Rad na kolegiju: Skenirajuća sondna mikroskopija. Scanning probe microscopy. Skening probe microscope

Ideja dobivanja slika površine uzorka u super-visokoj rezoluciji pomoću oštre sonde prvi je put predložena 1966., a implementirana 1972. od strane Russella Younga, koji se bavio površinskom fizikom. Dijagram Youngove instalacije prikazan je na slici. Vodljivi uzorak koji se proučava fiksiran je na mehanizam grubog pristupa koji se temelji na diferencijalnom mikrovijku. Uzorak se dovodi do oštre volframove igle montirane na precizni XYZ skener s piezo pogonom. Razlika potencijala koja se primjenjuje između igle sonde i uzorka uzrokuje emisiju elektrona, koju uređaj bilježi. Mehanizam Povratne informacije održava konstantnu emisijsku struju promjenom položaja sonde duž Z-koordinate (tj. udaljenosti između sonde i površine). Snimanje povratnog signala na snimač ili osciloskop omogućuje vam vraćanje topografije površine.

Iako prostorna razlučivost Yangovog instrumenta u ravnini uzorka nije premašila razlučivost konvencionalnog optičkog mikroskopa, instalacija je imala sve karakteristične značajke SPM-a i omogućila je razlikovanje atomskih slojeva na uzorku.

Nekoliko godina kasnije, u kasnim 70-ima, fizičari Gerd Binnig i Heinrich Rohrer iz IBM-ovog istraživačkog laboratorija u Zürichu počeli su razvijati ono što će postati prvi skenirajući tunelski mikroskop. Imajući veliko iskustvo u elektronskoj mikroskopiji i istraživanju efekta tunela, došli su na ideju da naprave instalaciju sličnu Youngovom Topografineru.

Ali umjesto struje emisije, koristili su struju s efektom tunela, što je omogućilo povećanje razlučivosti uređaja za redove veličine. Dobivene su mnoge slike atomske rezolucije, a daljnja poboljšanja instrumenta dovela su do stvaranja mnogih drugih vrsta SPM-ova. Godine 1986. Binnig i Rohrer primili su Nobelovu nagradu za fiziku za stvaranje skenirajućeg tunelskog mikroskopa. Povijest stvaranja prvog STM-a može se naučiti iz Binnigovog Nobelovog govora
Uz daljnje poboljšanje instalacija, istraživači su naučili ne samo mjeriti topografiju površine, već i manipulirati pojedinačnim atomima! Važnost ovog događaja usporediva je s lansiranjem prvog umjetnog satelita u Zemljinu orbitu, a možda je ovo prvi korak prema stvaranju kritične tehnologije budućnost.

Korištenje efekta tunela u STM-u omogućuje ne samo dobivanje ultra-visoke razlučivosti, već također nameće niz značajnih ograničenja na uzorak koji se proučava: mora biti vodljiv, a preporučljivo je provoditi mjerenja u visokom vakuumu. Ovo uvelike sužava opseg primjenjivosti STM-a. Stoga su istraživači usmjerili svoje napore na stvaranje novih vrsta SPM-ova koji su oslobođeni ovih ograničenja. Godine 1986. objavljen je članak Binniga, Quata i Gerbera koji opisuje novu vrstu mikroskopa - Atomic Force Microscope (AFM). U ovaj tip Mikroskop koristi posebnu sondu - konzolu - oštru silicijsku iglu pričvršćenu na kraj opružne grede. Kada se ta igla i površina uzorka spoje na udaljenosti od desetak nanometara (ako je površina uzorka prethodno očišćena od sloja vode), zraka počinje odstupati prema uzorku, jer vrh igle djeluje s površinom putem van der Waalsovih sila. Daljnjim približavanjem površini igla se otklanja u suprotnom smjeru kao posljedica djelovanja elektrostatskih odbojnih sila. Odstupanje igle od ravnotežnog položaja u Binnigovom postavu detektirano je iglom tunelskog mikroskopa.

Korištenje konzole omogućilo je proučavanje nevodljivih uzoraka. Daljnje poboljšanje sustava detekcije dovelo je do stvaranja mikroskopa koji mogu vršiti mjerenja ne samo u zraku, već iu tekućini, što je posebno važno pri proučavanju bioloških uzoraka. Osim toga, razvijene su metode za mjerenje interakcije sile između konzole i uzorka, uz pomoć kojih je postalo moguće odrediti sile interakcije između pojedinih atoma s karakterističnim vrijednostima na razini od 10 -9 newtona.

Od sredine 1980-ih došlo je do eksplozivnog rasta broja publikacija vezanih uz sondnu mikroskopiju. Pojavile su se mnoge varijante SPM-a, pojavili su se mnogi komercijalno dostupni instrumenti, objavljeni su udžbenici o sondnoj mikroskopiji, a osnove rada SPM-a izučavaju se na tečajevima na mnogim visokoškolskim ustanovama.

7. Korištenje skenirajućeg sondnog mikroskopa za proučavanje bioloških objekata

7. Primjena skenirajućeg sondnog mikroskopa za proučavanje bioloških objekata 1

7.1. Ciljevi rada 2

7.2. Informacije o učitelju 3

7.4. Smjernice 31

7.5. Sigurnost 32

7.6. Zadatak 32

7.7. Test pitanja 32

7.8. Književnost 32

Laboratorijski rad razvilo je Državno sveučilište u Nižnjem Novgorodu. N.I. Lobačevski

7.1.Ciljevi rada

Proučavanje morfoloških parametara bioloških struktura važan je zadatak za biologe, budući da veličina i oblik nekih struktura uvelike određuju njihova fiziološka svojstva. Usporedbom morfoloških podataka s funkcionalnim karakteristikama mogu se dobiti iscrpni podaci o sudjelovanju živih stanica u održavanju fiziološke ravnoteže ljudskog ili životinjskog tijela.

Ranije su biolozi i liječnici imali priliku proučavati njihove preparate samo pomoću optičkih i elektronskih mikroskopa. Ove studije pružile su određeni uvid u morfologiju stanica fiksiranih, obojenih i obloženih tankim metalnim premazima proizvedenim raspršivanjem. Nije bilo moguće proučavati morfologiju živih objekata i njezine promjene pod utjecajem različitih čimbenika, ali bilo je vrlo primamljivo.

Skening probe microscopy (SPM) otvorio je nove mogućnosti u proučavanju stanica, bakterija, bioloških molekula i DNK u uvjetima što je moguće bližim prirodnim. SPM vam omogućuje proučavanje bioloških objekata bez posebnih fiksatora i boja, u zraku ili čak u tekućem mediju.

Trenutno se SPM koristi u velikom broju disciplina, kako u temeljnim znanstvenim istraživanjima tako iu primijenjenim visokotehnološkim razvojima. Mnogi istraživački instituti u zemlji opremljeni su opremom za mikroskopiju sondama. S tim u vezi, potražnja za visokokvalificiranim stručnjacima stalno raste. Kako bi se zadovoljio ovaj zahtjev, tvrtka NT-MDT (Zelenograd, Rusija) razvila je specijalizirani obrazovno-znanstveni laboratorij za skenirajuću sondnu mikroskopiju Nanoedukator.

SPM NanoEducator posebno dizajniran za studente laboratorijski rad. Ovaj je uređaj namijenjen studentskoj publici: u potpunosti se kontrolira pomoću računala, ima jednostavno i intuitivno sučelje, podršku za animaciju, uključuje postupni razvoj tehnika, odsustvo složenih postavki i jeftine potrošne materijale.

U ovom laboratorijskom radu naučit ćete o skenirajućoj sondnoj mikroskopiji, upoznati se s njezinim osnovama, proučiti dizajn i principe rada obrazovnog SPM NanoEducator, naučiti pripremiti biološke preparate za istraživanje, dobiti svoju prvu SPM sliku kompleksa bakterija mliječne kiseline te naučiti osnove obrade i prezentiranja rezultata mjerenja.

7.2.Informacije za nastavnika 1

Laboratorijski rad se odvija u nekoliko faza:

1. Pripremu uzorka obavlja svaki student pojedinačno.

2. Prva slika se dobiva na jednom uređaju pod nadzorom nastavnika, zatim svaki učenik samostalno ispituje svoj uzorak.

3. Eksperimentalne podatke obrađuje svaki učenik pojedinačno.

Uzorak za istraživanje: bakterije mliječne kiseline na pokrovnom staklu.

Prije početka rada potrebno je odabrati sondu s najkarakterističnijom amplitudno-frekvencijskom karakteristikom (jedan simetrični maksimum) i dobiti sliku površine uzorka koji se proučava.

Laboratorijski izvještaj treba sadržavati:

1. teorijski dio (odgovori na kontrolna pitanja).

2. rezultati eksperimentalnog dijela (opis provedenog istraživanja, dobiveni rezultati i izvedeni zaključci).

1. Metode proučavanja morfologije bioloških objekata.

2. Skenirajući mikroskop sonde:

SPM dizajn;

vrste SPM: STM, AFM;

Format SPM podataka, vizualizacija SPM podataka.

3. Priprema uzoraka za SPM studije:

morfologija i građa bakterijskih stanica;

priprema preparata za proučavanje morfologije pomoću SPM.

4. Uvod u dizajn i program upravljanja NanoEducator SPM.

5. Dobivanje SPM slike.

6. Obrada i analiza dobivenih slika. Kvantitativna karakterizacija SPM slika.

Metode proučavanja morfologije bioloških objekata

Karakteristični promjer stanica je 10  20 μm, bakterija od 0,5 do 3  5 μm, te su vrijednosti 5 puta manje od najmanje čestice vidljive golim okom. Stoga je prvo proučavanje stanica postalo moguće tek nakon pojave optičkih mikroskopa. Krajem 17.st. Antonio van Leeuwenhoek napravio je prvi optički mikroskop; prije toga ljudi nisu ni slutili postojanje patogenih mikroba i bakterija [Lit. 7 -1].

Optička mikroskopija

Poteškoće u proučavanju stanica nastaju zbog činjenice da su one bezbojne i prozirne, pa je do otkrića njihove osnovne strukture došlo tek nakon uvođenja bojila u praksu. Boje su dale dovoljan kontrast slike. Pomoću optičkog mikroskopa možete razlikovati objekte udaljene 0,2 µm, tj. Najmanji objekti koji se još mogu razaznati u optičkom mikroskopu su bakterije i mitohondriji. Slike manjih staničnih elemenata iskrivljene su učincima uzrokovanim valnom prirodom svjetlosti.

Za pripremu dugotrajnih pripravaka stanice se tretiraju sredstvom za fiksiranje kako bi se imobilizirale i očuvale. Osim toga, fiksacija povećava dostupnost stanica bojama, jer Stanične makromolekule na okupu drže poprečne veze, koje ih stabiliziraju i učvršćuju u određenom položaju. Najčešće aldehidi i alkoholi djeluju kao fiksativi (na primjer, glutaraldehid ili formaldehid stvaraju kovalentne veze sa slobodnim amino skupinama proteina i umrežuju susjedne molekule). Nakon fiksiranja, tkivo se obično mikrotomom reže na vrlo tanke dijelove (debljine od 1 do 10 µm), koji se zatim stavljaju na predmetno staklo. Ovaj način pripreme može oštetiti strukturu stanica ili makromolekula, stoga je brza metoda preferirana metoda. Smrznuto tkivo reže se mikrotomom instaliranim u hladnoj komori. Nakon pripreme rezova, stanice se boje. U tu svrhu uglavnom se koriste organske boje (malahit zelena, crni sudan itd.). Svaki od njih karakterizira određeni afinitet za stanične komponente, na primjer, hematoksilin ima afinitet za negativno nabijene molekule, pa stoga omogućuje otkrivanje DNA u stanicama. Ako je određena molekula prisutna u stanici u malim količinama, tada je najprikladnije koristiti fluorescentnu mikroskopiju.

Fluorescentna mikroskopija

Fluorescentne boje apsorbiraju svjetlost jedne valne duljine, a emitiraju svjetlost druge, duže valne duljine. Ako se takva tvar ozrači svjetlošću čija valna duljina odgovara valnoj duljini svjetlosti koju apsorbira boja, a zatim se za analizu koristi filtar koji propušta svjetlost valne duljine koja odgovara svjetlosti koju emitira boja, može se otkriti fluorescentna molekula sijanjem u tamnom polju. Veliki intenzitet emitirane svjetlosti je karakteristična značajka takve molekule. Upotreba fluorescentnih boja za bojenje stanica uključuje upotrebu posebnog fluorescentnog mikroskopa. Ovaj je mikroskop sličan konvencionalnom optičkom mikroskopu, ali svjetlost snažnog iluminatora prolazi kroz dva skupa filtara - jedan zaustavlja dio zračenja iluminatora u prednji dio uzorka, a drugi za filtriranje svjetlosti primljene od uzorka. Prvi filter je odabran na takav način da propušta samo svjetlost valne duljine koja pobuđuje određenu fluorescentnu boju; u isto vrijeme, drugi filter blokira ovu upadnu svjetlost i propušta svjetlost valne duljine koju emitira boja kada fluorescira.

Fluorescentna mikroskopija često se koristi za identifikaciju specifičnih proteina ili drugih molekula koje postaju fluorescentne nakon što su kovalentno vezane na fluorescentne boje. U tu svrhu obično se koriste dvije boje - fluorescein, koji proizvodi intenzivnu žuto-zelenu fluorescenciju nakon ekscitacije svijetloplavim svjetlom, i rodamin, uzrokujući tamnocrvenu fluorescenciju nakon ekscitacije žuto-zelenim svjetlom. Korištenjem i fluoresceina i rodamina za bojenje, moguće je dobiti raspodjelu različitih molekula.

Mikroskopija tamnog polja

Najlakši način da vidite pojedinosti strukture stanice je da promatrate svjetlost koju raspršuju različite komponente stanice. U tamnopoljskom mikroskopu zrake iz iluminatora usmjerene su sa strane, a samo raspršene zrake ulaze u leću mikroskopa. U skladu s tim stanica izgleda kao osvijetljeni objekt na tamnom polju. Jedna od glavnih prednosti mikroskopije tamnog polja je mogućnost promatranja kretanja stanica tijekom procesa diobe i migracije. Stanična kretanja obično su vrlo spora i teško ih je promatrati u stvarnom vremenu. U ovom slučaju koristi se mikrosnimanje kadar po kadar (time-lapse) ili video snimanje. Uzastopni okviri su vremenski odvojeni, ali kada se snimka reproducira normalnom brzinom, slika stvarnih događaja se ubrzava.

Posljednjih su godina video kamere i srodne tehnologije obrade slike uvelike unaprijedile mogućnosti optičke mikroskopije. Zahvaljujući njihovoj uporabi, bilo je moguće prevladati poteškoće uzrokovane osobitostima ljudske fiziologije. Oni su to:

1. Oko u normalnim uvjetima ne registrira vrlo slabu svjetlost.

2. Oko nije u stanju otkriti male razlike u intenzitetu svjetla na svijetloj pozadini.

Prvi od ovih problema je prevladan nakon što su mikroskopu dodane video kamere ultravisoke osjetljivosti. To je omogućilo dugotrajno promatranje stanica pri slabom svjetlu, eliminirajući dugotrajno izlaganje jakom svjetlu. Sustavi za snimanje posebno su važni za proučavanje fluorescentnih molekula u živim stanicama. Budući da sliku proizvodi video kamera u obliku elektroničkih signala, ona se može prikladno pretvoriti u numeričke signale, poslati na računalo i potom podvrgnuti dodatna obrada za izvlačenje skrivenih informacija.

Visoki kontrast koji se može postići pomoću računalne interferencijske mikroskopije omogućuje promatranje čak i vrlo malih objekata, poput pojedinačnih mikrotubula, čiji je promjer manji od jedne desetine valne duljine svjetlosti (0,025 μm). Pojedinačni mikrotubuli mogu se vidjeti i pomoću fluorescentne mikroskopije. Međutim, u oba slučaja, efekti difrakcije su neizbježni, što uvelike mijenja sliku. U ovom slučaju, promjer mikrotubula je precijenjen (0,2 μm), što onemogućuje razlikovanje pojedinačnih mikrotubula od snopa nekoliko mikrotubula. Za rješavanje ovog problema potreban je elektronski mikroskop čija je granica rezolucije pomaknuta daleko izvan valne duljine vidljive svjetlosti.

Elektronska mikroskopija

Odnos između valne duljine i granice rezolucije također vrijedi za elektrone. Međutim, za elektronski mikroskop, granica rezolucije je znatno niža od granice difrakcije. Valna duljina elektrona smanjuje se s povećanjem njegove brzine. U elektronskom mikroskopu s naponom od 100 000 V valna duljina elektrona je 0,004 nm. Prema teoriji, razlučivost takvog mikroskopa je 0,002 nm. Međutim, u stvarnosti, zbog malih numeričkih otvora elektronskih leća, razlučivost modernih elektronskih mikroskopa je u najboljem slučaju 0,1 nm. Poteškoće pripreme uzorka i njegova oštećenja zračenjem značajno su smanjeni normalna rezolucija, što za biološke objekte iznosi 2 nm (oko 100 puta više od svjetlosnog mikroskopa).

Izvor elektrona u prijenosni elektronski mikroskop (TEM) je katodna nit koja se nalazi na vrhu cilindričnog stupa visokog oko dva metra. Kako bi se izbjeglo raspršenje elektrona pri sudaru s molekulama zraka, u stupcu se stvara vakuum. Elektrone emitirane iz katodne niti ubrzava obližnja anoda i prolaze kroz sićušnu rupu, tvoreći snop elektrona koji putuje do dna stupca. Duž stupca na određenoj udaljenosti nalaze se prstenasti magneti koji fokusiraju snop elektrona, poput staklenih leća koje fokusiraju snop svjetla u optičkom mikroskopu. Uzorak se postavlja unutar kolone kroz zračnu komoru, na putu elektronskog snopa. Dio elektrona u trenutku prolaska kroz uzorak se raspršuje u skladu s gustoćom tvari u tom području, ostatak elektrona se fokusira i formira sliku (slično formiranju slike u optičkom mikroskopu) na fotografskoj ploči ili na fosforescentnom ekranu.

Jedan od najvećih nedostataka elektronske mikroskopije je to što se biološki uzorci moraju podvrgnuti posebnoj obradi. Prvo se fiksiraju glutaraldehidom, a zatim osminskom kiselinom koja veže i stabilizira dvosloj lipida i proteina. Drugo, elektroni imaju nisku moć prodora, pa se moraju izraditi ultratanki rezovi, a za to se uzorci dehidriraju i impregniraju smolama. Treće, kako bi se poboljšao kontrast, uzorci se tretiraju solima teških metala kao što su osmij, uran i olovo.

Da bi se dobila trodimenzionalna slika površine, koristi se skenirajući elektronski mikroskop (SEM), koji koristi elektrone raspršene ili emitirane s površine uzorka. U tom slučaju uzorak se fiksira, suši i oblaže tankim filmom teškog metala, a zatim skenira uskim snopom elektrona. U tom slučaju se procjenjuje broj elektrona raspršenih tijekom ozračivanja površine. Dobivena vrijednost se koristi za kontrolu intenziteta druge zrake, koja se kreće sinkrono s prvom i oblikuje sliku na ekranu monitora. Rezolucija metode je oko 10 nm i nije primjenjiva za proučavanje unutarstaničnih organela. Debljina uzoraka proučavanih ovom metodom određena je sposobnošću prodora elektrona ili njihovom energijom.

Glavni i značajni nedostaci svih ovih metoda su dugotrajnost, složenost i visoka cijena pripreme uzorka.

Skenirajuća sonda mikroskopija

U skenirajućem mikroskopu sa sondom (SPM), umjesto elektronske zrake ili optičkog zračenja, koristi se oštra sonda, igla, za skeniranje površine uzorka. Slikovito rečeno, možemo reći da ako se uzorak ispituje u optičkom ili elektronskom mikroskopu, onda se u SPM-u to osjeti. Kao rezultat toga, moguće je dobiti trodimenzionalne slike objekata u različitim medijima: vakuum, zrak, tekućina.

Posebni SPM dizajni, prilagođeni biološkim istraživanjima, omogućuju istovremeno optičko promatranje za skeniranje živih stanica u različitim tekućim medijima i fiksiranih pripravaka u zraku.

Skenirajući mikroskop sa sondom

Naziv skenirajućeg sondnog mikroskopa odražava princip njegovog rada - skeniranje površine uzorka, tijekom kojeg se provodi očitavanje stupnja interakcije sonde s površinom od točke do točke. Može se odrediti veličina područja skeniranja i broj točaka u njemu N X ·N Y. Što je više točaka specificirano, dobiva se veća rezolucija slike površine. Udaljenost između točaka očitavanja signala naziva se korak skeniranja. Korak skeniranja trebao bi biti manji od detalja površine koji se proučavaju. Sonda se kreće tijekom procesa skeniranja (vidi sl. 7 -1) linearno u smjeru naprijed i nazad (u smjeru Brzo skeniranje), prijelaz na sljedeći redak provodi se u okomitom smjeru (u smjeru sporog skeniranja).

Riža. 7 1. Shematski prikaz procesa skeniranja
(signal se očitava tijekom hoda skenera prema naprijed)

Ovisno o prirodi signala koji se čita, skenirajući mikroskopi imaju različite nazive i namjene:

mikroskop atomske sile (AFM), očitavaju se sile međuatomske interakcije između atoma sonde i atoma uzorka;

tunelski mikroskop (STM), očitava tunelsku struju koja teče između vodljivog uzorka i vodljive sonde;

mikroskop magnetske sile (MFM), očitavaju se sile interakcije između sonde obložene magnetskim materijalom i uzorka koji detektira magnetska svojstva;

Mikroskop elektrostatske sile (ESM) omogućuje dobivanje slike raspodjele električnog potencijala na površini uzorka. Koriste se sonde čiji je vrh presvučen tankim vodljivim filmom (zlato ili platina).

SPM dizajn

SPM se sastoji od sljedećih glavnih komponenti (Sl. 7 -2): sonde, piezoelektričnih pokretača za pomicanje sonde u X, Y, Z preko površine uzorka koji se proučava, povratnog kruga i računala za kontrolu skeniranja proces i dobivanje slike.

Slika 7 2. Dijagram skenirajućeg sondnog mikroskopa

Senzor sonde – komponenta mikroskopa sa sondom sile koja skenira uzorak. Senzor sonde sadrži konzolu (opružnu konzolu) pravokutnog (I-oblika) ili trokutastog (V-oblika) tipa (Sl. 7 -3), na čijem se kraju nalazi šiljasta sonda (Sl. 7 -3) , obično imaju stožasti ili piramidalni oblik . Drugi kraj konzole spojen je na podlogu (tzv. čipom). Senzori sonde izrađeni su od silicija ili silicijevog nitrida. Glavna karakteristika konzole je konstanta sile (konstanta krutosti), ona varira od 0,01 N/m do 1020 N/m. Za proučavanje bioloških objekata koriste se “meke” sonde tvrdoće 0,01  0,06 N/m.

Riža. 7 3. Slike senzora piramidalne AFM sonde
dobiveno elektronskim mikroskopom:
a – tip u obliku slova I, b – tip u obliku slova V, c – piramida na vrhu konzole

Piezoelektrični aktuatori ili skeneri - za kontrolirano kretanje sonde po uzorku ili samog uzorka u odnosu na sondu na ultra malim udaljenostima. Piezoelektrični aktuatori koriste piezokeramičke materijale koji mijenjaju veličinu kada se na njih nanesu. električni napon. Proces promjene geometrijski parametri pod utjecajem električnog polja naziva se inverzni piezoelektrični efekt. Najčešći piezomaterijal je olovo cirkonat titanat.

Skener je piezokeramička struktura koja omogućuje kretanje duž tri koordinate: x, y (u bočnoj ravnini uzorka) i z (okomito). Postoji nekoliko vrsta skenera, od kojih su najčešći tronožni i cijevni skeneri (slika 7-4).

Riža. 7 4. Izvedbe skenera: a) – tronožac, b) – cjevasti

U tronošnom skeneru, pomake duž tri koordinate osiguravaju tri neovisne piezokeramičke šipke koje tvore ortogonalnu strukturu.

U cjevastom skeneru, šuplja piezoelektrična cijev se savija u ravninama XZ i ZY i širi ili skuplja duž osi Z kada se odgovarajući napon primijeni na elektrode koje kontroliraju kretanje cijevi. Na vanjskoj površini cijevi nalaze se elektrode za upravljanje pomicanjem u ravnini XY, a za upravljanje pomicanjem u Z, na X i Y elektrode se stavljaju jednaki naponi.

Krug povratne veze – skup SPM elemenata, uz pomoć kojih se, tijekom skeniranja, sonda drži na fiksnoj udaljenosti od površine uzorka (Sl. 7 -5). Tijekom procesa skeniranja, sonda se može nalaziti na područjima površine uzorka s različitom topografijom, u ovom slučaju će se promijeniti udaljenost sonde i uzorka Z, a sukladno tome će se promijeniti i veličina interakcije vrh-uzorak.

Riža. 7 5. Krug povratne veze skenirajućeg sondnog mikroskopa

Kako se sonda približava površini, sile interakcije sonde i uzorka rastu, a signal iz uređaja za snimanje također se povećava V(t), koji izražen u jedinicama napona. Komparator uspoređuje signal V(t) s referentnim naponom V podržavajući i stvara signal korekcije V dopisnik. Signal korekcije V dopisnik dovodi se do skenera i sonda se povlači iz uzorka. Referentni napon je napon koji odgovara signalu iz uređaja za snimanje kada je sonda na određenoj udaljenosti od uzorka. Podržava ovo tijekom procesa skeniranja navedena udaljenost sonda-uzorak, sustav povratne sprege održava specificiranu silu interakcije sonde i uzorka.

Riža. 7 6. Putanja relativnog kretanja sonde tijekom procesa održavanja konstantne sile interakcije vrh-uzorak sustavom povratne sprege

Na sl. Slika 7-6 prikazuje putanju sonde u odnosu na uzorak uz održavanje konstantne sile interakcije sonde i uzorka. Ako je sonda iznad jame, napon se primjenjuje na skener, što uzrokuje da se skener produži, spuštajući sondu.

Brzina odziva povratnog kruga na promjenu udaljenosti sonda-uzorak (interakcija sonda-uzorak) određena je konstantom povratnog kruga K. Vrijednosti K ovise o značajkama dizajna određenog SPM-a (dizajn i karakteristike skenera, elektronika), načinu rada SPM-a (veličina područja skeniranja, brzina skeniranja itd.), kao i karakteristikama površine koja se proučava. (ljestvica reljefnih obilježja, tvrdoća materijala itd.).

Vrste SPM-a

Skenirajući tunelski mikroskop

U STM-u, uređaj za snimanje (sl. 7 -7) mjeri struju tunela koja teče između metalne sonde, a koja varira ovisno o potencijalu na površini uzorka i topografiji njegove površine. Sonda je oštro naoštrena igla, radijus zakrivljenosti vrha može doseći nekoliko nanometara. Kao materijali sonde obično se koriste metali visoke tvrdoće i kemijske otpornosti: volfram ili platina.

Riža. 7 7. Shema senzora tunelske sonde

Napon se primjenjuje između vodljive sonde i vodljivog uzorka. Kada je vrh sonde oko 10A udaljen od uzorka, elektroni iz uzorka počinju tunelirati kroz otvor u sondu ili obrnuto, ovisno o predznaku napona (sl. 7 - 8).

Riža. 7 8. Shematski prikaz interakcije vrha sonde s uzorkom

Rezultirajuća struja tunela mjeri se uređajem za snimanje. Njegova veličina ja T proporcionalan naponu dovedenom na kontakt tunela V a ovisi eksponencijalno o udaljenosti od igle do uzorka d.

Dakle, male promjene u udaljenosti od vrha sonde do uzorka d odgovaraju eksponencijalno velikim promjenama u tunelskoj struji ja T(pod pretpostavkom napona V održavati konstantnim). Zbog toga je osjetljivost senzora tunelske sonde dovoljna za detektiranje promjena visine manje od 0,1 nm i, prema tome, dobivanje slike atoma na površini krutog tijela.

Mikroskop atomske sile

Najčešći sondni senzor međudjelovanja atomskih sila je opružna konzola (od engleskog cantilever - konzola) na čijem se kraju nalazi sonda. Količina konzolnog savijanja koja je posljedica interakcije sile između uzorka i sonde (Slika 7 -9) mjeri se pomoću optičkog kruga za snimanje.

Princip rada senzora sile temelji se na korištenju atomskih sila koje djeluju između atoma sonde i atoma uzorka. Kada se sila vrh-uzorak promijeni, količina savijanja konzole se mijenja i ta se promjena mjeri optički sustav registracija. Dakle, senzor atomske sile je sonda oštrog ruba visoke osjetljivosti, koja omogućuje snimanje sila interakcije između pojedinih atoma.

Za male zavoje, odnos između sile sonde i uzorka F i otklon vrha konzole x određuje Hookeov zakon:

Gdje k – konstanta sile (konstanta krutosti) konzole.

Na primjer, ako se koristi konzola s konstantom k reda veličine 1 n/m, tada će pod djelovanjem sile interakcije vrh-uzorak reda veličine 0,1 nanonewtona veličina otklona konzole biti približno 0,1 nm.

Za mjerenje takvih malih pomaka obično se koristi optički senzor pomaka (slika 7-9), koji se sastoji od poluvodičkog lasera i fotodiode s četiri presjeka. Kada je konzola savijena, laserska zraka odbijena od nje pomiče se relativno u odnosu na središte fotodetektora. Tako se savijanje konzole može odrediti relativnom promjenom osvjetljenja gornje (T) i donje (B) polovice fotodetektora.

Slika 7 9. Dijagram senzora snage

Ovisnost sila interakcije sonda-uzorak o udaljenosti sonda-uzorak

Kada se sonda približi uzorku, najprije je privuče površina zbog prisutnosti privlačnih sila (van der Waalsovih sila). Kako se sonda dalje približava uzorku, elektronske ljuske atoma na kraju sonde i atoma na površini uzorka počinju se preklapati, što dovodi do pojave odbojne sile. Kako se udaljenost dalje smanjuje, odbojna sila postaje dominantna.

Općenito, ovisnost jakosti međuatomskog međuatomskog djelovanja F na udaljenosti između atoma R ima oblik:

.

Konstante a I b i eksponenti m I n ovise o vrsti atoma i vrsti kemijskih veza. Za van der Waalsove snage m=7 i n=3. Kvalitativno, ovisnost F(R) prikazana je na sl. 7 -10 (prikaz, stručni).

Riža. 7 10. Ovisnost sile međudjelovanja između atoma o udaljenosti

Format SPM podataka, vizualizacija SPM podataka

Podaci o morfologiji površine dobiveni pregledom optičkim mikroskopom prikazuju se u obliku uvećane slike površine. Informacije dobivene pomoću SPM-a zapisuju se u obliku dvodimenzionalnog niza cijelih brojeva A ij. Svaka vrijednost ij odgovara određenoj površinskoj točki unutar polja skeniranja. Grafički prikaz ovog niza brojeva naziva se SPM skenirana slika.

Skenirane slike mogu biti dvodimenzionalne (2D) ili trodimenzionalne (3D). Kod 2D vizualizacije, svaka površinska točka Z= f(x,y) dodjeljuje se određeni ton boje u skladu s visinom površinske točke (sl. 7 -11 a). Uz 3D vizualizaciju površinska slika Z= f(x,y) konstruiran je u aksonometrijskoj perspektivi koristeći određeni način izračunatih piksela ili reljefnih linija. Najviše učinkovit način Bojanje 3D slika je simulacija uvjeta osvjetljenja površine točkastim izvorom koji se nalazi na određenoj točki prostora iznad površine (Sl. 7 -11 b). Istodobno je moguće naglasiti pojedine male značajke reljefa.

Riža. 7 11. Limfociti ljudske krvi:
a) 2D slika, b) 3D slika sa bočnim osvjetljenjem

Priprema uzoraka za SPM ispitivanje

Morfologija i građa bakterijskih stanica

Bakterije su jednostanični mikroorganizmi raznolikog oblika i složene građe što uvjetuje raznolikost njihovih funkcionalnih aktivnosti. Bakterije karakteriziraju četiri glavna oblika: sferični (sferični), cilindrični (štapićasti), zavijeni i nitasti [Ref. 7 -2].

Cocci (kuglaste bakterije) - ovisno o ravnini podjele i položaju pojedinih jedinki, dijele se na mikrokoke (odvojene koke), diplokoke (sparene koke), streptokoke (lanci koka), stafilokoke (u obliku grozda), tetrakokoke ( formacije od četiri koke) i sarcina (paketići od 8 ili 16 koka).

U obliku štapa – bakterije nalaze se u obliku pojedinačnih stanica, diplo- ili streptobakterije.

Uvrnuto – vibrioni, spirile i spirohete. Vibriji imaju izgled blago zakrivljenih štapića, spirile imaju zamršen oblik s nekoliko spiralnih uvojaka.

Veličine bakterija kreću se od 0,1 do 10 mikrona. Sastav bakterijske stanice uključuje kapsulu, staničnu stijenku, citoplazmatsku membranu i citoplazmu. Citoplazma sadrži nukleotide, ribosome i inkluzije. Neke bakterije opremljene su bičevima i resicama. Brojne bakterije formiraju spore. Prelazeći početnu poprečnu veličinu stanice, spore joj daju vretenasti oblik.

Za proučavanje morfologije bakterija na optičkom mikroskopu iz njih se pripremaju nativni (intravitalni) pripravci ili fiksirani razmazi obojeni anilinskom bojom. Postoje posebne metode bojenja za identifikaciju flagela, staničnih stijenki, nukleotida i raznih citoplazmatskih inkluzija.

SPM ispitivanje morfologije bakterijskih stanica ne zahtijeva bojenje preparata. SPM omogućuje određivanje oblika i veličine bakterija s visokim stupnjem rezolucije. Pažljivom pripremom lijeka i uporabom sonde s malim polumjerom zakrivljenosti moguće je identificirati flagele. Istodobno, zbog velike krutosti bakterijske stanične stijenke, nemoguće je “ispitati” unutarstanične strukture, kao što je to moguće u nekim životinjskim stanicama.

Izrada preparata za SPM studiju morfologije

Za prvo iskustvo rada sa SPM preporuča se odabrati biološki pripravak koji ne zahtijeva složenu pripremu. Lako dostupne i nepatogene bakterije mliječne kiseline iz salamure od kiselog kupusa ili fermentiranih mliječnih proizvoda sasvim su prikladne.

Za istraživanje SPM-a u zraku, potrebno je čvrsto fiksirati predmet koji se proučava na površini podloge, na primjer, na pokrovnom staklu. Osim toga, gustoća bakterija u suspenziji treba biti tolika da se stanice ne slijepe kada se talože na podlogu, a razmak između njih ne smije biti prevelik kako bi tijekom skeniranja bilo moguće uzeti više objekata u jednom kadru . Ovi uvjeti su ispunjeni ako je način pripreme uzorka pravilno odabran. Ako kap otopine koja sadrži bakterije nanesete na podlogu, doći će do njihovog postupnog taloženja i prianjanja. Glavnim parametrima treba smatrati koncentraciju stanica u otopini i vrijeme taloženja. Koncentracija bakterija u suspenziji određena je standardom optičke zamućenosti.

U našem slučaju samo će jedan parametar igrati ulogu - vrijeme inkubacije. Što je kap dulje na staklu, to je gustoća bakterijskih stanica veća. Istodobno, ako se kap tekućine počne sušiti, pripravak će biti previše onečišćen istaloženim komponentama otopine. Kap otopine koja sadrži bakterijske stanice (salamura) nanese se na pokrovno staklo i ostavi 5-60 minuta (ovisno o sastavu otopine). Zatim, ne čekajući da se kapljica osuši, temeljito isperite destiliranom vodom (umočite preparat u čašu pincetom nekoliko puta). Nakon sušenja preparat je spreman za mjerenje SPM-om.

Kao primjer pripremili smo pripravke bakterija mliječne kiseline iz salamure od kiselog kupusa. Vrijeme zadržavanja kapi slane vode na pokrovnom staklu je 5 minuta, 20 minuta i 1 sat (kap se već počela sušiti). SPM okviri prikazani su na sl. 7 -12, sl. 7 -13,
Riža. 7 -14 (prikaz, stručni).

Iz slika je jasno da je za ovu otopinu optimalno vrijeme inkubacije 510 minuta. Povećanje vremena zadržavanja kapi na površini podloge dovodi do prianjanja bakterijskih stanica. Kada se kap otopine počne sušiti, komponente otopine talože se na staklu i ne mogu se isprati.

Riža. 7 12. Slike bakterija mliječne kiseline na pokrovnom staklu,
dobivena pomoću SPM-a.

Riža. 7 13. Slike bakterija mliječne kiseline na pokrovnom staklu,
dobivena pomoću SPM-a. Vrijeme inkubacije otopine 20 min

Riža. 7 14. Slike bakterija mliječne kiseline na pokrovnom staklu,
dobivena pomoću SPM-a. Vrijeme inkubacije otopine 1 sat

Koristeći jedan od odabranih pripravaka (slika 7-12), pokušali smo razmotriti što su bakterije mliječne kiseline i koji je njihov oblik u ovom slučaju tipičan. (Sl. 7 -15)

Riža. 7 15. AFM slika bakterija mliječne kiseline na pokrovnom staklu.
Vrijeme inkubacije otopine 5 min

Riža. 7 16. AFM slika lanca bakterija mliječne kiseline na pokrovnom staklu.
Vrijeme inkubacije otopine 5 min

Za rasol je karakteristično da su bakterije štapićastog oblika i lančano raspoređene.

Riža. 7 17. Prozor kontrolnog programa za obrazovni SPM NanoEducator.
Alatna traka

Pomoću alata edukativnog SPM programa NanoEducator odredili smo veličinu bakterijskih stanica. Kretale su se od približno 0,5 × 1,6 µm
do 0,8 × 3,5 µm.

Dobiveni rezultati uspoređuju se s podacima danim u Bergeyevoj bakterijskoj determinanti [Lit. 7 -3].

Bakterije mliječne kiseline klasificiraju se kao laktobacili (Lactobacillus). Stanice imaju izgled štapića, obično pravilnog oblika. Štapići su dugi, ponekad gotovo kokoidni, obično u kratkim lancima. Dimenzije 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikrona. Oni ne stvaraju spor; u rijetkim slučajevima, pokretni su zbog peritrihijskih flagela. Široko rasprostranjen u okoliš, osobito su česti u prehrambenim proizvodima životinjskog i biljnog podrijetla. Bakterije mliječne kiseline dio su normalne mikroflore probavnog trakta. Svima je poznato da je kiseli kupus, osim što sadrži vitamine, koristan za poboljšanje crijevne mikroflore.

Dizajn skenirajućeg sondnog mikroskopa Nanoedukator

Na sl. 7 -18 prikazan je izgled mjerne glave SPM NanoEducator te su naznačeni glavni elementi uređaja koji se koriste tijekom rada.

Riža. 7 18. Izgled mjerna glava SPM NanoEducator
1- baza, 2- držač uzorka, 3- senzor interakcije, 4- vijak za pričvršćivanje senzora,
5-vijak za ručni unos, 6-vijak za pomicanje skenera s uzorkom u vodoravnoj ravnini, 7-zaštitni poklopac s video kamerom

Na sl. 7 -19 prikazuje dizajn mjerne glave. Na bazi 1 nalazi se skener 8 s držačem uzorka 7 i mehanizmom za dovod uzorka u sondu 2 koji se temelji na koračnom motoru. U obrazovnom SPM NanoEducator uzorak se pričvrsti na skener, a uzorak se skenira u odnosu na stacionarnu sondu. Sonda 6, postavljena na senzor interakcije sile 4, također se može dovesti do uzorka pomoću ručnog dovodnog vijka 3. Preliminarni odabir mjesta istraživanja na uzorku provodi se pomoću vijka 9.

Riža. 7 19. Dizajn SPM NanoEducator: 1 – baza, 2 – dovodni mehanizam,
3 – vijak za ručno napajanje, 4 – senzor interakcije, 5 – vijak za pričvršćivanje senzora, 6 – sonda,
7 – držač uzorka, 8 – skener, 9, 10 – vijci za pomicanje skenera s uzorkom

Trening SPM NanoEducator sastoji se od mjerne glave, SPM kontrolera i upravljačkog računala povezanih kabelima. Mikroskop je opremljen video kamerom. Signal s interakcijskog senzora, nakon pretvorbe u pretpojačalu, ulazi u SPM regulator. Upravljanje radom SPM NanoEducator provodi se s računala preko SPM kontrolera.

Senzor sile interakcije i sonda

U uređaju Nanoedukator senzor je izrađen u obliku piezokeramičke cijevi s dužinom l=7 mm, promjer d=1,2 mm i debljine stijenke h=0,25 mm, kruto fiksiran na jednom kraju. Vodljiva elektroda se nanosi na unutarnju površinu cijevi. Na vanjskoj površini cijevi postavljene su dvije električki izolirane polucilindrične elektrode. Volframova žica promjera
100 µm (slika 7 -20).

Riža. 7 20. Dizajn univerzalnog senzora uređaja NanoEducator

Slobodni kraj žice koja se koristi kao sonda je elektrokemijski naoštren, radijus zakrivljenosti je 0,2  0,05 µm. Sonda ima električni kontakt s unutarnjom elektrodom cijevi spojenom na uzemljeno tijelo uređaja.

Prisutnost dviju vanjskih elektroda na piezoelektričnoj cijevi omogućuje korištenje senzora interakcije sile (senzor mehaničke vibracije) koristite jedan dio piezoelektrične cijevi (gornji, u skladu sa sl. 7 -21), a drugi dio koristite kao piezovibrator. Na piezovibrator se dovodi izmjenični električni napon s frekvencijom jednakom rezonantnoj frekvenciji senzora sile. Amplituda oscilacija na velikoj udaljenosti sonda-uzorak je maksimalna. Kao što se može vidjeti sa Sl. 7 -22, tijekom procesa osciliranja sonda odstupa od svog ravnotežnog položaja za iznos A o jednak amplitudi njezinih prisilnih mehaničkih oscilacija (to su djelići mikrometra), dok se na drugom dijelu pojavljuje izmjenični električni napon. piezo cijevi (senzor oscilacija), proporcionalan pomaku sonde, koji i mjeri uređaj.

Kako se sonda približava površini uzorka, sonda počinje dodirivati ​​uzorak tijekom osciliranja. To dovodi do pomaka u amplitudno-frekvencijskom odzivu (AFC) oscilacija senzora ulijevo u usporedbi s AFC-om mjerenim daleko od površine (Sl. 7 -22). Budući da se frekvencija prisilnih oscilacija piezocijevi održava konstantnom i jednakom frekvenciji oscilacija  o u slobodnom stanju, kada se sonda približi površini, amplituda njezinih oscilacija se smanjuje i postaje jednaka A. Ova amplituda oscilacija se bilježi iz drugog dijela piezocijevi.

Riža. 7 21. Princip rada piezoelektrične cijevi
kao senzor interakcije sile

Riža. 7 22. Promjena frekvencije osciliranja senzora sile
pri približavanju površini uzorka

Skener

Metoda organiziranja mikropokreta koja se koristi u uređaju Nanoedukator, temelji se na upotrebi metalne membrane stegnute po obodu, na čiju je površinu zalijepljena piezoelektrična ploča (sl. 7 -23 a). Promjena dimenzija piezoelektrične ploče pod utjecajem upravljačkog napona dovest će do savijanja membrane. Postavljanjem takvih membrana na tri okomite stranice kocke i spajanjem njihovih središta metalnim potiskivačima, može se dobiti 3-koordinatni skener (Sl. 7 -23 b).

Riža. 7 23. Princip rada (a) i dizajn (b) skenera uređaja NanoEducator

Svaki piezoelektrični element 1, pričvršćen na plohe kocke 2, kada se na njega dovede električni napon, može pomicati potiskivač 3 koji je na njemu pričvršćen u jednom od tri međusobno okomita smjera - X, Y ili Z. Kao što se može vidjeti iz Na slici su sva tri potiskivača spojena u jednoj točki 4 S određenom aproksimacijom možemo smatrati da se ta točka kreće duž tri koordinate X, Y, Z. Na istoj točki je pričvršćen stalak 5 s držačem uzorka 6. Dakle, uzorak se kreće duž tri koordinate pod utjecajem tri neovisna izvora napona. U uređajima Nanoedukator maksimalno pomicanje uzorka je oko 5070 µm, što određuje maksimalno područje skeniranja.

Mehanizam za automatizirani pristup sonde uzorku (feedback capture)

Raspon kretanja skenera po Z osi je oko 10 μm, pa je prije skeniranja potrebno sondu približiti uzorku na tu udaljenost. U tu svrhu dizajniran je mehanizam za opskrbu, čiji je dijagram prikazan na Sl. 7 -19 (prikaz, stručni). Koračni motor 1, kada se na njega primijene električni impulsi, okreće dovodni vijak 2 i pomiče polugu 3 sa sondom 4, približavajući je ili udaljavajući od uzorka 5 postavljenog na skeneru 6. Veličina jednog koraka je oko 2 μm.

Riža. 7 24. Shema mehanizma za dovođenje sonde na površinu uzorka

Budući da korak prilaznog mehanizma znatno premašuje potrebnu udaljenost sonde od uzorka tijekom procesa skeniranja, kako bi se izbjegla deformacija sonde, njeno približavanje se provodi dok koračni motor radi, a skener se kreće duž Z osi prema na sljedeći algoritam:

1. Sustav povratne sprege je isključen i skener se "povlači", tj. spušta uzorak u najniži krajnji položaj.

2. Mehanizam prilaska sonde napravi jedan korak i zaustavi se.

3. Sustav povratne sprege se uključuje, a skener glatko podiže uzorak, dok istovremeno analizira prisutnost interakcije vrh-uzorak.

4. Ako nema interakcije, postupak se ponavlja od koraka 1.

Ako se pojavi signal različit od nule dok se skener povlači prema gore, sustav povratne sprege zaustavit će kretanje skenera prema gore i popraviti količinu interakcije na danoj razini. Veličina interakcije sile pri kojoj će se napajanje sonde zaustaviti i proces skeniranja će se dogoditi u uređaju Nanoedukator karakteriziran parametrom Potiskivanje amplitude (AmplitudaSuzbijanje) :

A=A o . (1- Potiskivanje amplitude)

Dobivanje SPM slike

Nakon pozivanja programa Nanoedukator Na zaslonu računala pojavit će se glavni prozor programa (Slika 7 -20). Rad bi trebao početi od stavke izbornika Datoteka i odaberite ga Otvoren ili Novi ili odgovarajuće tipke na alatnoj traci (, ).

Izbor tima Datoteka Novi znači prijelaz na provođenje SPM mjerenja i odabir naredbe Datoteka Otvoren znači prijelaz na pregled i obradu prethodno primljenih podataka. Program omogućuje pregled i obradu podataka paralelno s mjerenjima.

Riža. 7 25. Glavni prozor programa NanoEducator

Nakon izvršenja naredbe Datoteka Novi Na ekranu se pojavljuje dijaloški okvir u kojem možete odabrati ili kreirati radnu mapu u koju će prema zadanim postavkama biti upisani rezultati trenutnog mjerenja. Tijekom procesa mjerenja, svi primljeni podaci se sekvencijalno bilježe u datoteke pod nazivom ScanData+i.spm, gdje je indeks ja vraća se na nulu kada se program pokrene i povećava sa svakim novim mjerenjem. Datoteke ScanData+i.spm smještena u radnu mapu koja se instalira prije početka mjerenja. Moguće je odabrati i drugu radna mapa tijekom mjerenja. Da biste to učinili, morate pritisnuti gumb , koji se nalazi na alatnoj traci glavnog prozora programa i odaberite stavku izbornika Promjena radne mape.

Za spremanje rezultata trenutnog mjerenja morate pritisnuti gumb Spremi kao u prozoru skeniranja u dijaloškom okviru koji se pojavi odaberite mapu i navedite naziv datoteke i datoteke ScanData+i.spm, koja služi kao privremena datoteka za pohranu podataka dok se mjerenja provode, bit će preimenovana u naziv datoteke koji navedete. Prema zadanim postavkama, datoteka će biti spremljena u radnu mapu dodijeljenu prije početka mjerenja. Ako ne izvršite operaciju spremanja rezultata mjerenja, sljedeći put kada pokrenete program, rezultati će biti zabilježeni u privremenim datotekama ScanData+i.spm, bit će sekvencijalno prebrisan (osim ako se ne promijeni radna mapa). Prije zatvaranja i nakon pokretanja programa izdaje se upozorenje o prisutnosti privremenih datoteka rezultata mjerenja u radnoj mapi. Promjena radne mape prije početka mjerenja omogućuje zaštitu rezultata prethodnog eksperimenta od brisanja. Standardni naziv ScanData može se promijeniti postavljanjem u prozoru za odabir radne mape. Prozor za odabir radne mape poziva se pritiskom na tipku , koji se nalazi na alatnoj traci glavnog prozora programa. Također možete spremiti rezultate mjerenja u prozor Skeniraj preglednik, odabirući potrebne datoteke jednu po jednu i spremajući ih u odabranu mapu.

Rezultate dobivene pomoću uređaja NanoEducator moguće je izvesti u ASCII format i Nova format (NTMDT), koji se mogu importirati programom NT MDT Nova, Image Analysis i drugim programima. Slike skenova, podaci njihovih presjeka i rezultati spektroskopskih mjerenja eksportiraju se u ASCII format. Za izvoz podataka kliknite gumb Izvoz koji se nalazi na alatnoj traci glavnog prozora programa ili odaberite Izvoz u stavci izbornika Datoteka ovom prozoru i odaberite odgovarajući format izvoza. Podaci za obradu i analizu mogu se odmah slati u preliminar pokrenuti program Analiza slike.

Nakon zatvaranja dijaloškog prozora, na ekranu se pojavljuje upravljačka ploča instrumenta.
(Sl. 7 -26).

Riža. 7 26. Upravljačka ploča uređaja

Na lijevoj strani upravljačke ploče instrumenta nalaze se gumbi za odabir SPM konfiguracije:

SSM– skenirajući mikroskop sile (SFM)

STM– skenirajući tunelski mikroskop (STM).

Provođenje mjerenja na NanoEducator trening SPM sastoji se od izvođenja sljedećih operacija:

1. Uzorak instalacije

PAŽNJA! Prije postavljanja uzorka potrebno je ukloniti senzor i sondu kako bi se izbjeglo oštećenje sonde.

Postoje dva načina za pričvršćivanje uzorka:

na magnetskom postolju (u ovom slučaju uzorak mora biti pričvršćen na magnetsku podlogu);

na dvostrano ljepljivoj traci.

PAŽNJA! Da biste instalirali uzorak na dvostrano ljepljivu traku, potrebno je odvrnuti držač od postolja (kako ne biste oštetili skener), a zatim ga ponovno zavrnuti dok se lagano ne zaustavi.

U slučaju magnetskog pričvršćivanja, uzorak se može zamijeniti bez odvrtanja držača uzorka.

2. Ugradnja senzora sonde

PAŽNJA! Nakon postavljanja uzorka uvijek postavite senzor sa sondom.

Nakon odabira željenog senzora sonde (držite senzor za metalne rubove baze) (vidi sl. 7 -27), otpustite vijak koji pričvršćuje senzor sonde 2 na poklopcu mjerne glave, umetnite senzor u utičnicu držača dok se ne zaustavi, zavrnite pričvrsni vijak u smjeru kazaljke na satu dok se lagano ne zaustavi.

Riža. 7 27. Ugradnja senzora sonde

3. Odabir lokacije skeniranja

Prilikom odabira područja za proučavanje na uzorku, koristite pomične vijke dvokoordinatnog postolja koji se nalazi na dnu uređaja.

4. Preliminarni pristup sonde uzorku

Operacija preliminarnog pristupa nije obavezna za svako mjerenje; potreba za njezinim izvođenjem ovisi o udaljenosti između uzorka i vrha sonde. Preporučljivo je izvesti operaciju preliminarnog pristupa ako je udaljenost između vrha sonde i površine uzorka veća od 0,51 mm. Kada koristite automatizirani pristup sonde uzorku s velike udaljenosti između njih, proces približavanja će trajati jako dugo.

Pomoću ručnog vijka spustite sondu, vizualno provjeravajući udaljenost između nje i površine uzorka.

5. Iscrtavanje krivulje rezonancije i postavljanje radne frekvencije

Ova se operacija mora izvesti na početku svakog mjerenja i dok se ne izvrši, prijelaz na daljnje korake mjerenja je blokiran. Osim toga, tijekom postupka mjerenja ponekad se pojave situacije koje zahtijevaju ponavljanje ove operacije (na primjer, kada se izgubi kontakt).

Prozor za traženje rezonancije poziva se pritiskom na tipku na upravljačkoj ploči instrumenta. Ova operacija uključuje mjerenje amplitude oscilacija sonde kada se promijeni frekvencija prisilnih oscilacija koju postavlja generator. Da biste to učinili, morate pritisnuti gumb TRČANJE(Sl. 7 -28).

Riža. 7 28. Prozor za traženje rezonancije i podešavanje radne frekvencije:
a) – automatski način rada, b) – ručni način rada

U načinu rada Auto Frekvencija generatora se automatski postavlja jednakom frekvenciji na kojoj je opažena najveća amplituda oscilacija sonde. Grafikon koji prikazuje promjenu amplitude vibracija sonde u zadanom frekvencijskom rasponu (Sl. 7 -28a) omogućuje promatranje oblika rezonantnog vrha. Ako vrh rezonancije nije dovoljno izražen ili je amplituda na rezonantnoj frekvenciji mala ( manji od 1V), tada je potrebno promijeniti mjerne parametre i ponovno odrediti rezonantnu frekvenciju.

Način je dizajniran za to Priručnik. Kada odaberete ovaj način rada u prozoru Određivanje rezonantne frekvencije pojavljuje se dodatna ploča
(Sl. 7 -28b), što vam omogućuje podešavanje sljedećih parametara:

Pogonski napon sonde, postavljen generatorom. Preporuča se postaviti ovu vrijednost na minimum (do nule) i ne više od 50 mV.

Dobitak amplitude ( Amplitudno pojačanje). Ako je amplituda oscilacije sonde nedovoljna (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitudno pojačanje.

Za početak operacije traženja rezonancije morate pritisnuti gumb Početak.

Način rada Priručnik omogućuje vam ručnu promjenu odabrane frekvencije pomicanjem zelenog pokazivača na grafikonu pomoću miša, kao i razjašnjavanje prirode promjene amplitude oscilacija u uskom rasponu vrijednosti oko odabrane frekvencije (za to morate potrebno postaviti prekidač Ručni mod na poziciju Točno i pritisnite tipku Početak).

6. Snimanje interakcije

Kako bi se uhvatila interakcija, vrši se kontrolirani pristup vrha i uzorka pomoću mehanizma za automatizirani pristup. Kontrolni prozor za ovaj postupak poziva se pritiskom na tipku na upravljačkoj ploči instrumenata. Kada radite sa SCM, ovaj gumb postaje dostupan nakon izvođenja operacije pretraživanja i postavljanja rezonantne frekvencije. Prozor SSM, opskrba(Sl. 7 -29) sadrži kontrole za pristup sonde, kao i indikacije parametara koji vam omogućuju analizu napretka postupka.

Riža. 7 29. Prozor za pristup sondi

U prozoru Opskrba korisnik ima priliku promatrati sljedeće količine:

proširenjem skenera ( SkenerZ) duž osi Z u odnosu na maksimalno moguće, uzeto kao jedinica. Količina relativnog izduženja skenera karakterizirana je razinom popunjenosti lijevog indikatora bojom koja odgovara zoni u kojoj se skener trenutno nalazi: zelena - radna zona, plava - izvan radne zone, crvena - skener se previše približio površini uzorka, što može dovesti do deformacije sonde. U potonjem slučaju, program izdaje zvučno upozorenje;

amplituda oscilacije sonde u odnosu na amplitudu njegovih oscilacija u odsutnosti interakcije sila, uzetu kao jedinicu. Relativna amplituda oscilacija sonde prikazana je na desnom indikatoru razinom tamnocrvenog punjenja. Horizontalna oznaka na indikatoru Amplituda oscilacije sonde označava razinu, nakon prolaska kroz koju se analizira stanje skenera i automatski se dovodi u radni položaj;

broj koraka ( ShDa), prošao u zadanom smjeru: Prilaz - približavanje, Povlačenje - uklanjanje.

Prije početka procesa spuštanja sonde morate:

Provjerite jesu li parametri prilaza ispravno postavljeni:

Dobitak povratne informacije OS stvrdnjavanje postaviti na vrijednost 3 ,

Provjerite je li parametar Suzbijanjeamplituda (snaga) ima magnitudu od oko 0,2 (vidi sl. 7 -29). U suprotnom, pritisnite gumb Sila i u prozoru Postavljanje parametara interakcije (Sl. 7 -30) postavljena vrijednost Suzbijanjeamplitude jednak 0.2. Za delikatniji unos, vrijednost parametra Suzbijanjeamplitude možda manje .

Provjerite jesu li postavke točne u prozoru s parametrima Mogućnosti, stranica Parametri prilaza.

Postoji li interakcija ili ne može se utvrditi lijevim indikatorom SkenerZ. Potpuno proširenje skenera (cijeli indikator SkenerZ obojen u plavo), kao i pokazivač potpuno obojen u bordo boju Amplituda oscilacije sonde(Slika 7 -29) pokazuju da nema interakcije. Nakon traženja rezonancije i podešavanja radne frekvencije, amplituda slobodnih oscilacija sonde uzima se kao jedinica.

Ako skener nije potpuno ispružen prije ili tijekom približavanja, ili program prikazuje poruku: 'Greška! Sonda preblizu uzorku. Provjerite parametre veze ili fizički sklop. Ako se želite pomaknuti na sigurno mjesto", preporuča se pauzirati proceduru približavanja i:

a. promijeniti jedan od parametara:

povećati veličinu interakcije, parametar Suzbijanjeamplitude, ili

povećati vrijednost OS stvrdnjavanje, ili

povećati vrijeme kašnjenja između koraka pristupa (parametar Vrijeme integracije Na stranici Parametri prilaza prozor Mogućnosti).

b. povećajte udaljenost između vrha sonde i uzorka (da biste to učinili, slijedite korake opisane u odlomku i izvedite operaciju Rezonancija, zatim se vratite na postupak Opskrba.

Riža. 7 30. Prozor za postavljanje količine interakcije između sonde i uzorka

Nakon snimanja interakcije, poruka " Isporuka je završena”.

Ako se trebate približiti za jedan korak, pritisnite gumb. U ovom slučaju, prvo se izvršava korak, a zatim se provjeravaju kriteriji za snimanje interakcije. Za zaustavljanje kretanja pritisnite tipku. Da biste izvršili operaciju uvlačenja, morate pritisnuti gumb za brzo uvlačenje

ili pritisnite gumb za sporo uvlačenje. Ako se trebate povući za jednu stepenicu, pritisnite gumb. U ovom slučaju, prvo se izvršava korak, a zatim se provjeravaju kriteriji za snimanje interakcije

7. Skeniraj

Nakon završetka procedure približavanja ( Opskrba) i snimite interakciju, skeniranje postaje dostupno (gumb u prozoru upravljačke ploče instrumenta).

Klikom na ovaj gumb (prozor za skeniranje prikazan je na sl. 7 -31) korisnik prelazi izravno na mjerenje i dobivanje rezultata mjerenja.

Prije izvođenja procesa skeniranja morate postaviti parametre skeniranja. Ove su opcije grupirane na desnoj strani gornje ploče prozora. Skeniranje.

Prvi put nakon pokretanja programa instaliraju se prema zadanim postavkama:

Područje skeniranja - Regija (xnm*Ynm): 5000x5000 nm;

Broj bodovamjerenja osi- X, Y: NX=100, NY=100;

Put skeniranja - Smjer određuje smjer skeniranja. Program omogućuje odabir smjera osi brzog skeniranja (X ili Y). Kada pokrenete program, on se instalira Smjer

Nakon postavljanja parametara skeniranja, morate pritisnuti gumb primijeniti za potvrdu unesenih parametara i gumb Početak za početak skeniranja.

Riža. 7 31. Prozor za kontrolu procesa i prikaz rezultata SCM skeniranja

7.4 Metodološke upute

Prije nego počnete raditi na NanoEducator skenirajućem mikroskopu sa sondom, trebali biste proučiti korisnički priručnik uređaja [Ref. 7 -4].

7.5.Sigurnost

Uređaj se napaja naponom od 220 V. NanoEducator skenirajući sondni mikroskop radi u skladu s PTE i PTB električnih instalacija potrošača napona do 1000 V.

7.6.Zadatak

1. Pripremite vlastite biološke uzorke za SPM studije.

2. U praksi proučite opći dizajn uređaja NanoEducator.

3. Upoznati se s programom za upravljanje uređajem NanoEducator.

4. Napravite prvu SPM sliku pod nadzorom nastavnika.

5. Obraditi i analizirati dobivenu sliku. Koji su oblici bakterija tipični za vašu otopinu? Što određuje oblik i veličinu bakterijskih stanica?

6. Uzmite Bergey Bacteria Determinant i usporedite dobivene rezultate s onima koji su tamo opisani.

7.7.Sigurnosna pitanja

1. Koje metode postoje za proučavanje bioloških objekata?

2. Što je mikroskopija skenirajućom sondom? Koje je načelo u njegovoj osnovi?

3. Navedite glavne komponente SPM-a i njihovu namjenu.

4. Što je piezoelektrični efekt i kako se koristi u SPM. Opišite različite dizajne skenera.

5. Opišite cjelokupni dizajn NanoEducatora.

6. Opišite senzor sile i njegov princip rada.

7. Opišite mehanizam dovođenja sonde do uzorka u uređaju NanoEducator. Objasnite parametre koji određuju silu međudjelovanja sonde i uzorka.

8. Objasnite princip skeniranja i rad sustava povratne sprege. Recite nam nešto o kriterijima za odabir parametara skeniranja.

7.8.Literatura

Lit. 7 1. Paul de Cruy. Lovci na mikrobe. M. Terra. 2001. godine.

Lit. 7 2. Vodič kroz praktičnu nastavu iz mikrobiologije. Uredio Egorova N.S. M.: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Identifikator bakterija Bergey. M.: Mir, 1997. T. br. 2. str. 574.

Lit. 7 4. Upute za uporabu uređaja Nanoedukator.objekti. Nižnji Novgorod. Znanstveno-edukativni centar...

Uvod

Trenutno se znanstveni i tehnički smjer nanotehnologije brzo razvija, pokrivajući širok raspon temeljnih i primijenjenih istraživanja. Ovo je temeljno nova tehnologija koja može riješiti probleme u tako različitim područjima kao što su komunikacije, biotehnologija, mikroelektronika i energija. Danas više od stotinu mladih tvrtki razvija nanotehnološke proizvode koji će na tržište izaći u sljedeće dvije do tri godine.

Nanotehnologije će postati vodeće tehnologije u 21. stoljeću i pridonijet će razvoju gospodarstva i socijalne sfere društva, mogu postati preduvjet za novu industrijsku revoluciju. U prethodnih dvjesto godina napredak u industrijskoj revoluciji postignut je po cijenu oko 80% Zemljinih resursa. Nanotehnologije će značajno smanjiti količinu potrošnje resursa i neće vršiti pritisak na okoliš, već će imati vodeću ulogu u životu čovječanstva, kao što je, primjerice, računalo postalo sastavni dio života ljudi.

Napredak nanotehnologije potaknut je razvojem eksperimentalnih istraživačkih metoda, od kojih su najinformativnije metode skenirajuće sondne mikroskopije, čiji izum, a posebno širenje svijet duguje nobelovcima iz 1986. godine - profesoru Heinrichu Rohreru i dr. Gerdu Binnigu.

Svijet je bio fasciniran otkrićem tako jednostavnih metoda vizualizacije atoma, pa čak i mogućnosti manipuliranja njima. Mnoge istraživačke skupine počele su konstruirati kućne uređaje i eksperimentirati u tom smjeru. Kao rezultat toga, rođen je niz prikladnih shema uređaja i predložene su različite metode za vizualizaciju rezultata interakcije sonde i površine, kao što su: mikroskopija bočne sile, mikroskopija magnetske sile, mikroskopija za snimanje magnetskih, elektrostatičkih i elektromagnetskih interakcija. Metode optičke mikroskopije bliskog polja dobile su intenzivan razvoj. Razvijene su metode usmjerenog, kontroliranog utjecaja u sustavu sonda-površina, npr. nanolitografija - nastaju promjene na površini pod utjecajem električnih, magnetskih utjecaja, plastičnih deformacija i svjetlosti u sustavu sonda-površina. Stvorene su tehnologije za izradu sondi zadanih geometrijskih parametara, s posebnim premazima i strukturama za vizualizaciju različitih svojstava površine.

Skening probe microscopy (SPM) jedna je od moćnih suvremenih metoda za proučavanje morfologije i lokalnih svojstava čvrste površine s visokom prostornom rezolucijom. Tijekom proteklih 10 godina mikroskopija sa skenirajućom sondom razvila se od egzotične tehnike dostupne samo ograničenom broju istraživačkih skupina do široko rasprostranjenog i uspješnog alata za proučavanje površinskih svojstava. Trenutačno gotovo nijedno istraživanje u području fizike površina i tehnologija tankog filma nije potpuno bez korištenja SPM metoda. Razvoj skenirajuće sondne mikroskopije poslužio je i kao osnova za razvoj novih metoda u nanotehnologiji – tehnologiji stvaranja struktura na nanometarskoj skali.

1. Povijesna pozadina

Za promatranje malih predmeta Nizozemac Antonie van Leeuwenhoek u 17. stoljeću izumio je mikroskop, čime je otvorio svijet mikroba. Njegovi mikroskopi bili su nesavršeni i omogućavali su povećanje od 150 do 300 puta. Ali njegovi su sljedbenici poboljšali ovaj optički uređaj, postavljajući temelje mnogim otkrićima u biologiji, geologiji i fizici. No krajem 19. stoljeća (1872.) njemački optičar Ernst Karl Abbe pokazao je da zbog difrakcije svjetlosti moć razlučivosti mikroskopa (odnosno najmanji razmak između predmeta kada se još nisu stopili u jedna slika) ograničena je valnom duljinom svjetlosti (0,4 - 0,8 µm). Time je uštedio mnogo truda optičarima koji su pokušavali izraditi naprednije mikroskope, ali razočarao biologe i geologe koji su izgubili nadu da će dobiti instrument s povećanjem većim od 1500x.

Povijest nastanka elektronskog mikroskopa prekrasan je primjer kako neovisno razvijajuća područja znanosti i tehnologije mogu razmjenom primljenih informacija i udruživanjem snaga stvoriti novi snažan alat za znanstveno istraživanje. Vrhunac klasične fizike bila je teorija elektromagnetskog polja, koja je širenje svjetlosti, nastanak električnog i magnetskog polja, te kretanje nabijenih čestica u tim poljima objašnjavala kao širenje elektromagnetskih valova. Valna optika razjasnila je fenomen difrakcije, mehanizam formiranja slike i igru ​​čimbenika koji određuju rezoluciju u svjetlosnom mikroskopu. Napretke u području teorijske i eksperimentalne fizike dugujemo otkriću elektrona s njegovim specifičnim svojstvima. Ovi odvojeni i naizgled neovisni putovi razvoja doveli su do temelja elektronske optike, čija je jedna od najvažnijih primjena bio izum EM-a 1930-ih. Izravnim nagovještajem te mogućnosti može se smatrati hipoteza o valnoj prirodi elektrona, koju je 1924. iznio Louis de Broglie, a eksperimentalno potvrdili 1927. K. Davisson i L. Germer u SAD-u i J. Thomson u Engleskoj. Ovo je sugeriralo analogiju koja je omogućila konstruiranje EM-a prema zakonima valne optike. H. Bush je otkrio da je korištenjem električnih i magnetskih polja moguće oblikovati elektroničke slike. U prva dva desetljeća 20.st. stvoreni su i potrebni tehnički preduvjeti. Industrijski laboratoriji koji su radili na osciloskopu s elektronskim snopom proizveli su vakuumsku tehnologiju, stabilne izvore visokog napona i struje te dobre emitere elektrona.

Godine 1931. R. Rudenberg podnio je patentnu prijavu za prijenosni elektronski mikroskop, a 1932. M. Knoll i E. Ruska konstruirali su prvi takav mikroskop, koristeći magnetske leće za fokusiranje elektrona. Ovaj je instrument bio prethodnik modernog optičkog prijenosnog elektronskog mikroskopa (OTEM). (Ruska je za svoje napore nagrađen osvajanjem Nobelove nagrade za fiziku za 1986.) Godine 1938. Ruska i B. von Borries izgradili su prototip industrijskog OPEM-a za Siemens-Halske u Njemačkoj; ovaj je instrument na kraju omogućio postizanje rezolucije od 100 nm. Nekoliko godina kasnije, A. Prebus i J. Hiller izgradili su prvi OPEM visoke rezolucije na Sveučilištu u Torontu (Kanada).

Široke mogućnosti OPEM-a gotovo su odmah postale očite. Njegovu industrijsku proizvodnju istovremeno su započeli Siemens-Halske u Njemačkoj i RCA Corporation u SAD-u. Krajem 1940-ih druge su tvrtke počele proizvoditi takve uređaje.

SEM u sadašnjem obliku izumio je Charles Otley 1952. godine. Istina, preliminarne verzije takvog uređaja izgradili su Knoll u Njemačkoj 1930-ih i Zworykin i njegovi kolege iz RCA Corporation 1940-ih, ali samo je Otleyev uređaj mogao poslužiti kao temelj za brojna tehnička poboljšanja, koja su kulminirala u uvođenju industrijske verzije SEM-a u proizvodnju sredinom 1960-ih. Raspon potrošača takvog prilično jednostavnog uređaja s trodimenzionalnom slikom i elektroničkim izlaznim signalom eksponencijalno se proširio. Trenutačno postoji desetak industrijskih proizvođača SEM-ova na tri kontinenta i deseci tisuća takvih uređaja koji se koriste u laboratorijima diljem svijeta.Šezdesetih godina prošlog stoljeća razvijeni su ultravisokonaponski mikroskopi za proučavanje debljih uzoraka.Vođa ovog smjera od razvoj je bio G. Dupuy u Francuskoj, gdje je uređaj s ubrzavajućim naponom od 3,5 milijuna volti pušten u rad 1970. RTM su izumili G. Binnig i G. Rohrer 1979. u Zürichu. Ovaj vrlo jednostavan uređaj omogućuje atomsku rezoluciju površine.Za svoj rad Binnig i Rohrer (istodobno s Ruskom) dobili su Nobelovu nagradu za stvaranje RTM-a.

Rohrer i Binnig su 1986. godine izumili skenirajući mikroskop sa sondom. Od svog izuma, STM naširoko koriste znanstvenici u različitim specijalnostima, pokrivajući gotovo sve prirodne znanstvene discipline, od temeljnih istraživanja u fizici, kemiji, biologiji do specifičnih tehnoloških primjena. Princip rada STM-a toliko je jednostavan, a potencijalne mogućnosti toliko velike da je nemoguće predvidjeti njegov utjecaj na znanost i tehnologiju čak ni u bliskoj budućnosti.

Kako se kasnije pokazalo, gotovo svaka interakcija vrha sonde s površinom (mehanička, magnetska) može se pomoću odgovarajućih instrumenata i računalnih programa pretvoriti u sliku površine.

Instalacija skenirajućeg sondnog mikroskopa sastoji se od nekoliko funkcionalnih blokova prikazanih na Sl. 1. To je, prvo, sam mikroskop s piezomanipulatorom za upravljanje sondom, tunelskim pretvaračem struje u napon i koračnim motorom za napajanje uzorka; blok analogno-digitalnih i digitalno-analognih pretvarača i visokonaponskih pojačala; upravljačka jedinica koračnog motora; ploča s procesorom signala koji izračunava povratni signal; računalo koje prikuplja informacije i pruža sučelje korisniku. Strukturno, DAC i ADC jedinica ugrađeni su u isto kućište s upravljačkom jedinicom koračnog motora. U ISA utor za proširenje osobnog računala ugrađuje se ploča sa procesorom signala (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 tvrtke Analog Devices.

Opći pogled na mehanički sustav mikroskopa prikazan je na sl. 2. Mehanički sustav uključuje bazu s piezo manipulatorom i glatkim sustavom za dovod uzorka na koračnom motoru s mjenjačem i dvije uklonjive mjerne glave za rad u modovima skenirajućeg tuneliranja i mikroskopije atomske sile. Mikroskop omogućuje dobivanje stabilne atomske rezolucije na tradicionalnim ispitnim površinama bez upotrebe dodatnih seizmičkih i akustičnih filtara.

2. Principi rada skenirajućih sondnih mikroskopa

U skenirajućim mikroskopima sa sondom proučavanje površinskog mikroreljefa i njegovih lokalnih svojstava provodi se pomoću posebno pripremljenih sondi u obliku igala. Radni dio takvih sondi (vrh) ima dimenzije desetak nanometara. Karakteristična udaljenost između sonde i površine uzoraka u sondnim mikroskopima je reda veličine 0,1 – 10 nm. Rad sondnih mikroskopa temelji se na različitim vrstama interakcije između sonde i površine. Dakle, rad tunelskog mikroskopa temelji se na fenomenu tunelske struje koja teče između metalne igle i vodljivog uzorka; Različite vrste međudjelovanja sila temelj su rada mikroskopa atomske sile, magnetske sile i električne sile. Razmotrimo zajedničke značajke svojstvene različitim sondnim mikroskopima. Neka je interakcija sonde s površinom karakterizirana određenim parametrom P. Ako postoji dovoljno oštra i jedan-na-jedan ovisnost parametra P o udaljenosti sonde od uzorka, tada se ovaj parametar može koristiti za organiziranje povratni sustav (FS) koji kontrolira udaljenost između sonde i uzorka. Na sl. Slika 3 shematski prikazuje opći princip organiziranja SPM povratne informacije.

Sustav povratne sprege održava vrijednost parametra P konstantnom, jednakom vrijednosti koju je odredio operater. Ako se promijeni udaljenost sonde od površine, tada se mijenja parametar P. Generira se diferentni signal u OS sustavu, proporcionalan vrijednosti ΔP = P - P, koji se pojačava na traženu vrijednost i dovodi do aktuatorskog elementa IE. Aktivator obrađuje ovaj signal razlike, približavajući sondu površini ili je odmičući dok signal razlike ne postane nula. Na taj se način udaljenost sonda-uzorak može održavati s velikom točnošću. Kada se sonda pomiče duž površine uzorka, parametar interakcije P se mijenja zbog topografije površine. OS sustav obrađuje te promjene, tako da kada se sonda pomiče u ravnini X, Y, signal na aktuatoru ispada proporcionalan topografiji površine. Za dobivanje SPM slike provodi se posebno organiziran proces skeniranja uzorka. Prilikom skeniranja sonda se prvo pomiče preko uzorka po određenoj liniji (line scan), dok se vrijednost signala na aktuatoru, proporcionalna topografiji površine, zapisuje u memoriju računala. Zatim se sonda vraća na početnu točku i prelazi na sljedeću liniju skeniranja (frame scan), a proces se ponovno ponavlja. Tako snimljeni povratni signal tijekom skeniranja obrađuje se računalom, a zatim se pomoću računalnih grafičkih alata konstruira SPM slika reljefa površine. Uz proučavanje topografije površine, sondni mikroskopi omogućuju proučavanje različitih svojstava površine: mehaničkih, električnih, magnetskih, optičkih i drugih.

3. Elementi za skeniranje (skeneri) sondnih mikroskopa

3.1 Elementi skeniranja

Za rad mikroskopa sonde potrebno je kontrolirati radnu udaljenost sonde i uzorka i pomicati sondu u ravnini uzorka s visokom točnošću (na razini frakcija angstroma). Ovaj problem se rješava uz pomoć posebnih manipulatora - elemenata za skeniranje (skenera). Elementi za skeniranje sondnih mikroskopa izrađeni su od piezoelektrika - materijala s piezoelektričnim svojstvima. Piezoelektrici mijenjaju svoje dimenzije u vanjskom električnom polju. Jednadžba za inverzni piezoelektrični učinak za kristale napisana je kao:

gdje je u tenzor deformacije, E komponente električnog polja, d komponente tenzora piezoelektričnog koeficijenta. Oblik tenzora piezoelektričnog koeficijenta određen je tipom simetrije kristala.

Pretvarači izrađeni od piezokeramičkih materijala postali su rašireni u različitim tehničkim primjenama. Piezokeramika je polarizirani polikristalni materijal dobiven sinteriranjem praha iz kristalnih feroelektrika. Polarizacija keramike provodi se na sljedeći način. Keramika se zagrijava iznad Curiejeve temperature (za većinu piezokeramike ta je temperatura manja od 300C), a zatim se polako hladi u jakom (oko 3 kV/cm) električnom polju. Nakon hlađenja piezokeramika ima induciranu polarizaciju i stječe sposobnost promjene veličine (povećanja ili smanjenja ovisno o međusobnom smjeru vektora polarizacije i vektora vanjskog električnog polja).

Cjevasti piezoelementi postali su široko rasprostranjeni u skenirajućoj mikroskopiji (slika 4). Omogućuju postizanje prilično velikih pomaka objekata s relativno malim upravljačkim naponima. Cjevasti piezoelementi su šuplji cilindri tankih stijenki izrađeni od piezokeramičkih materijala. Obično se elektrode u obliku tankih slojeva metala nanose na vanjsku i unutarnju površinu cijevi, dok krajevi cijevi ostaju nepokriveni.

Pod utjecajem razlike potencijala između unutarnje i vanjske elektrode cijev mijenja svoje uzdužne dimenzije. U ovom slučaju, uzdužna deformacija pod djelovanjem radijalnog električnog polja može se napisati kao:

gdje je l duljina cijevi u nedeformabilnom stanju. Apsolutno istezanje piezo cijevi je jednako

gdje je h debljina stijenke piezocijevi, V je razlika potencijala između unutarnje i vanjske elektrode. Dakle, pri istom naponu V produljenje cijevi će biti veće što je veća njezina duljina i što je manja debljina njezine stijenke.

Spajanje triju cijevi u jednu jedinicu omogućuje vam organiziranje preciznih pokreta mikroskopske sonde u tri međusobno okomita smjera. Ovaj element za skeniranje naziva se tronožac.

Nedostaci takvog skenera su složenost izrade i jaka asimetrija dizajna. Danas se u skenirajućoj sondnoj mikroskopiji najviše koriste skeneri koji se temelje na jednom cjevastom elementu. Opći pogled na cjevasti skener i raspored elektroda prikazani su na sl. 5. Materijal cijevi ima radijalni smjer vektora polarizacije.

Unutarnja elektroda je obično čvrsta. Vanjska elektroda skenera podijeljena je duž cilindra u četiri dijela. Kada se protufazni naponi dovedu na suprotne dijelove vanjske elektrode (u odnosu na unutarnju), dio cijevi se skuplja na mjestu gdje se smjer polja poklapa sa smjerom polarizacije, a izdužuje se tamo gdje su usmjereni suprotno. pravcima. To uzrokuje savijanje cijevi u odgovarajućem smjeru. Na taj se način skeniranje provodi u ravnini X, Y. Promjena potencijala unutarnje elektrode u odnosu na sve vanjske dijelove dovodi do produljenja ili skraćivanja cijevi duž osi Z. Dakle, moguće je organizirati tri- koordinatni skener temeljen na jednoj piezo cijevi. Pravi elementi za skeniranje često imaju složeniji dizajn, ali principi njihova rada ostaju isti.

Skeneri temeljeni na bimorfnim piezoelementima također su postali široko rasprostranjeni. Bimorf se sastoji od dvije piezoelektrične ploče međusobno zalijepljene na način da su vektori polarizacije u svakoj od njih usmjereni u suprotnim smjerovima (slika 6). Ako se napon primijeni na bimorfne elektrode, kao što je prikazano na sl. 6, tada će se jedna od ploča proširiti, a druga skupiti, što će dovesti do savijanja cijelog elementa. U realnim izvedbama bimorfnih elemenata stvara se potencijalna razlika između unutarnje zajedničke i vanjske elektrode tako da u jednom elementu polje koincidira sa smjerom vektora polarizacije, a u drugom je usmjereno u suprotnom smjeru.

Savijanje bimorfa pod utjecajem električnih polja osnova je za rad bimorfnih piezoskenera. Kombinacijom tri bimorfna elementa u jednom dizajnu moguće je implementirati tronožac na bimorfnim elementima.

Ako su vanjske elektrode bimorfnog elementa podijeljene u četiri sektora, tada je moguće organizirati kretanje sonde duž osi Z i u ravnini X, Y na jednom bimorfnom elementu (slika 7).

Doista, primjenom protufaznih napona na suprotne parove sekcija vanjskih elektroda, moguće je saviti bimorf tako da se sonda pomiče u ravnini X, Y (slika 7 (a, b)). Promjenom potencijala unutarnje elektrode u odnosu na sve dijelove vanjskih elektroda, moguće je savijati bimorf pomicanjem sonde u smjeru Z (slika 7 (c, d)).

3.2 Nelinearnost piezokeramike

Unatoč nizu tehnoloških prednosti u odnosu na kristale, piezokeramika ima neke nedostatke koji negativno utječu na rad elemenata za skeniranje. Jedan od tih nedostataka je nelinearnost piezoelektričnih svojstava. Na sl. Kao primjer, slika 8 prikazuje ovisnost veličine pomaka piezocijevi u smjeru Z o veličini primijenjenog polja. U općem slučaju (osobito s velikim kontrolnim poljima), piezokeramiku karakterizira nelinearna ovisnost deformacija o polju (ili o upravljačkom naponu).

Dakle, deformacija piezokeramike je složena funkcija vanjskog električnog polja:

Za mala kontrolna polja ova se ovisnost može prikazati u sljedećem obliku:

u = d* E+ α* E*E+…

gdje su d i α linearni i kvadratni moduli piezoelektričnog efekta.

Tipične vrijednosti polja E, pri kojima se počinju pojavljivati ​​nelinearni učinci, su reda veličine 100 V/mm. Stoga, za ispravan rad elemenata za skeniranje, kontrolna polja u području linearnosti keramike (E< Е) .

scanning probe elektronski mikroskop

3.3 Puzanje piezokeramike i histereza piezokeramike

Još jedan nedostatak piezokeramike je takozvano puzanje (puzanje) - odgođeni odgovor na promjenu vrijednosti kontrolnog električnog polja.

Puzanje uzrokuje geometrijska izobličenja povezana s ovim efektom koja se mogu uočiti na SPM slikama. Puzanje ima posebno snažan učinak kada se skeneri dovode na određenu točku radi izvođenja lokalnih mjerenja i u početnim fazama procesa skeniranja. Kako bi se smanjio utjecaj keramičkog puzanja, u ovim se procesima koriste vremenske odgode, koje omogućuju djelomičnu kompenzaciju kašnjenja skenera.

Drugi nedostatak piezokeramike je dvosmislenost ovisnosti istezanja o smjeru promjene električnog polja (histereza).

To dovodi do činjenice da se pri istim upravljačkim naponima piezokeramika pojavljuje na različitim točkama putanje ovisno o smjeru kretanja. Kako bi se uklonila izobličenja u SPM slikama uzrokovana histerezom piezokeramike, podaci se bilježe prilikom skeniranja uzoraka samo na jednoj od grana ovisnosti.

4. Uređaji za precizno pomicanje sonde i uzorka

4.1 Mehanički mjenjači

Jedan od važnih tehničkih problema kod skenirajuće mikroskopije sa sondom je potreba za preciznim pomicanjem sonde i uzorka kako bi se formirao radni otvor mikroskopa i odabrala površina koja se proučava. Za rješavanje ovog problema koriste se razne vrste uređaja koji pomiču objekte s velikom točnošću. Široko su se raširili različiti mehanički mjenjači u kojima grubo kretanje izvornog pokretača odgovara finom kretanju pomaknutog objekta. Metode smanjenja pokreta mogu biti različite. Široko se koriste uređaji s polugom, u kojima se smanjenje količine kretanja provodi zbog razlike u duljini krakova poluga. Dijagram mjenjača s polugom prikazan je na sl. 9.

Mehanička poluga omogućuje smanjenje kretanja s koeficijentom

Stoga, što je veći omjer kraka L prema kraku l, to se točnije može kontrolirati proces približavanja sonde i uzorka.

Također u dizajnu mikroskopa naširoko se koriste mehanički mjenjači, u kojima se smanjenje kretanja postiže zbog razlike u koeficijentima krutosti dvaju serijski povezanih elastičnih elemenata (slika 10). Konstrukcija se sastoji od krute baze, opruge i elastične grede. Krutost opruge k i elastične grede K odabrane su tako da je zadovoljen uvjet: k< K .

Koeficijent redukcije jednak je omjeru koeficijenata krutosti elastičnih elemenata:

Dakle, što je veći omjer krutosti grede i krutosti opruge, točnije se može kontrolirati pomak radnog elementa mikroskopa.

4.2 Koračni motori

Koračni motori (SEM) su elektromehanički uređaji koji pretvaraju električne impulse u diskretna mehanička kretanja. Važna prednost koračnih motora je u tome što osiguravaju jednoznačnu ovisnost položaja rotora o impulsima ulazne struje, tako da je kut zakreta rotora određen brojem upravljačkih impulsa. U SHED-u, zakretni moment stvaraju magnetski tokovi koje stvaraju polovi statora i rotora, koji su prikladno usmjereni jedan prema drugome.

Najjednostavniji dizajn je za motore s permanentnim magnetima. Sastoje se od statora, koji ima namote, i rotora koji sadrži trajne magnete. Na sl. Slika 11 prikazuje pojednostavljenu konstrukciju koračnog motora.

Izmjenični polovi rotora imaju pravolinijski oblik i nalaze se paralelno s osi motora. Motor prikazan na slici ima 3 para polova rotora i 2 para polova statora. Motor ima 2 neovisna namota, od kojih je svaki namotan na dva suprotna pola statora. Prikazani motor ima veličinu koraka od 30 stupnjeva. Kada se struja uključi u jedan od namota, rotor nastoji zauzeti položaj u kojem su suprotni polovi rotora i statora jedan nasuprot drugom. Da biste postigli kontinuiranu rotaciju, morate naizmjenično uključiti namote.

U praksi se koriste koračni motori koji imaju složeniji dizajn i daju od 100 do 400 koraka po okretaju rotora. Ako je takav motor uparen s navojnim spojem, tada je s korakom navoja od oko 0,1 mm osigurana točnost pozicioniranja objekta od oko 0,25 - 1 mikrona. Za povećanje točnosti koriste se dodatni mehanički mjenjači. Mogućnost električnog upravljanja omogućuje učinkovito korištenje ShED-a u automatiziranim sustavima za pristup sondi i uzorku skenirajućih sondnih mikroskopa.

4.3 Piezo koračni motori

Zahtjevi za dobrom izolacijom instrumenata od vanjskih vibracija i potreba za radom mikroskopa sonde u uvjetima vakuuma nameću ozbiljna ograničenja u korištenju čisto mehaničkih uređaja za pomicanje sonde i uzorka. U tom smislu, uređaji temeljeni na piezoelektričnim pretvaračima, koji omogućuju daljinsko upravljanje kretanjem objekata, postali su široko rasprostranjeni u mikroskopima sonde.

Jedan od dizajna koračnog inercijalnog piezo motora prikazan je na sl. 12. Ovaj uređaj sadrži bazu (1) na koju je učvršćena piezoelektrična cijev (2). Cijev ima elektrode (3) na vanjskoj i unutarnjoj površini. Na kraju cijevi nalazi se rascjepna opruga (4), koja je cilindar s odvojenim laticama opruge. U oprugu je ugrađen držač predmeta (5) - prilično masivan cilindar s poliranom površinom. Predmet koji se pomiče može se pričvrstiti na držač pomoću opruge ili spojne matice, što omogućuje rad uređaja u bilo kojoj orijentaciji u prostoru.

Uređaj radi na sljedeći način. Za pomicanje držača predmeta u smjeru osi Z, na elektrode piezo cijevi dovodi se pilasti impulsni napon (slika 13).

Na ravnom prednjem dijelu zubnog napona cijev se glatko izdužuje ili skuplja ovisno o polaritetu napona, a njezin se kraj zajedno s oprugom i držačem predmeta pomiče za udaljenost:

U trenutku otpuštanja pilastog napona cijev se vraća u prvobitni položaj s akceleracijom a koja u početku ima najveću vrijednost:

gdje je ω rezonantna frekvencija uzdužnih vibracija cijevi. Kada je uvjet F zadovoljen< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5. Zaštita sondnih mikroskopa od vanjskih utjecaja

5.1 Zaštita od vibracija

Za zaštitu uređaja od vanjskih vibracija koriste se različiti tipovi sustava za izolaciju vibracija. Konvencionalno se mogu podijeliti na pasivne i aktivne. Glavna ideja pasivnih sustava za izolaciju vibracija je sljedeća. Amplituda prisilnih oscilacija mehaničkog sustava brzo se smanjuje kako se povećava razlika između frekvencije pobudne sile i vlastite rezonantne frekvencije sustava (tipični amplitudno-frekvencijski odziv (AFC) oscilatornog sustava prikazan je na sl. 14. ).

Stoga vanjski utjecaji s frekvencijama ω > ω nemaju praktički nikakav zamjetan učinak na oscilatorni sustav. Posljedično, ako postavite mjernu glavu sonde mikroskopa na platformu za izolaciju vibracija ili na elastični ovjes (Sl. 15), tada će samo vanjske vibracije s frekvencijama bliskim rezonantnoj frekvenciji sustava za izolaciju vibracija proći kroz tijelo mikroskopa. Budući da su prirodne frekvencije SPM glava 10–100 kHz, odabirom rezonantne frekvencije sustava za izolaciju vibracija prilično nisko (oko 5–10 Hz), možete vrlo učinkovito zaštititi uređaj od vanjskih vibracija. Kako bi se prigušile vibracije na vlastitim rezonantnim frekvencijama, u sustave za izolaciju vibracija uvode se disipacijski elementi s viskoznim trenjem.

Dakle, kako bi se osigurala učinkovita zaštita, potrebno je da rezonantna frekvencija sustava za izolaciju vibracija bude što niža. Međutim, vrlo niske frekvencije teško je ostvariti u praksi.

Za zaštitu SPM glava uspješno se koriste aktivni sustavi za suzbijanje vanjskih vibracija. Takvi uređaji su elektromehanički sustavi s negativnom povratnom spregom, koji osigurava stabilan položaj platforme za izolaciju vibracija u prostoru (slika 16).

5.2 Zaštita od zvučne buke

Drugi izvor vibracija u konstrukcijskim elementima sondnih mikroskopa je akustična buka različite prirode.

Značajka akustične interferencije je da akustični valovi izravno utječu na strukturne elemente SPM glava, što dovodi do oscilacija sonde u odnosu na površinu uzorka koji se proučava. Za zaštitu SPM-ova od akustičkih smetnji koriste se različite zaštitne kapice koje mogu značajno smanjiti razinu akustičnih smetnji u području radnog zazora mikroskopa. Najučinkovitija zaštita od akustične interferencije je postavljanje mjerne glave sonde mikroskopa u vakuumsku komoru (slika 17).

5.3 Stabilizacija toplinskog pomaka položaja sonde iznad površine

Jedan od važnih problema SPM-a je zadatak stabilizacije položaja sonde iznad površine uzorka koji se proučava. Glavni izvor nestabilnosti položaja sonde je promjena temperature okoline ili zagrijavanje strukturnih elemenata sonde mikroskopa tijekom njegovog rada. Promjena temperature krutog tijela dovodi do pojave termoelastičnih deformacija. Takve deformacije imaju vrlo značajan utjecaj na rad sondnih mikroskopa. Kako bi se smanjio toplinski drift, koristi se termostatiranje SPM mjernih glava ili se u dizajn glava uvode toplinski kompenzacijski elementi. Ideja toplinske kompenzacije je sljedeća. Svaki dizajn SPM-a može se prikazati kao skup elemenata s različitim koeficijentima toplinskog širenja (slika 18 (a)).

Za kompenzaciju toplinskog pomaka u konstrukciju SPM mjernih glava uvode se kompenzacijski elementi s različitim koeficijentima rastezanja, tako da je zadovoljen uvjet da je zbroj temperaturnih širenja u različitim krakovima konstrukcije jednak nuli:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Najjednostavniji način smanjenja toplinskog pomaka položaja sonde duž osi Z je uvođenje kompenzacijskih elemenata u dizajn SPM-a izrađenih od istog materijala i istih karakterističnih dimenzija kao i glavni strukturni elementi (slika 18 (b)). Kada se temperatura ovog dizajna promijeni, pomak sonde u smjeru Z bit će minimalan. Za stabilizaciju položaja sonde u ravnini X, Y, mjerne glave mikroskopa izrađuju se u obliku osno simetričnih struktura.

6. Formiranje i obrada SPM slika

6.1 Proces skeniranja

Proces skeniranja površine u skenirajućem mikroskopu sa sondom sličan je kretanju zrake elektrona preko ekrana u televizijskoj katodnoj cijevi. Sonda se pomiče po liniji (liniji), prvo u smjeru naprijed, a zatim u obrnutom smjeru (line scan), a zatim prelazi na sljedeću liniju (frame scan) (slika 19). Sonda se pomiče pomoću skenera u malim koracima pod djelovanjem pilastih napona koje generiraju digitalno-analogni pretvarači. Registracija podataka o topografiji površine provodi se, u pravilu, na izravnom prolazu.

Informacije dobivene pomoću skenirajućeg sondnog mikroskopa pohranjuju se u obliku SPM okvira - dvodimenzionalnog niza cijelih brojeva a (matrica). Fizičko značenje ovih brojeva određeno je vrijednošću koja je digitalizirana tijekom procesa skeniranja. Svaka vrijednost para indeksa ij odgovara određenoj površinskoj točki unutar polja skeniranja. Koordinate površinskih točaka izračunavaju se jednostavnim množenjem odgovarajućeg indeksa s udaljenosti između točaka na kojima je informacija zabilježena.

SPM okviri su u pravilu kvadratne matrice veličine 2 (uglavnom 256x256 i 512x512 elemenata). Vizualizacija SPM okvira provodi se pomoću računalne grafike, uglavnom u obliku trodimenzionalnih (3D) i dvodimenzionalnih slika svjetline (2D). U 3D vizualizaciji, slika površine se konstruira u aksonometrijskoj perspektivi pomoću piksela ili linija. Osim toga, koriste se različite metode za isticanje piksela koji odgovaraju različitim visinama reljefa površine. Najučinkovitiji način bojanja 3D slika je simulacija uvjeta površinskog osvjetljenja s točkastim izvorom koji se nalazi u nekoj točki prostora iznad površine (slika 20). Istodobno je moguće naglasiti male neravnine reljefa. Također, korištenjem računalne obrade i grafike realizirano je skaliranje i rotacija 3D SPM slika. S 2D vizualizacijom, svakoj površinskoj točki dodijeljena je boja. Najviše se koriste gradijentne palete u kojima se slika boji u tonu određene boje u skladu s visinom točke na površini.

Lokalna mjerenja SPM-a, u pravilu, uključuju snimanje ovisnosti veličina koje se proučavaju o različitim parametrima. Na primjer, to su ovisnosti veličine električne struje kroz kontakt sonde i površine o primijenjenom naponu, ovisnosti različitih parametara međudjelovanja sile između sonde i površine o udaljenosti sonde i uzorka itd. informacije se pohranjuju u obliku vektorskih nizova ili u obliku matrica 2 x N. Za njihovu vizualizaciju softver mikroskopa pruža skup standardnih alata za prikaz funkcijskih grafova.

6.2 Metode konstruiranja i obrade slika

Pri proučavanju svojstava objekata metodama skenirajuće sondne mikroskopije glavni rezultat znanstvenog istraživanja u pravilu su trodimenzionalne slike površine tih predmeta. Adekvatnost tumačenja slike ovisi o kvalifikacijama stručnjaka. Istodobno, prilikom obrade i konstruiranja slika koristi se niz tradicionalnih tehnika kojih biste trebali biti svjesni pri analizi slika. Skenirajući sondni mikroskop pojavio se u vrijeme intenzivnog razvoja računalne tehnologije. Stoga je pri snimanju trodimenzionalnih slika koristio metode digitalne pohrane razvijene za računala. To je dovelo do značajne pogodnosti u analizi i obradi slike, ali bilo je potrebno žrtvovati fotografsku kvalitetu svojstvenu metodama elektronske mikroskopije. Informacije dobivene korištenjem sonde mikroskopa predstavljaju se u računalu kao dvodimenzionalna matrica cijelih brojeva. Svaki broj u ovoj matrici, ovisno o načinu skeniranja, može biti vrijednost struje tunela, ili vrijednost odstupanja, ili vrijednost neke složenije funkcije. Ako ovu matricu pokažete osobi, on neće moći dobiti nikakvu koherentnu ideju o površini koja se proučava. Dakle, prvi problem je pretvoriti brojeve u oblik koji je lako razumjeti. To se radi na sljedeći način. Brojevi u izvornoj matrici leže u određenom rasponu; postoje minimalne i maksimalne vrijednosti. Ovom rasponu cijelih brojeva dodijeljena je paleta boja. Stoga se svaka vrijednost matrice preslikava na točku određene boje na pravokutnoj slici. Redak i stupac u kojem se nalazi ta vrijednost postaju koordinate točke. Kao rezultat toga, dobivamo sliku u kojoj se, na primjer, visina površine prenosi bojom - kao na geografskoj karti. Ali na karti se obično koriste samo deseci boja, ali na našoj slici ima ih stotine i tisuće. Radi lakše percepcije, točke koje su blizu visine treba prikazati u sličnim bojama. Može se pokazati, a u pravilu se uvijek događa, da je raspon početnih vrijednosti veći od broja mogućih boja. U tom slučaju dolazi do gubitka informacija, a povećanje broja boja nije rješenje jer su mogućnosti ljudskog oka ograničene. Potrebna je dodatna obrada informacija, a obrada bi trebala biti različita ovisno o zadacima. Neki ljudi trebaju vidjeti cijelu sliku, dok drugi žele vidjeti detalje. Za to se koriste razne metode.

6.3 Oduzimanje konstantnog nagiba

Slike površine dobivene sondnim mikroskopima obično imaju ukupni nagib. To može biti zbog nekoliko razloga. Prvo, nagib se može pojaviti zbog netočnog postavljanja uzorka u odnosu na sondu; drugo, može biti povezano s pomakom temperature, što dovodi do pomaka sonde u odnosu na uzorak; treće, to može biti zbog nelinearnosti pokreta piezoskenera. Prikaz nagiba zauzima veliku količinu korisnog prostora u SPM okviru, tako da sitni detalji slike postaju nevidljivi. Da bi se uklonio ovaj nedostatak, izvodi se operacija oduzimanja konstantnog nagiba. Da bi se to postiglo, u prvoj se fazi pronalazi ravnina aproksimacije pomoću metode najmanjih kvadrata

P(x,y), koja ima minimalna odstupanja od površinskog reljefa Z = f(x,y), tada se ta ravnina oduzima od SPM slike. Preporučljivo je izvršiti oduzimanje na različite načine ovisno o prirodi nagiba.

Ako je nagib u SPM slici posljedica nagiba uzorka u odnosu na uzorak sonde, tada je preporučljivo rotirati ravninu za kut koji odgovara kutu između normale na ravninu i Z osi; u ovom slučaju se površinske koordinate Z = f(x,y) transformiraju u skladu s transformacijama prostorne rotacije. Međutim, ovom transformacijom moguće je dobiti sliku površine u obliku višeznačne funkcije Z = f(x,y). Ako je nagib posljedica toplinskog pomaka, tada se postupak oduzimanja nagiba svodi na oduzimanje Z koordinata ravnine od Z koordinata SPM slike:

Rezultat je niz s manjim rasponom vrijednosti, a sitni detalji na slici odražavat će se u više boja i postati vidljiviji.

6.4 Uklanjanje izobličenja povezanih s nesavršenostima skenera

Nesavršenost svojstava skenera dovodi do činjenice da SPM slika sadrži niz specifičnih izobličenja. Djelomične nesavršenosti skenera, kao što su nejednakost hoda skenera naprijed i nazad (histereza), puzanje i nelinearnost piezokeramike kompenziraju se hardverski i izborom optimalnih načina skeniranja. No, unatoč tome, SPM slike sadrže izobličenja koja je teško eliminirati na hardverskoj razini. Konkretno, budući da kretanje skenera u ravnini uzorka utječe na položaj sonde iznad površine, SPM slike su superpozicija stvarnog reljefa i neke površine drugog (a često i višeg) reda.

Kako bi se eliminirala ova vrsta distorzije, koristi se metoda najmanjih kvadrata za pronalaženje aproksimirajuće površine drugog reda P(x,y), koja ima minimalna odstupanja od izvorne funkcije Z = f(x,y), a zatim se ta površina oduzeto od izvorne SPM slike:

Druga vrsta distorzije povezana je s nelinearnošću i neortogonalnošću pomaka skenera u ravnini X, Y. To dovodi do distorzije geometrijskih proporcija u različitim dijelovima SPM slike površine. Kako bi se uklonila takva izobličenja, provodi se postupak ispravljanja SPM slika pomoću datoteke s koeficijentom korekcije, koja se stvara kada određeni skener skenira ispitne strukture s dobro poznatim reljefom.

6.5 Filtriranje SPM slika

Buka opreme (uglavnom buka visokoosjetljivih ulaznih pojačala), nestabilnost kontakta sonde i uzorka tijekom skeniranja, vanjski akustični šum i vibracije dovode do činjenice da SPM slike, uz korisne informacije, imaju komponentu šuma. Djelomični šum na SPM slikama može se ukloniti pomoću softvera.

6.6 Filtriranje medijana

Srednje filtriranje daje dobre rezultate pri uklanjanju visokofrekventnog nasumičnog šuma u SPM okvirima. Ovo je nelinearna metoda obrade slike, čija se bit može objasniti na sljedeći način. Odabran je radni prozor filtera koji se sastoji od nxn točaka (radi definicije, uzmimo prozor 3 x 3, tj. koji sadrži 9 točaka (Sl. 24)).

Tijekom procesa filtriranja, ovaj se prozor pomiče preko okvira od točke do točke i izvodi se sljedeći postupak. Vrijednosti amplitude SPM slike u točkama ovog prozora raspoređene su uzlaznim redoslijedom, a vrijednost u središtu sortiranog retka unosi se u središnju točku prozora. Prozor se zatim pomiče na sljedeću točku i postupak sortiranja se ponavlja. Stoga, snažni nasumični outlieri i neuspjesi tijekom takvog sortiranja uvijek završe na rubu sortiranog niza i neće biti uključeni u konačnu (filtriranu) sliku. Ovom obradom na rubovima okvira ostaju nefiltrirana područja koja se u konačnoj slici odbacuju.

6.7 Metode za rekonstrukciju površine iz njezine SPM slike

Jedan od nedostataka svojstven svim metodama skenirajuće mikroskopije sonde je konačna veličina radnog dijela sonde koja se koristi. To dovodi do značajnog pogoršanja prostorne rezolucije mikroskopa i značajnih izobličenja SPM slika pri skeniranju površina s reljefnim nepravilnostima usporedivim s karakterističnim dimenzijama radnog dijela sonde.

Zapravo, slika dobivena u SPM-u je "konvolucija" sonde i površine koja se proučava. Proces "konvolucije" oblika sonde s površinskim reljefom ilustriran je u jednodimenzionalnom slučaju na sl. 25.

Taj se problem djelomično može riješiti nedavno razvijenim metodama rekonstrukcije SPM slika, koje se temelje na računalnoj obradi SPM podataka uzimajući u obzir specifičan oblik sondi. Najučinkovitija metoda površinske restauracije je metoda numeričke dekonvolucije, koja koristi oblik sonde dobiven eksperimentalno skeniranjem ispitnih struktura (s dobro poznatom topografijom površine).

Treba napomenuti da je potpuna restauracija površine uzorka moguća samo ako su ispunjena dva uvjeta: sonda je tijekom procesa skeniranja dotakla sve točke površine, au svakom trenutku sonda je dotakla samo jednu točku površine. Ako sonda ne može dosegnuti određena područja površine tijekom skeniranja (na primjer, ako uzorak ima izbočena područja reljefa), dolazi samo do djelomične obnove reljefa. Štoviše, što je više točaka na površini dodirnula sonda tijekom skeniranja, to se površina može pouzdanije rekonstruirati.

U praksi, SPM slika i eksperimentalno određeni oblik sonde su dvodimenzionalni nizovi diskretnih vrijednosti za koje je derivacija loše definirana veličina. Stoga se umjesto izračuna derivacije diskretnih funkcija u praksi, tijekom numeričke dekonvolucije SPM slika, koristi uvjet minimalne udaljenosti između sonde i površine pri skeniranju s konstantnom prosječnom visinom.

U tom slučaju visina površinskog reljefa u danoj točki može se uzeti kao minimalna udaljenost između točke sonde i odgovarajuće točke površine za dani položaj sonde u odnosu na površinu. U svom fizičkom značenju ovaj uvjet je ekvivalentan uvjetu jednakosti derivacija, ali omogućuje traženje točaka kontakta sonde s površinom adekvatnijom metodom, što značajno skraćuje vrijeme rekonstrukcije reljefa.

Za kalibraciju i određivanje oblika radnog dijela sondi koriste se posebne ispitne strukture s poznatim parametrima reljefa površine. Vrste najčešćih ispitnih struktura i njihove karakteristične slike dobivene mikroskopom atomske sile prikazane su na slici. 26 i sl. 27.

Kalibracijska mreža u obliku oštrih šiljaka omogućuje vam precizno definiranje vrha sonde, dok pravokutna mreža pomaže vratiti oblik bočne površine. Kombinacijom rezultata skeniranja ovih rešetki moguće je potpuno vratiti oblik radnog dijela sondi.

7. Suvremeni SPM

1) Skening sonda mikroskop SM-300

Dizajniran za proučavanje morfoloških značajki i strukture pora. SM-300 (slika 28) ima ugrađen mikroskop za optičko pozicioniranje koji eliminira potrebu za beskonačnim traženjem područja interesa. Optička slika uzorka u boji, uz malo povećanje, prikazuje se na monitoru računala. Križić na optičkoj slici odgovara položaju elektronskog snopa. Pomoću nišana možete brzo pozicionirati kako biste definirali područje interesa za analizu rastera

Riža. 28. Elektronski mikroskop SPM SM-300. Jedinica za optičko pozicioniranje opremljena je zasebnim računalom, što osigurava njezinu hardversku neovisnost o skenirajućem mikroskopu.

SPOSOBNOSTI SM - 300

· Zajamčena razlučivost od 4 nm

· Jedinstveni mikroskop za optičko pozicioniranje (opcionalno)

· Intuitivni Windows® softver

Potpuno računalno kontrolirani skenirajući mikroskop i snimanje

Standardni TV izlaz s digitalnom obradom signala

· Računalna kontrola sustava niskog vakuuma (opcija)

· Sve studije izvode se na istom položaju osi aplikatora (12 mm)

Elementarna rendgenska mikroanaliza u niskom i visokom vakuumu (opcionalno)

Sposobnost rada u uvjetima normalnog osvjetljenja prostorije

· Studija neprovodljivih uzoraka bez njihove prethodne pripreme

Rezolucija 5,5 nm u načinu rada s niskim vakuumom

· Softverska kontrola promjene načina rada

Odabir raspona vakuuma u komori 1,3 – 260 Pa

· Prikaz slika na zaslonu monitora računala

· Serijski V-backscatter Robinson senzor

2) Supra50VP mikroskop za skeniranje visoke rezolucije sa sustavom za mikroanalizu INCA Energy+Oxford.

Uređaj (slika 29) namijenjen je istraživanjima u svim područjima znanosti o materijalima, u području nano- i biotehnologija. Uređaj vam omogućuje rad s velikim uzorcima, a također podržava način promjenjivog tlaka za proučavanje nevodljivih uzoraka bez pripreme. Riža. 29. SPM Supra50VP

OPCIJE:

Napon ubrzanja 100 V – 30 kV (katoda za emisiju polja)

Maks. povećati na x 900000

Ultra-visoka rezolucija – do 1 nm (na 20 kV)

Vakuumski način rada s promjenjivim tlakom od 2 do 133 Pa

Napon ubrzanja - od 0,1 do 30 kV

Motorizirani stol s pet stupnjeva slobode

Rezolucija EDX detektora 129 eV na liniji Ka(Mn), brzina brojanja do 100 000 brojanja/s

3) Modernizirani mikroskop LEO SUPRA 25 sa kolonom “GEMINI” i emisijom polja (slika 30).

– Dizajniran za istraživanje nanoanalize

– Može spojiti i EDX i WDX sustave za mikroanalizu

– Rezolucija 1,5 nm na 20 kV, 2 nm na 1 kV.

Zaključak

Tijekom proteklih godina korištenje sondne mikroskopije omogućilo je postizanje jedinstvenih znanstvenih rezultata u raznim područjima fizike, kemije i biologije.

Ako su prvi skenirajući sondni mikroskopi bili indikatorski uređaji za kvalitativna istraživanja, onda je moderni skenirajući sondni mikroskop uređaj koji integrira do 50 različitih istraživačkih tehnika. Sposoban je izvršiti određena kretanja u sustavu sonda-uzorak s točnošću od 0,1%, izračunavajući faktor oblika sonde, vršeći precizna mjerenja prilično velikih veličina (do 200 µm u ravnini skeniranja i 15 - 20 µm u visini ) i, u isto vrijeme, pružaju submolekularnu rezoluciju.

Skenirajući sondni mikroskopi postali su jedna od najpopularnijih klasa instrumenata za znanstvena istraživanja na svjetskom tržištu. Stalno se stvaraju novi dizajni uređaja, specijalizirani za različite primjene.

Dinamičan razvoj nanotehnologije zahtijeva sve više širenja mogućnosti istraživačke tehnologije. Visokotehnološke tvrtke diljem svijeta rade na stvaranju istraživačkih i tehnoloških nanokompleksa koji objedinjuju čitave skupine analitičkih metoda, kao što su: ramanska spektroskopija, luminescentna spektroskopija, rendgenska spektroskopija za elementarnu analizu, optička mikroskopija visoke rezolucije, elektronska mikroskopija , grozdovi usmjerenih ionskih tehnika. Sustavi stječu snažne intelektualne sposobnosti: sposobnost prepoznavanja i klasificiranja slika, isticanja potrebnih kontrasta, obdareni su sposobnošću simulacije rezultata, a računalna snaga osigurana je upotrebom superračunala.

Tehnologija koja se razvija ima moćne mogućnosti, ali krajnji cilj njezine upotrebe je dobivanje znanstvenih rezultata. Ovladavanje mogućnostima ove tehnologije samo po sebi je zadatak visoke složenosti koji zahtijeva obuku visokokvalificiranih stručnjaka koji su sposobni učinkovito koristiti ove uređaje i sustave.

Bibliografija

1. Nevolin V. K. Osnove tehnologije tunelske sonde / V. K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996., - 91 str.

2. Kulakov Yu A. Elektronska mikroskopija / Yu A Kulakov, – M.: Znanie, 1981, – 64 str.

3. Volodin A.P. Skenirajuća mikroskopija / A. P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 str.

4. Mikroskopija biopolimera skenirajućom sondom / Uredio I. V. Yaminsky, - M.: Znanstveni svijet, 1997., - 86 str.

5. Mironov V. Osnove mikroskopije skenirajuće sonde / V. Mironov, – M.: Tekhnosphere, 2004, – 143 str.

6. Rykov S. A. Mikroskopija poluvodičkih materijala skenirajućom sondom / S. A. Rykov, – St. Petersburg: Nauka, 2001., – 53 str.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Mikroskopija sa skenirajućom sondom za znanost i industriju / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronika: znanost, tehnologija, posao, – 1997, – br. 5, – Sa. 7 – 14.

Karelsko državno pedagoško sveučilište

Skenirajuća sonda mikroskopija

Izvedena:

554 gr. (2007)

Pretražni sondni mikroskop (SPM), njegova struktura i princip rada

Skenirajuća mikroskopija sa sondom (SPM)- jedna od moćnih suvremenih metoda za proučavanje morfologije i lokalnih svojstava čvrste površine s visokom prostornom rezolucijom

Unatoč raznolikosti tipova i primjena modernih skenirajućih mikroskopa, njihov rad se temelji na sličnim principima, a njihovi dizajni malo se razlikuju jedni od drugih. Na sl. Slika 1 prikazuje generalizirani dijagram skenirajućeg sondnog mikroskopa (SPM).

Slika 1 Generalizirani dijagram skenirajućeg sondnog mikroskopa (SPM).

Princip njegovog rada je sljedeći. Koristeći sustav grubog pozicioniranja, mjerna sonda se dovodi do površine ispitnog uzorka. Kada se uzorak i sonda približe na udaljenost manju od stotina nm, sonda počinje djelovati s površinskim strukturama analizirane površine. Sonda se pomiče po površini uzorka pomoću uređaja za skeniranje, koji osigurava skeniranje površine iglom sonde. Obično je to cijev izrađena od piezokeramike, na čijoj su površini aplicirana tri para odvojenih elektroda. Pod utjecajem napona Ux i Uy primijenjenih na piezocijev, ona se savija, čime se osigurava kretanje sonde u odnosu na uzorak duž X i Y osi; pod utjecajem napona Uz, komprimira se ili rasteže, što vam omogućuje promijeniti udaljenost igle od uzorka.

Piezoelektrični efekt u kristalima otkrili su 1880. braća P. i J. Curie, koji su promatrali pojavu elektrostatskog naboja na površini ploča izrezanih u određenoj orijentaciji iz kristala kvarca pod utjecajem mehaničkog naprezanja. Ti su naboji proporcionalni mehaničkom naprezanju, s njim mijenjaju predznak i nestaju kada se ukloni.

Stvaranje elektrostatskog naboja na površini dielektrika i pojava električne polarizacije unutar njega kao rezultat izloženosti mehaničkom naprezanju naziva se izravni piezoelektrični učinak.

Uz izravni, postoji i obrnuti piezoelektrični učinak, koji se sastoji u činjenici da dolazi do mehaničke deformacije u ploči izrezanoj iz piezoelektričnog kristala pod utjecajem električnog polja koje se na njega primjenjuje; Štoviše, veličina mehaničke deformacije proporcionalna je jakosti električnog polja. Piezoelektrični učinak opaža se samo u čvrstim dielektricima, uglavnom kristalnim. U strukturama koje imaju centar simetrije, nikakva uniformna deformacija ne može poremetiti unutarnju ravnotežu kristalne rešetke i, prema tome, samo 20 klasa kristala koji nemaju centar simetrije su piezoelektrični. Nepostojanje centra simetrije je nužan, ali ne i dovoljan uvjet za postojanje piezoelektričnog efekta, pa ga stoga nemaju svi acentrični kristali.

Piezoelektrični efekt se ne može uočiti u čvrstim amorfnim i kriptokristalnim dielektricima. (Piezoelektrici – monokristali: Kvarc. Piezoelektrična svojstva kvarca naširoko se koriste u tehnologiji za stabilizaciju i filtriranje radiofrekvencija, generiranje ultrazvučnih vibracija i mjerenje mehaničkih veličina. Turmalin. Glavna prednost turmalina je veća vrijednost parcijalnog koeficijenta u odnosu na kvarc. Zbog toga, kao i zbog veće mehaničke čvrstoće turmalina, moguće je izraditi rezonatore za više frekvencije.

Trenutačno se turmalin rijetko koristi za proizvodnju piezoelektričnih rezonatora i ima ograničenu upotrebu za mjerenje hidrostatskog tlaka.

Rochette sol. Piezoelektrični elementi izrađeni od Rochelle soli naširoko su korišteni u opremi koja radi u relativno uskom temperaturnom rasponu, posebno u snimačima zvuka. Međutim, trenutno su gotovo potpuno zamijenjeni keramičkim piezoelementima.

Senzor položaja sonde kontinuirano prati položaj sonde u odnosu na uzorak i putem sustava povratne sprege podatke o tome prenosi u računalni sustav koji upravlja kretanjem skenera. Za snimanje sila međudjelovanja sonde i površine obično se koristi metoda koja se temelji na snimanju otklona zrake poluvodičkog lasera reflektirane od vrha sonde. U mikroskopima ove vrste, reflektirana zraka svjetlosti pada u središte fotodiode s dva ili četiri dijela spojene prema diferencijalnom krugu. Računalni sustav, osim za upravljanje skenerom, služi i za obradu podataka sa sonde, analizu i prikaz rezultata istraživanja površine.

Kao što vidite, struktura mikroskopa je prilično jednostavna. Glavni interes je interakcija sonde s površinom koja se proučava. To je vrsta interakcije koju koristi određeni skenirajući mikroskop sonde koji određuje njegove mogućnosti i opseg primjene. (slajd) Kao što naziv govori, jedan od glavnih elemenata skenirajućeg sondnog mikroskopa je sonda. Zajednička značajka svih skenirajućih sondnih mikroskopa je metoda dobivanja informacija o svojstvima površine koja se proučava. Mikroskopska sonda se približava površini dok se ne uspostavi ravnoteža međudjelovanja određene prirode između sonde i uzorka, nakon čega se provodi skeniranje.

Pretražni tunelski mikroskop (STM), njegova struktura i princip rada

Prvi prototip SPM bio je skenirajući tunelski mikroskop (STM), izumljen 1981. znanstvenici IBM-ovog istraživačkog laboratorija u Zürichu, Gerhard Binnig i Heinrich Röhrer. Uz njegovu pomoć prvi su put dobivene stvarne slike površina s atomskom rezolucijom, posebice rekonstrukcija 7x7 na površini silicija (slika 2).

Slika 3 STM slika površine monokristalnog silicija. Rekonstrukcija 7 x 7

Sve trenutno poznate SPM metode mogu se podijeliti u tri glavne skupine:

– skenirajuća tunelska mikroskopija; STM koristi oštru provodnu iglu kao sondu

Ako se između vrha i uzorka primijeni prednapon, tada kada se vrh igle približi uzorku na udaljenost od oko 1 nm, između njih se javlja struja tunela, čija veličina ovisi o udaljenosti igle od uzorka, a smjer na polaritet napona (slika 4). Kako se vrh igle udaljava od površine koja se proučava, tunelska struja se smanjuje, a kako se približava, povećava se. Dakle, koristeći podatke o tunelskoj struji na određenom skupu površinskih točaka, moguće je konstruirati sliku topografije površine.

Slika 4. Dijagram pojave tunelske struje.

– mikroskopija atomske sile; bilježi promjene sile privlačenja igle prema površini od točke do točke. Igla se nalazi na kraju konzolne grede (konzole), koja ima poznatu krutost i može se savijati pod djelovanjem malih van der Waalsovih sila koje nastaju između površine koja se proučava i vrha vrha. Deformacija konzole se bilježi otklonom laserske zrake koja pada na njenu stražnju površinu, ili korištenjem piezorezistivnog efekta koji se javlja u samoj konzoli tijekom savijanja;

– optička mikroskopija bliskog polja; u njemu je sonda optički valovod (vlakno), sužava se na kraju okrenutom prema uzorku do promjera manjeg od valne duljine svjetlosti. U ovom slučaju, svjetlosni val ne napušta valovod na velikoj udaljenosti, već samo malo "ispada" iz njegovog vrha. Na drugom kraju valovoda ugrađeni su laser i prijemnik svjetlosti reflektirane sa slobodnog kraja. Na maloj udaljenosti između proučavane površine i vrha sonde mijenjaju se amplituda i faza reflektiranog svjetlosnog vala, koji služi kao signal koji se koristi za izradu trodimenzionalne slike površine.

Ovisno o tunelskoj struji ili udaljenosti između igle i površine, moguća su dva načina rada skenirajućeg tunelskog mikroskopa. U modu konstantne visine, vrh igle se pomiče u vodoravnoj ravnini iznad uzorka, a tunelska struja varira ovisno o udaljenosti do njega (slika 5a). Informacijski signal u ovom slučaju je veličina struje tuneliranja izmjerena na svakoj točki skeniranja površine uzorka. Na temelju dobivenih vrijednosti tunelske struje konstruira se slika topografije.

Riža. 5. Dijagram rada STM: a - u režimu konstantne visine; b - u načinu istosmjerne struje

U načinu rada konstantne struje, mikroskopski povratni sustav osigurava konstantnu tunelsku struju podešavanjem udaljenosti igle od uzorka na svakoj točki skeniranja (Sl. 5b). On prati promjene u struji tunela i kontrolira napon primijenjen na uređaj za skeniranje kako bi kompenzirao te promjene. Drugim riječima, kada struja raste, povratni sustav odmiče sondu od uzorka, a kada se smanjuje, približava je. U ovom načinu rada slika se konstruira na temelju podataka o veličini vertikalnih pomaka uređaja za skeniranje.

Oba načina imaju svoje prednosti i nedostatke. Način rada s konstantnom visinom daje brže rezultate, ali samo za relativno glatke površine. U načinu rada konstantne struje, nepravilne površine mogu se mjeriti s velikom točnošću, ali mjerenja traju dulje.

Imajući visoku osjetljivost, skenirajući tunelski mikroskopi dali su čovječanstvu priliku vidjeti atome vodiča i poluvodiča. Ali zbog ograničenja dizajna, nemoguće je prikazati nevodljive materijale pomoću STM-a. Osim toga, za kvalitetan rad tunelskog mikroskopa potrebno je ispuniti niz vrlo strogih uvjeta, posebice rad u vakuumu i posebna priprema uzoraka. Dakle, iako se ne može reći da je prva palačinka Binniga i Röhrera ispala kvrgava, proizvod je ispao pomalo sirov.

Prošlo je pet godina i Gerhard Binning je zajedno s Calvinom Quaiteom i Christopherom Gerberom izumio novu vrstu mikroskopa koju su nazvali mikroskop atomske sile (AFM), za koji je iste 1986.g. G. Binnig i H. Röhrer dobili su Nobelovu nagradu za fiziku. Novi mikroskop omogućio je prevladavanje ograničenja svog prethodnika. Pomoću AFM-a moguće je prikazati površinu vodljivih i nevodljivih materijala s atomskom rezolucijom iu atmosferskim uvjetima. Dodatna prednost mikroskopa atomske sile je mogućnost da uz mjerenje topografije površina vizualiziraju njihova električna, magnetska, elastična i druga svojstva.

Mikroskop atomske sile (AFM), njegova struktura i princip rada

Najvažnija komponenta ACM-a (Mikroskop atomske sile) su sonde za skeniranje - konzole; svojstva mikroskopa izravno ovise o svojstvima konzole.

Konzola je fleksibilna greda (175x40x4 mikrona - prosječni podaci) s određenim koeficijentom krutosti k(10-3 – 10 N/m), na čijem se kraju nalazi mikro igla (sl. 1). Raspon promjene polumjera zakrivljenosti R Vrh igle se promijenio s razvojem AFM-a sa 100 na 5 nm. Očito, uz smanjenje R Mikroskop omogućuje slike veće rezolucije. Kut vrha igle a- također važna karakteristika sonde, o kojoj ovisi kvaliteta slike. a u različitim konzolama varira od 200 do 700, nije teško pretpostaviti da manji a, veća je kvaliteta dobivene slike.

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

dakle povećati w0 Duljina konzole (o kojoj ovisi koeficijent krutosti) je reda veličine nekoliko mikrona, a masa ne prelazi 10-10 kg. Rezonantne frekvencije raznih konzola kreću se od 8 do 420 kHz.

Metoda skeniranja pomoću AFM-a je sljedeća (slika 2) : igla sonde nalazi se iznad površine uzorka, dok se sonda pomiče u odnosu na uzorak, poput zrake u katodnoj cijevi na TV-u (line-by-line scanning). Laserska zraka usmjerena na površinu sonde (koja se savija u skladu s krajolikom uzorka) reflektira se i pogađa fotodetektor koji bilježi odstupanja zrake. U ovom slučaju, otklon igle tijekom skeniranja uzrokovan je međuatomskom interakcijom površine uzorka s njegovim vrhom. Pomoću računalne obrade signala fotodetektora moguće je dobiti trodimenzionalne slike površine uzorka koji se proučava.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Riža. 8. Ovisnost sile međuatomske interakcije o udaljenosti vrha od uzorka

Sile međudjelovanja sonde i površine dijele se na kratkodometne i dugodometne. Sile kratkog dometa nastaju na udaljenosti reda veličine 1-10 A kada elektronske ljuske atoma vrha igle i površine preklapaju brzo padaju s povećanjem udaljenosti. Samo nekoliko atoma (u jednom graničnom) vrha igle ulazi u interakciju kratkog dometa s površinskim atomima. Prilikom snimanja površine pomoću ove vrste sile, AFM radi u kontaktnom načinu rada.

Postoji način kontaktnog skeniranja, kada igla sonde dodiruje površinu uzorka, isprekidani način rada - pri skeniranju, sonda povremeno dodiruje površinu uzorka i beskontaktni način rada, kada je sonda nekoliko nanometara od skeniranog. površine (potonji način skeniranja se rijetko koristi, budući da je sile interakcije između sonde i uzorka praktički teško odrediti).

Mogućnosti privatne robne marke

STM je učio ne samo razlikovati pojedinačne atome, već i odrediti njihov oblik.
Mnogi još nisu u potpunosti shvatili činjenicu da skenirajući tunelski mikroskopi (STM) mogu prepoznati pojedinačne atome, kada je sljedeći korak već poduzet: sada je postao moguća definicijačak oblicima pojedinog atoma u realnom prostoru (točnije oblik raspodjele gustoće elektrona oko atomske jezgre).

Optički mikroskop bliskog polja, njegova struktura i princip rada

Optička mikroskopija bliskog polja; u njemu je sonda optički valovod (vlakno), sužava se na kraju okrenutom prema uzorku do promjera manjeg od valne duljine svjetlosti. U ovom slučaju, svjetlosni val ne napušta valovod na velikoj udaljenosti, već samo malo "ispada" iz njegovog vrha. Na drugom kraju valovoda ugrađeni su laser i prijemnik svjetlosti reflektirane sa slobodnog kraja. Na maloj udaljenosti između proučavane površine i vrha sonde mijenjaju se amplituda i faza reflektiranog svjetlosnog vala, koji služi kao signal koji se koristi za izradu trodimenzionalne slike površine.

Ako prisilite svjetlost da prođe kroz dijafragmu promjera 50-100 nm i približite je na udaljenost od nekoliko desetaka nanometara površini uzorka koji se proučava, tada pomicanjem takvog " " duž površine od točke do točke (i s dovoljno osjetljivim detektorom), možete proučavati optička svojstva ovog uzorka V lokalno područje koji odgovara veličini otvora.

Upravo tako radi skenirajući optički mikroskop bliskog polja (SNOM). Ulogu rupice (podvalne dijafragme) obično ima optičko vlakno, čiji je jedan kraj zašiljen i prekriven tankim slojem metala, posvuda osim male površine na samom vrhu vrha (promjer “ područje bez prašine” je samo 50-100 nm). S drugog kraja u takvo vlakno ulazi svjetlost lasera.

prosinac 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">prosinac 2005. i jedan je od temeljnih laboratorija Zavoda za nanotehnologiju Fizičkog fakulteta Ruskog državnog sveučilišta. Laboratorij ima 4 kompleta NanoEducator skenirajući mikroskopi sa sondom, posebno razvijeni od strane tvrtke NT-MDT (Zelenograd, Rusija) za laboratorijski rad... Uređaji su namijenjeni studentskoj publici: potpuno su kontrolirani pomoću računala, imaju jednostavno i intuitivno sučelje, podršku za animaciju i uključuju razvoj tehnika korak po korak.

Slika 10 Laboratorij mikroskopije sa skenirajućom sondom

Razvoj skenirajuće sondne mikroskopije poslužio je kao osnova za razvoj novog pravca u nanotehnologiji - sondne nanotehnologije.

Književnost

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Rekonstrukcija na Si(111) razriješena u stvarnom prostoru // Phys. vlč. Lett. 1983. Vol. 50, broj 2. Str. 120-123. Ova poznata publikacija započela je eru privatnog označavanja.

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

3. http://ru. wikipedija. org

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

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

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