataas na spatial resolution.
   Sa STM, ang isang matalim na metal na karayom ​​ay ipinapasa sa ibabaw ng sample sa isang napakaikling distansya. Kapag ang isang maliit na kasalukuyang ay inilapat sa karayom, isang tunneling kasalukuyang arises sa pagitan nito at ang sample, ang halaga ng kung saan ay naitala ng sistema ng pag-record. Ang karayom ​​ay ipinapasa sa buong ibabaw ng sample at kinukuha ang pinakamaliit na pagbabago sa kasalukuyang tunnel, dahil sa kung saan lumalabas ang isang relief map ng sample surface. Ang STM ay ang una sa isang klase ng pag-scan ng mga probe microscope, ang iba ay binuo sa ibang pagkakataon.
2. Pag-scan ng atomic force microscope - ginagamit upang buuin ang istraktura sa ibabaw ng sample na may resolusyon hanggang sa atomic. Hindi tulad ng STM, ang mikroskopyo na ito ay maaaring gamitin upang suriin ang parehong conductive at non-conductive surface. Dahil sa kakayahang hindi lamang mag-scan kundi magmanipula ng mga atomo, ito ay tinatawag na kapangyarihan.
3. Ang near-field optical microscope ay isang "advanced" na optical microscope na nagbibigay ng mas mahusay na resolution kaysa sa isang conventional optical microscope. Ang isang pagtaas sa resolution ng BOM ay nakamit sa pamamagitan ng pagkuha ng liwanag mula sa bagay na pinag-aaralan sa mga distansyang mas maliit kaysa sa wavelength. Kung ang probe ng mikroskopyo ay nilagyan ng isang aparato para sa pag-scan sa spatial na patlang, kung gayon ang gayong mikroskopyo ay tinatawag na isang pag-scan ng optical mikroskopyo ng malapit na larangan. Ginagawang posible ng gayong mikroskopyo na makakuha ng mga larawan ng mga ibabaw na may napakataas na resolution.

Ang imahe (Larawan 1) ay nagpapakita ng pinakasimpleng pamamaraan ng probe microscope.

Figure 1. - Scheme ng pagpapatakbo ng isang probe microscope

Ang operasyon nito ay batay sa pakikipag-ugnayan ng sample na ibabaw na may isang probe, maaari itong maging isang cantilever, isang karayom ​​o isang optical probe. Sa maliit na distansya sa pagitan ng probe at object ng pag-aaral, ang mga aksyon ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan, tulad ng pagtanggi, pagkahumaling, atbp., at ang pagpapakita ng mga epekto, tulad ng electron tunneling, ay maaaring maitala gamit ang mga tool sa pagpaparehistro. Upang matukoy ang mga puwersang ito, ginagamit ang mga napakasensitibong sensor na maaaring makakita ng kaunting pagbabago. Ang mga piezo tube o plane-parallel scanner ay ginagamit bilang isang coordinate scanning system upang makakuha ng raster na imahe.

Ang mga pangunahing teknikal na kahirapan sa paglikha ng mga scanning probe microscope ay kinabibilangan ng:

1. Tinitiyak ang integridad ng makina
2. Ang mga detector ay dapat magkaroon ng pinakamataas na sensitivity
3. Ang dulo ng probe ay dapat may pinakamababang sukat
4. Gumawa ng sweep system
5. Tinitiyak ang kinis ng probe

Halos palaging, ang imahe na nakuha sa pamamagitan ng isang scanning probe microscope ay mahirap i-decipher dahil sa mga distortion sa pagkuha ng mga resulta. Bilang isang tuntunin, kinakailangan ang karagdagang pagproseso ng matematika. Para dito, ginagamit ang espesyal na software.

Sa kasalukuyan, ginagamit ang scanning probe at electron microscopy bilang pantulong na pamamaraan ng pananaliksik dahil sa ilang pisikal at teknikal na katangian. Sa nakalipas na mga taon, ang paggamit ng probe microscopy ay naging posible upang makakuha ng natatanging siyentipikong pananaliksik sa larangan ng pisika, kimika at biology. Ang mga unang mikroskopyo ay mga aparato lamang - mga tagapagpahiwatig na nakatulong sa pananaliksik, at ang mga modernong sample ay ganap na mga workstation, kabilang ang hanggang 50 iba't ibang paraan ng pananaliksik.

Ang pangunahing gawain ng advanced na pamamaraan na ito ay upang makakuha ng mga siyentipikong resulta, ngunit ang aplikasyon ng mga kakayahan ng mga aparatong ito sa pagsasanay ay nangangailangan ng mataas na kwalipikasyon mula sa isang espesyalista.

Pag-aaral ng piezoelectric microdisplacement scanner.

Layunin: pag-aaral ng pisikal at teknikal na mga prinsipyo ng pagtiyak ng mga microdisplacement ng mga bagay sa pag-scan ng probe microscopy, na ipinatupad gamit ang mga piezoelectric scanner

Panimula

Ang pag-scan ng probe microscopy (SPM) ay isa sa mga makapangyarihang modernong pamamaraan para sa pag-aaral ng mga katangian ng isang solidong ibabaw. Sa kasalukuyan, halos walang pananaliksik sa larangan ng surface physics at microtechnologies ang kumpleto nang walang paggamit ng mga pamamaraan ng SPM.

Ang mga prinsipyo ng pag-scan ng probe microscopy ay maaaring gamitin bilang pangunahing batayan para sa pagbuo ng teknolohiya para sa paglikha ng nanoscale solid-state na mga istruktura (1 nm = 10 A). Sa unang pagkakataon sa teknolohikal na kasanayan sa paglikha ng mga bagay na gawa ng tao, ang tanong ng paggamit ng mga prinsipyo ng atomic assembly sa paggawa ng mga produktong pang-industriya ay itinaas. Ang ganitong paraan ay nagbubukas ng mga prospect para sa pagpapatupad ng mga device na naglalaman ng napakalimitadong bilang ng mga indibidwal na atomo.

Ang scanning tunneling microscope (STM), ang una sa isang pamilya ng probe microscopes, ay naimbento noong 1981 ng mga Swiss scientist na sina G. Binnig at G. Rohrer. Sa kanilang trabaho, ipinakita nila na ito ay isang medyo simple at napaka-epektibong paraan upang pag-aralan ang ibabaw na may mataas na spatial na resolusyon hanggang sa atomic order. Ang diskarteng ito ay nakakuha ng tunay na pagkilala pagkatapos ng visualization ng atomic na istraktura ng ibabaw ng isang bilang ng mga materyales at, sa partikular, ang reconstructed na ibabaw ng silikon. Noong 1986, sina G. Binnig at G. Poper ay ginawaran ng Nobel Prize sa Physics para sa paglikha ng tunneling microscope. Kasunod ng tunneling microscope, isang atomic force microscope (AFM), isang magnetic force microscope (MSM), isang electric force microscope (ESM), isang near-field optical microscope (NOM) at marami pang ibang device na may katulad na mga prinsipyo ng pagpapatakbo at tinatawag na pag-scan ng probe microscope.

1. Pangkalahatang mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng pag-scan ng mga mikroskopyo ng probe

Sa pag-scan ng mga mikroskopyo ng probe, ang pag-aaral ng microrelief at mga lokal na katangian ng ibabaw ay isinasagawa gamit ang mga espesyal na inihanda na probe na uri ng karayom. Ang radius ng curvature ng gumaganang bahagi ng naturang mga probes (puntos) ay may mga sukat ng pagkakasunud-sunod ng sampung nanometer. Ang katangiang distansya sa pagitan ng probe at ng sample na ibabaw sa mga probe microscope ay 0.1 – 10 nm sa pagkakasunud-sunod ng magnitude.

Ang operasyon ng mga probe microscope ay batay sa iba't ibang uri ng pisikal na pakikipag-ugnayan ng probe sa mga atomo ng sample na ibabaw. Kaya, ang operasyon ng isang tunneling microscope ay batay sa phenomenon ng tunneling current na dumadaloy sa pagitan ng isang metal needle at isang conducting sample; iba't ibang uri ng pakikipag-ugnayan ng puwersa ang sumasailalim sa operasyon ng atomic force, magnetic force at electric force microscopes.

Isaalang-alang natin ang mga karaniwang tampok na likas sa iba't ibang mga probe microscope. Hayaang mailalarawan ang pakikipag-ugnayan ng probe sa ibabaw ng ilang parameter R. Kung mayroong isang sapat na matalim at isa-sa-isang pag-asa ng parameter R mula sa probe-sample na distansya P = P(z), pagkatapos ay magagamit ang parameter na ito upang ayusin ang isang feedback system (FS) na kumokontrol sa distansya sa pagitan ng probe at ng sample. Sa fig. 1 schematically nagpapakita ng pangkalahatang prinsipyo ng pag-aayos ng feedback ng isang scanning probe microscope.

kanin. 1. Scheme ng feedback system ng probe microscope

Pinapanatili ng system ng feedback ang halaga ng parameter R pare-pareho, katumbas ng Ro itinakda ng operator. Kung ang distansya sa pagitan ng probe at ang ibabaw ay nagbabago (halimbawa, tumataas), pagkatapos ay mayroong pagbabago (pagtaas) sa parameter R. Sa OS system, may nabuong signal ng pagkakaiba na proporsyonal sa halaga. P= P - Po, na pinalalakas sa nais na halaga at pinapakain sa kumikilos na elemento ng IE. Tinutupad ng actuating element ang difference signal na ito sa pamamagitan ng paglapit sa probe sa ibabaw o pag-alis nito hanggang sa maging zero ang difference signal. Sa ganitong paraan, ang probe-sample na distansya ay maaaring mapanatili nang may mataas na katumpakan. Sa mga umiiral na probe microscope, ang katumpakan ng pagpapanatili ng probe-surface distance ay umaabot sa ~0.01 Å. Kapag gumagalaw ang probe sa ibabaw ng sample, nagbabago ang parameter ng pakikipag-ugnayan R, dahil sa topograpiya sa ibabaw. Ginagawa ng OS system ang mga pagbabagong ito, upang kapag ang probe ay gumagalaw sa X,Y plane, ang signal sa actuating element ay lumalabas na proporsyonal sa topograpiya sa ibabaw.

Upang makakuha ng mga larawan ng SPM, isinasagawa ang isang espesyal na organisadong proseso ng pag-scan ng sample. Kapag nag-scan, ang probe ay unang gumagalaw sa ibabaw ng sample kasama ang isang tiyak na linya (line scanning), habang ang halaga ng signal sa actuating element, na proporsyonal sa topography ng ibabaw, ay naitala sa memorya ng computer. Pagkatapos ang probe ay babalik sa panimulang punto at pupunta sa susunod na linya ng pag-scan (frame scan), at ang proseso ay paulit-ulit muli. Ang feedback signal na naitala sa ganitong paraan sa panahon ng pag-scan ay pinoproseso ng isang computer, at pagkatapos ay ang SPM na imahe ng topograpiya sa ibabaw. Z = f(x,y) ginawa gamit ang computer graphics. Kasabay ng pag-aaral ng topograpiya sa ibabaw, ginagawang posible ng mga probe microscope na pag-aralan ang iba't ibang katangian ng ibabaw: mekanikal, elektrikal, magnetic, optical, at marami pang iba.