Pásztázó szonda MIKROSZÓP: TÍPUSOK ÉS MŰKÖDÉSI ELVE

Kuvajcev Alekszandr Vjacseszlavovics
Dimitrovgrad Mérnöki és Technológiai Intézet, a MEPhI Nemzeti Nukleáris Kutató Egyetem ága
diák

annotáció
Ez a cikk a szonda mikroszkóp működési elvét ismerteti. Ez egy alapvetően új technológia, amely olyan különböző területeken képes megoldani a problémákat, mint a kommunikáció, a biotechnológia, a mikroelektronika és az energia. A mikroszkópos nanotechnológiák jelentősen csökkentik az erőforrás-felhasználást, és nem terhelik a környezetet, vezető szerepet töltenek be az emberiség életében, ahogy például a számítógép is az emberek életének szerves részévé vált.

Pásztázó szonda MIKROSZKÓPIA: TÍPUSOK ÉS MŰKÖDÉSI ELVEK

Kuvajcev Alekszandr Vjacseszlavovics
Dimitrovgrad Mérnöki és Technológiai Intézet, a Nemzeti Nukleáris Kutató Egyetem MEPHI
diák

Absztrakt
Ez a cikk a szonda mikroszkóp elvét ismerteti. Ez egy új technológia, amely olyan sokrétű problémákat tud megoldani, mint a kommunikáció, a biotechnológia, a mikroelektronika és az energia. A mikroszkópos nanotechnológia jelentősen csökkenti az erőforrások felhasználását, és nem terheli a környezetet, vezető szerepet töltenek be az emberi életben, hiszen például a számítógép az emberek életének szerves részévé vált.

A 21. században rohamosan terjed a nanotechnológia, amely életünk minden területére behatol, de új, kísérleti kutatási módszerek nélkül nem lenne előrelépés, az egyik leginformatívabb a pásztázó szondás mikroszkópos módszer, amelyet feltaláltak. és 1986-ban Nobel-díjasok – Heinrich Rohrer professzor és Dr. Gerd Binnig – terjesztették.

Valóságos forradalom ment végbe a világban az atomi vizualizációs módszerek megjelenésével. Rajongók csoportjai kezdtek megjelenni, saját készülékeiket konstruálva. Ennek eredményeként számos sikeres megoldás született a szonda felülettel való kölcsönhatásának megjelenítésére. Létrejöttek a szükséges paraméterekkel rendelkező szondák előállítására szolgáló technológiák.

Tehát mi az a szonda mikroszkóp? Mindenekelőtt ez maga a szonda, amely a minta felületét vizsgálja, szükség van egy olyan rendszerre is, amely a szondát a mintához képest kétdimenziós vagy háromdimenziós ábrázolásban mozgatja (X-Y vagy X-Y-Z koordináták mentén mozog). Mindezt egy rögzítő rendszer egészíti ki, amely a szonda és a minta távolságától függően rögzíti egy függvény értékét. A rögzítőrendszer rögzíti és megjegyzi az értéket az egyik koordináta mentén.

A pásztázó szonda mikroszkópok fő típusai 3 csoportra oszthatók:

1. Pásztázó alagútmikroszkóp – vezető felületek topográfiájának mérésére tervezték nagy térbeli felbontással.
   Az STM-ben éles fémtűt vezetnek át a mintán nagyon kis távolságból. Ha kis áramot vezetünk a tűre, egy alagútáram jelenik meg a tű és a minta között, melynek nagyságát a rögzítőrendszer rögzíti. A tű a minta teljes felületén áthaladva rögzíti az alagútáram legkisebb változásait, aminek következtében a minta felületének domborzati térképe rajzolódik ki. Az STM az első a pásztázó szondás mikroszkópok osztályában, a többit később fejlesztették ki.
2. Pásztázó atomerő-mikroszkóp – egy minta felületi szerkezetének atomi felbontású ábrázolására szolgál. Az STM-mel ellentétben ez a mikroszkóp használható vezető és nem vezető felületek vizsgálatára is. Nemcsak pásztázási, hanem atommanipulációs képessége miatt is erőnek nevezik.
3. A közelmezős optikai mikroszkóp egy „fejlett” optikai mikroszkóp, amely jobb felbontást biztosít, mint a hagyományos optikai mikroszkóp. A BOM felbontásának növelését úgy érték el, hogy a vizsgált objektum fényét a hullámhossznál rövidebb távolságból vették fel. Ha a mikroszkóp szonda a térbeli mező letapogatására alkalmas eszközzel van felszerelve, akkor az ilyen mikroszkópot közeli pásztázó optikai mikroszkópnak nevezzük. Ezzel a mikroszkóppal nagyon nagy felbontású képeket készíthet a felületekről.

A képen (1. ábra) egy szonda mikroszkóp legegyszerűbb működési diagramja látható.

1. ábra - Szonda mikroszkóp működési vázlata

Működése a minta felületének szondával való kölcsönhatásán alapul, ez lehet konzolos, tű vagy optikai szonda. A szonda és a vizsgált tárgy közötti kis távolságban rögzítő eszközökkel rögzíthetők a kölcsönhatási erők, például taszítás, vonzás stb., valamint a hatások megnyilvánulása, például az elektronalagút. Ezen erők érzékelésére nagyon érzékeny érzékelőket használnak, amelyek a legkisebb változásokat is érzékelik. Piezo csöveket vagy sík-párhuzamos szkennereket alkalmaznak koordináta-szkennelő rendszerként a raszterkép előállításához.

A pásztázó szonda mikroszkópok létrehozásának fő technikai nehézségei a következők:

1. A mechanikai integritás biztosítása
2. Az érzékelőknek maximális érzékenységgel kell rendelkezniük
3. A szonda végének minimális méretűnek kell lennie
4. Sweep rendszer létrehozása
5. Biztosítsa a szonda simaságát

A pásztázó szonda mikroszkóppal kapott képet szinte mindig nehéz megfejteni a torzulások miatt az eredmények megszerzésekor. Általános szabály, hogy további matematikai feldolgozásra van szükség. Ehhez speciális szoftvert használnak.

Jelenleg a pásztázó szondát és az elektronmikroszkópot kiegészítő kutatási módszerként használják számos fizikai és műszaki jellemző miatt. Az elmúlt évek során a szondamikroszkópia alkalmazása egyedülálló tudományos kutatások elérését tette lehetővé a fizika, a kémia és a biológia területén. Az első mikroszkópok csak műszerek voltak - indikátorok, amelyek segítették a kutatást, a modern minták pedig teljes értékű munkaállomások, amelyek akár 50 különböző kutatási technikát is tartalmaznak.

Ennek a fejlett technológiának a fő feladata a tudományos eredmények megszerzése, de ezen eszközök képességeinek gyakorlati alkalmazása magasan képzett szakembereket igényel.

7. Pásztázó szonda mikroszkóp használata biológiai tárgyak tanulmányozására

7. Pásztázó szonda mikroszkóp alkalmazása biológiai objektumok vizsgálatára 1

7.1. Munka céljai 2

7.2. Tanári tájékoztató 3

7.4. Irányelvek 31

7.5. Biztonság 32

7.6. 32. feladat

7.7. Tesztkérdések 32

7.8. Irodalom 32

A laboratóriumi munkát a Nyizsnyij Novgorod Állami Egyetem dolgozta ki. N.I. Lobacsevszkij

7.1.A munka céljai

A biológiai szerkezetek morfológiai paramétereinek vizsgálata a biológusok számára fontos feladat, hiszen egyes struktúrák mérete és alakja nagyban meghatározza élettani tulajdonságaikat. A morfológiai adatok és a funkcionális jellemzők összehasonlításával átfogó információ nyerhető az élő sejtek részvételéről az emberi vagy állati szervezet élettani egyensúlyának fenntartásában.

Korábban a biológusoknak és az orvosoknak csak optikai és elektronmikroszkóppal volt lehetőségük készítményeiket tanulmányozni. Ezek a vizsgálatok némi betekintést nyújtottak a fixált, festett és porlasztással előállított vékony fémbevonattal bevont sejtek morfológiájába. Nem lehetett tanulmányozni az élő tárgyak morfológiáját és annak változásait különböző tényezők hatására, de nagyon csábító volt.

A pásztázó szonda mikroszkópia (SPM) új lehetőségeket nyitott meg a sejtek, baktériumok, biológiai molekulák és DNS vizsgálatában, olyan körülmények között, amelyek a lehető legközelebb állnak a natív körülményekhez. Az SPM lehetővé teszi a biológiai tárgyak tanulmányozását speciális fixálószerek és színezékek nélkül, levegőben vagy akár folyékony közegben.

Jelenleg az SPM-et számos tudományágban használják, mind az alapkutatásban, mind az alkalmazott csúcstechnológiai fejlesztésekben. Az országban számos kutatóintézet van felszerelve szondamikroszkópos berendezéssel. E tekintetben a magasan képzett szakemberek iránti kereslet folyamatosan növekszik. Ennek a követelménynek a kielégítésére az NT-MDT cég (Zelenograd, Oroszország) speciális oktatási és tudományos laboratóriumot fejlesztett ki pásztázó szonda mikroszkópiára. NanoEducator.

SPM NanoEducator kifejezetten a diákok laboratóriumi munkáihoz készült. Ez az eszköz a hallgatói közönségnek szól: teljesen számítógéppel vezérelhető, egyszerű és intuitív kezelőfelülettel, animációtámogatással rendelkezik, magában foglalja a technikák lépésről lépésre történő fejlesztését, az összetett beállítások és az olcsó fogyóeszközök hiányát.

Ebben a laboratóriumi munkában megismerkedhet a pásztázó szonda mikroszkóppal, megismerkedhet annak alapjaival, tanulmányozhatja az oktatás kialakítását és működési elveit. SPM NanoEducator, tanulja meg biológiai preparátumok készítését a kutatáshoz, készítse el az első SPM-képet egy tejsavbaktérium-komplexumról, sajátítsa el a mérési eredmények feldolgozásának és bemutatásának alapjait.

7.2.Tájékoztatás a tanárnak 1

A laboratóriumi munka több szakaszban történik:

1. A mintaelőkészítést minden tanuló egyénileg végzi.

2. Az első képet egy készüléken készítjük el tanári felügyelet mellett, majd minden tanuló önállóan megvizsgálja a mintáját.

3. A kísérleti adatokat minden tanuló egyénileg dolgozza fel.

Minta kutatáshoz: tejsavbaktériumok fedőüvegen.

A munka megkezdése előtt ki kell választani a legjellemzőbb amplitúdó-frekvencia karakterisztikával rendelkező szondát (egy szimmetrikus maximum), és képet kell készíteni a vizsgált minta felületéről.

A laboratóriumi jelentésnek tartalmaznia kell:

1. elméleti rész (válaszok ellenőrző kérdésekre).

2. a kísérleti rész eredményei (az elvégzett kutatás leírása, a kapott eredmények és a levont következtetések).

1. A biológiai objektumok morfológiájának vizsgálati módszerei.

2. Pásztázó szonda mikroszkóp:

SPM tervezés;

SPM típusok: STM, AFM;

SPM adatformátum, SPM adatok megjelenítése.

3. Minták előkészítése SPM vizsgálatokhoz:

a baktériumsejtek morfológiája és szerkezete;

morfológia tanulmányozására szolgáló preparátumok készítése SPM segítségével.

4. Bevezetés a NanoEducator SPM tervezési és vezérlési programjába.

5. SPM-kép beszerzése.

6. A kapott képek feldolgozása, elemzése. SPM képek kvantitatív jellemzése.

A biológiai objektumok morfológiájának vizsgálati módszerei

A sejtek jellemző átmérője 10  20 μm, a baktériumok 0,5-3  5 μm, ezek az értékek 5-ször kisebbek, mint a szabad szemmel látható legkisebb részecske. Ezért a sejtek első vizsgálata csak az optikai mikroszkópok megjelenése után vált lehetségessé. A 17. század végén. Antonio van Leeuwenhoek készítette az első optikai mikroszkópot, azelőtt az emberek nem is sejtették, hogy kórokozó mikrobák és baktériumok léteznek [Lit. 7-1].

Optikai mikroszkópia

A sejtek vizsgálatának nehézségei abból adódnak, hogy színtelenek és átlátszóak, így alapvető szerkezetük feltárására csak a színezékek gyakorlati bevezetése után került sor. A festékek megfelelő képkontrasztot biztosítottak. Optikai mikroszkóp segítségével megkülönböztetheti az egymástól 0,2 µm távolságra lévő objektumokat, pl. Az optikai mikroszkópban még megkülönböztethető legkisebb objektumok a baktériumok és a mitokondriumok. A kisebb sejtelemek képét a fény hullámtermészete okozta hatások torzítják.

A hosszú élettartamú készítmények elkészítéséhez a sejteket rögzítőanyaggal kezelik, hogy rögzítsék és megőrizzék őket. Ezenkívül a rögzítés növeli a sejtek hozzáférhetőségét a festékekhez, mert A sejtmakromolekulákat keresztkötések tartják össze, ami stabilizálja és egy bizonyos pozícióban rögzíti őket. Leggyakrabban az aldehidek és alkoholok fixálószerként működnek (például a glutáraldehid vagy formaldehid kovalens kötéseket képez a fehérjék szabad aminocsoportjaival, és keresztkötéseket köt a szomszédos molekulákkal). Rögzítés után a szövetet mikrotommal általában nagyon vékony (1–10 µm vastag) szakaszokra vágják, amelyeket azután egy tárgylemezre helyeznek. Ez az előállítási mód károsíthatja a sejtek vagy a makromolekulák szerkezetét, ezért a gyorsfagyasztás az előnyben részesített módszer. A fagyasztott szövetet egy hidegkamrába helyezett mikrotommal vágják le. A metszetek elkészítése után a sejteket megfestjük. Főleg szerves színezékeket (malachit zöld, fekete szudán stb.) használnak erre a célra. Mindegyiket bizonyos affinitás jellemzi a sejtkomponensekhez, például a hematoxilin affinitást mutat a negatív töltésű molekulákhoz, és ezért lehetővé teszi a DNS kimutatását a sejtekben. Ha egy adott molekula kis mennyiségben van jelen egy sejtben, akkor a legkényelmesebb a fluoreszcens mikroszkópia használata.

Fluoreszcens mikroszkóp

A fluoreszkáló festékek egy hullámhosszú fényt nyelnek el, és egy másik, hosszabb hullámhosszú fényt bocsátanak ki. Ha egy ilyen anyagot olyan fénnyel sugározunk be, amelynek hullámhossza megegyezik a festék által elnyelt fény hullámhosszával, majd az elemzéshez olyan szűrőt használunk, amely a festék által kibocsátott fénynek megfelelő hullámhosszú fényt bocsát át, a fluoreszcens molekula kimutatható. a sötét mezőben világítva. A kibocsátott fény nagy intenzitása az ilyen molekulák jellemző tulajdonsága. A fluoreszcens festékek használata a sejtek megfestésére egy speciális fluoreszcens mikroszkóp használatát foglalja magában, amely hasonló a hagyományos optikai mikroszkóphoz, de az erős megvilágítóból származó fény két szűrőn halad át - az egyik megállítja a megvilágító sugárzás egy részét a minta elé, a másik pedig a mintából kapott fény szűrésére. Az első szűrőt úgy választják ki, hogy csak olyan hullámhosszú fényt bocsásson át, amely egy adott fluoreszcens festéket gerjeszt; ugyanakkor egy második szűrő blokkolja ezt a beeső fényt, és fluoreszkálásakor a festék által kibocsátott hullámhosszú fényt továbbítja.

A fluoreszcens mikroszkópiát gyakran használják specifikus fehérjék vagy más molekulák azonosítására, amelyek fluoreszcenssé válnak, miután kovalensen kötődtek fluoreszcens festékekhez. Erre a célra általában két festéket használnak - fluoreszcein, amely világoskék fénnyel való gerjesztésre intenzív sárga-zöld fluoreszcenciát produkál, és rodamin, sárgászöld fénnyel történő gerjesztés után sötétvörös fluoreszcenciát okozva. Fluoreszcein és rodamin festésre történő felhasználásával különböző molekulák eloszlását lehet elérni.

Sötétmezős mikroszkóp

A sejt szerkezetének részleteit a legkönnyebben úgy láthatjuk, ha megfigyeljük a sejt különböző összetevői által szórt fényt. Sötétmezős mikroszkópban a megvilágítóból érkező sugarak oldalról irányulnak, és csak szórt sugarak jutnak be a mikroszkóp lencséjébe. Ennek megfelelően a cella úgy néz ki, mint egy megvilágított tárgy egy sötét mezőn. A sötétmezős mikroszkópia egyik fő előnye, hogy megfigyelhető a sejtek mozgása az osztódás és a migráció során. A sejtmozgások jellemzően nagyon lassúak és nehezen megfigyelhetők valós időben. Ebben az esetben kockánkénti (time-lapse) mikrofilmezést vagy videófelvételt alkalmaznak. Az egymást követő képkockák időben elkülönülnek, de a felvétel normál sebességgel történő lejátszásakor a valós események képe felgyorsul.

Az elmúlt években a videokamerák és a kapcsolódó képfeldolgozó technológiák nagymértékben megnövelték az optikai mikroszkópia képességeit. Használatuknak köszönhetően sikerült leküzdeni az emberi fiziológia sajátosságaiból adódó nehézségeket. Ők ezek:

1. A szem normál körülmények között nem érzékel túl gyenge fényt.

2. A szem nem képes észlelni a fényerősség kis különbségeit világos háttér előtt.

E problémák közül az elsőt sikerült megoldani, miután ultra-nagy érzékenységű videokamerákat adtak a mikroszkóphoz. Ez lehetővé tette a sejtek hosszú ideig tartó megfigyelését gyenge fényben, kiküszöbölve az erős fénynek való tartós expozíciót. A képalkotó rendszerek különösen fontosak az élő sejtekben lévő fluoreszcens molekulák tanulmányozásához. Mivel a képet a videokamera elektronikus jelek formájában állítja elő, célszerűen numerikus jelekké alakítható, számítógépre küldhető, majd a rejtett információk kinyerésére tovább feldolgozható.

A számítógépes interferencia-mikroszkóppal elérhető nagy kontraszt lehetővé teszi a nagyon kicsi tárgyak, például az egyes mikrotubulusok megfigyelését is, amelyek átmérője kisebb, mint a fény hullámhosszának (0,025 μm) egytizede. Az egyes mikrotubulusok fluoreszcens mikroszkóppal is láthatók. Azonban mindkét esetben elkerülhetetlenek a diffrakciós hatások, amelyek nagymértékben megváltoztatják a képet. Ebben az esetben a mikrotubulusok átmérője túlbecsült (0,2 μm), ami lehetetlenné teszi az egyes mikrotubulusok megkülönböztetését egy több mikrotubulusból álló kötegtől. A probléma megoldásához elektronmikroszkópra van szükség, amelynek felbontási határa messze túl van tolva a látható fény hullámhosszán.

Elektronmikroszkópia

A hullámhossz és a felbontási határ közötti kapcsolat az elektronokra is igaz. Elektronmikroszkóp esetén azonban a felbontási határ lényegesen alacsonyabb, mint a diffrakciós határ. Az elektron hullámhossza csökken a sebességének növekedésével. Egy 100 000 V feszültségű elektronmikroszkópban az elektron hullámhossza 0,004 nm. Az elmélet szerint egy ilyen mikroszkóp felbontása 0,002 nm. A valóságban azonban az elektronlencsék kis numerikus apertúrájának köszönhetően a modern elektronmikroszkópok felbontása legjobb esetben is 0,1 nm. A minta-előkészítés nehézségei és a sugárzás okozta károk jelentősen csökkentik a normál felbontást, amely biológiai objektumok esetén 2 nm (körülbelül 100-szor nagyobb, mint egy fénymikroszkópé).

Az elektronok forrása transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) egy katódszál, amely egy körülbelül két méter magas hengeres oszlop tetején helyezkedik el. A levegőmolekulákkal való ütközéskor az elektronszórás elkerülése érdekében az oszlopban vákuum jön létre. A katódszálból kibocsátott elektronokat egy közeli anód felgyorsítja, és egy apró lyukon áthaladva elektronnyalábot képez, amely az oszlop aljára halad. Az oszlop mentén bizonyos távolságban gyűrűmágnesek helyezkednek el, amelyek fókuszálják az elektronsugarat, mint az üveglencsék, amelyek egy optikai mikroszkóp fénysugarait fókuszálják. A mintát egy légzsilipen keresztül az oszlop belsejébe helyezzük, az elektronsugár útjába. Az elektronok egy része a mintán való áthaladás pillanatában az anyag sűrűségének megfelelően szóródik ezen a területen, a többi elektron fókuszálva képet alkot (hasonlóan az optikai mikroszkópban történő képalkotáshoz) fotólemezen vagy foszforeszkáló képernyőn.

Az elektronmikroszkópia egyik legnagyobb hátránya, hogy a biológiai mintákat speciális feldolgozásnak kell alávetni. Először először glutáraldehiddel, majd ozminsavval rögzítik, amely megköti és stabilizálja a lipidek és fehérjék kettős rétegét. Másodszor, az elektronok alacsony áthatolóképességűek, ezért ultravékony metszeteket kell készíteni, és ehhez a mintákat dehidratálják és gyantával impregnálják. Harmadszor, a kontraszt fokozása érdekében a mintákat nehézfémsókkal, például ozmiummal, uránnal és ólommal kezelik.

A felület háromdimenziós képének elkészítéséhez ezt használják pásztázó elektronmikroszkóp (SEM), amely a minta felületén szórt vagy kibocsátott elektronokat használ. Ebben az esetben a mintát rögzítik, szárítják és vékony nehézfém filmmel vonják be, majd keskeny elektronsugárral pásztázzák. Ebben az esetben a felület besugárzása során szórt elektronok számát becsüljük meg. A kapott érték a második sugár intenzitásának szabályozására szolgál, amely szinkronban mozog az elsővel, és képet alkot a monitor képernyőjén. A módszer felbontása körülbelül 10 nm, és nem alkalmazható intracelluláris organellumok vizsgálatára. Az ezzel a módszerrel vizsgált minták vastagságát az elektronok áthatoló képessége vagy energiájuk határozza meg.

Mindezen módszerek fő és jelentős hátránya a minta-előkészítés időtartama, bonyolultsága és magas költsége.

Pásztázó szonda mikroszkópia

A pásztázó szonda mikroszkópban (SPM) elektronsugár vagy optikai sugárzás helyett éles szondát, tűt használnak a minta felületének letapogatására. Képletesen szólva azt mondhatjuk, hogy ha egy mintát optikai vagy elektronmikroszkóppal vizsgálunk, akkor SPM-ben érezzük. Ennek eredményeként lehetőség nyílik háromdimenziós képek készítésére a különböző médiában lévő tárgyakról: vákuum, levegő, folyadék.

A biológiai kutatásokhoz adaptált speciális SPM-konstrukciók lehetővé teszik az egyidejű optikai megfigyelést, hogy mind a különböző folyékony közegekben lévő élő sejteket, mind a levegőben rögzített preparátumokat szkenneljük.

Pásztázó szonda mikroszkóp

A pásztázó szonda mikroszkóp neve tükrözi működésének elvét - a minta felületének letapogatását, amelynek során pontról pontra leolvassák a szonda és a felület kölcsönhatásának mértékét. A szkennelési terület mérete és a benne lévő pontok száma N X ·N Y megadható. Minél több pontot adunk meg, annál nagyobb felbontású felületi képet kapunk. A jel leolvasási pontjai közötti távolságot pásztázási hangmagasságnak nevezzük. A szkennelési lépésnek kisebbnek kell lennie, mint a vizsgált felület részletei. A szonda a pásztázási folyamat során (lásd 7. ábra -1) lineárisan mozog előre és hátrafelé (gyors pásztázási irányban), az átmenet a következő vonalra merőleges irányban (lassú pásztázási irányban) történik. .

Rizs. 7 1. A szkennelési folyamat sematikus ábrázolása
(a jelet a szkenner előremenete során olvassa be)

A leolvasott jel természetétől függően a pásztázó mikroszkópok különböző nevekkel és célokkal rendelkeznek:

atomi erőmikroszkóp (AFM), a szonda atomjai és a mintaatomok közötti interatomikus kölcsönhatás erőit leolvassák;

alagútmikroszkóp (STM), leolvassa a vezető minta és a vezető szonda között folyó alagútáramot;

mágneses erőmikroszkóp (MFM), a mágneses anyaggal bevont szonda és a mágneses tulajdonságokat detektáló minta közötti kölcsönhatási erők leolvasása;

Az elektrosztatikus erőmikroszkóp (ESM) lehetővé teszi, hogy képet kapjunk az elektromos potenciál eloszlásáról a minta felületén. Olyan szondákat használnak, amelyek hegyét vékony vezetőréteg (arany vagy platina) vonja be.

SPM kialakítás

Az SPM a következő fő összetevőkből áll (7 -2. ábra): szonda, piezoelektromos működtetők a szondának X, Y, Z irányba történő mozgatásához a vizsgált minta felületén, egy visszacsatoló áramkör és egy számítógép a szkennelés vezérléséhez folyamat és képalkotás.

7. ábra 2. Pásztázó szonda mikroszkóp diagramja

Szonda érzékelő – egy erőszonda mikroszkóp alkatrésze, amely a mintát pásztázza. A szonda érzékelő téglalap (I-alakú) vagy háromszög (V-alakú) típusú konzolt (rugókonzolt) tartalmaz (7. ábra -3), melynek végén egy hegyes szonda található (7.ábra -3). általában kúpos vagy piramis alakú. A konzol másik vége a hordozóhoz csatlakozik (ún. chippel). A szonda érzékelői szilíciumból vagy szilícium-nitridből készülnek. A konzol fő jellemzője az erőállandó (merevségi állandó), amely 0,01 N/m és 1020 N/m között változik. A biológiai objektumok tanulmányozásához 0,01  0,06 N/m keménységű „puha” szondákat használnak.

Rizs. 7 3. Piramis alakú AFM szonda érzékelők képei
elektronmikroszkóppal kapott:
a – I alakú típus, b – V alakú típus, c – gúla a konzol csúcsán

Piezoelektromos működtetők vagy szkennerek - a szonda szabályozott mozgásához a minta felett vagy maga a minta a szondához képest ultrarövid távolságra. A piezoelektromos aktuátorok piezokerámia anyagokat használnak, amelyek mérete megváltozik, amikor elektromos feszültséget kapcsolnak rájuk. A geometriai paraméterek megváltoztatásának folyamatát elektromos tér hatására inverz piezoelektromos hatásnak nevezzük. A leggyakoribb piezoanyag az ólom-cirkonát-titanát.

A szkenner egy piezokerámia szerkezet, amely három koordináta mentén biztosítja a mozgást: x, y (a minta oldalsíkjában) és z (függőlegesen). Többféle szkenner létezik, ezek közül a legelterjedtebbek az állványos és csöves szkennerek (7-4. ábra).

Rizs. 7 4. Szkenner kivitelek: a) – állvány, b) – cső alakú

Az állványszkennerben a három koordináta mentén történő mozgást három egymástól független piezokerámia rúd biztosítja, amelyek merőleges szerkezetet alkotnak.

Egy cső alakú szkennerben egy üreges piezoelektromos cső meghajlik az XZ és ZY síkban, és kitágul vagy összehúzódik a Z tengely mentén, amikor megfelelő feszültséget kapcsolnak a cső mozgását vezérlő elektródákra. Az XY síkban történő mozgást vezérlő elektródák a cső külső felületén helyezkednek el, a Z-ben történő mozgás szabályozására az X és Y elektródákra egyenlő feszültség vonatkozik.

Visszacsatoló áramkör – SPM elemek halmaza, melynek segítségével a szkennelés során a szondát a minta felületétől fix távolságra tartják (7. ábra -5). A szkennelés során a szonda a mintafelület eltérő domborzatú területein helyezkedhet el, ebben az esetben a szonda-minta távolság Z változik, és ennek megfelelően változik a csúcs-minta kölcsönhatás nagysága is.

Rizs. 7 5. Pásztázó szonda mikroszkóp visszacsatoló áramkör

Ahogy a szonda közeledik a felszínhez, a szonda-minta kölcsönhatási erők nőnek, és a rögzítőeszköz jele is növekszik. V(t), melyik feszültség mértékegységében kifejezve. A komparátor összehasonlítja a jelet V(t) referencia feszültséggel V támogatóés korrekciós jelet generál V levelező. Javító jel V levelező betáplálják a szkennerbe, és a szondát visszahúzzák a mintából. A referenciafeszültség az a feszültség, amely megfelel a rögzítőeszköz jelének, amikor a szonda meghatározott távolságra van a mintától. Ha a pásztázás során fenntartja ezt a meghatározott szonda-minta távolságot, a visszacsatoló rendszer fenntartja a megadott szonda-minta kölcsönhatási erőt.

Rizs. 7 6. A szonda relatív mozgásának pályája a visszacsatoló rendszerrel állandó csúcs-minta kölcsönhatási erő fenntartása során

ábrán. A 7-6. ábra a szonda pályáját mutatja a mintához képest, miközben állandó szonda-minta kölcsönhatási erőt tart fenn. Ha a szonda a gödör felett van, a szkenner feszültséget kap, ami miatt a szkenner kinyúlik, és leengedi a szondát.

A visszacsatoló áramkör reakciósebességét a szonda-minta távolság változására (szonda-minta kölcsönhatás) a visszacsatoló áramkör állandója határozza meg K. Értékek K függnek egy adott SPM tervezési jellemzőitől (a szkenner kialakítása és jellemzői, elektronika), az SPM működési módjától (a szkennelési terület mérete, szkennelési sebesség stb.), valamint a vizsgált felület jellemzőitől (a domborzati jellemzők léptéke, az anyag keménysége stb.).

Az SPM típusai

Pásztázó alagútmikroszkóp

Az STM-ben a rögzítő berendezés (7. -7. ábra) méri a fémszonda között folyó alagútáramot, amely a minta felületén lévő potenciáltól és felületének topográfiájától függően változik. A szonda egy élesen kihegyezett tű, a hegy görbületi sugara elérheti a több nanométert is. Szondaanyagként általában nagy keménységű és vegyszerálló fémeket használnak: volfrámot vagy platinát.

Rizs. 7 7. Alagútszonda érzékelő vázlata

Feszültség van a vezetőképes szonda és a vezetőképes minta között. Amikor a szonda hegye körülbelül 10A távolságra van a mintától, a mintából származó elektronok a feszültség előjelétől függően a résen keresztül a szondába kezdenek alagútba vezetni, vagy fordítva (7-8. ábra).

Rizs. 7 8. A szondacsúcs és a minta kölcsönhatásának sematikus ábrázolása

A keletkező alagútáramot egy rögzítő berendezés méri. A mérete én T arányos az alagút érintkezőjére adott feszültséggel Vés exponenciálisan függ a tű és a minta távolságától d.

Így kis változások a szonda hegye és a minta közötti távolságban d az alagútáram exponenciálisan nagy változásainak felelnek meg én T(feszültséget feltételezve Vállandóan tartva). Emiatt az alagút szonda érzékelőjének érzékenysége elegendő a 0,1 nm-nél kisebb magasságváltozások észleléséhez, és ezáltal a szilárd test felületén lévő atomok képének elkészítéséhez.

Atomerő mikroszkóp

Az atomerő-kölcsönhatás leggyakoribb szondaérzékelője egy rugós konzol (az angol konzolból - konzol), amelynek végén egy szonda található. A minta és a szonda közötti erőkölcsönhatásból eredő konzolos hajlítás mértékét (7-9. ábra) egy optikai rögzítő áramkör segítségével mérjük.

Az erőérzékelő működési elve a szonda atomjai és a mintaatomok között ható atomi erők felhasználásán alapul. Amikor a szonda-minta erő megváltozik, a konzolos hajlítás mértéke megváltozik, és ezt a változást az optikai rögzítő rendszer méri. Az atomerő-érzékelő tehát egy éles szélű, nagy érzékenységű szonda, amely lehetővé teszi az egyes atomok közötti kölcsönhatási erők rögzítését.

Kis kanyaroknál a szonda-mintaerő közötti kapcsolat Fés a konzolcsúcs kihajlása x Hooke törvénye határozza meg:

Ahol k – a konzol erőállandója (merevségi állandója).

Például, ha konstans konzolt használunk k 1 n/m nagyságrendű, akkor 0,1 nanonewton nagyságrendű csúcs-minta kölcsönhatási erő hatására a konzolos elhajlás nagysága megközelítőleg 0,1 nm lesz.

Az ilyen kis mozgások mérésére általában egy optikai elmozdulásérzékelőt (7-9. ábra) használnak, amely egy félvezető lézerből és egy négy szekciós fotodiódából áll. Amikor a konzolt meghajlítják, a róla visszaverődő lézersugár a fotodetektor középpontjához képest elmozdul. Így a konzol hajlítása a fotodetektor felső (T) és alsó (B) felének megvilágításának relatív változásával határozható meg.

7. ábra 9. Teljesítményérzékelő diagram

A szonda-minta kölcsönhatási erők függése a szonda-minta távolságtól

Amikor a szonda megközelíti a mintát, először vonzza a felületet a vonzó erők (van der Waals erők) jelenléte miatt. Ahogy a szonda tovább közeledik a mintához, a szonda végén lévő atomok elektronhéjai és a minta felszínén lévő atomok kezdenek átfedni, ami taszító erő megjelenéséhez vezet. A távolság további csökkenésével a taszító erő válik uralkodóvá.

Általában az atomközi kölcsönhatás erősségének függősége F az atomok közötti távolságról R a következő formában van:

.

Állandók aÉs bés kitevők mÉs n az atomok típusától és a kémiai kötések típusától függ. A van der Waals erőknek m=7 és n=3. Minőségileg az F(R) függőséget a 2. ábra mutatja. 7-10.

Rizs. 7 10. Az atomok közötti kölcsönhatás erejének a távolságtól való függése

SPM adatformátum, SPM adatok megjelenítése

Az optikai mikroszkóppal végzett vizsgálat során kapott felületi morfológiai adatok egy felület nagyított képében jelennek meg. Az SPM segítségével kapott információt egy kétdimenziós A ij egész számok tömbjeként írjuk fel. Minden érték ij egy adott felületi pontnak felel meg a szkennelési mezőn belül. Ennek a számtömbnek a grafikus ábrázolását SPM beolvasott képnek nevezzük.

A beolvasott képek lehetnek kétdimenziósak (2D) vagy háromdimenziósak (3D). 2D-s megjelenítésnél minden felületi pont Z= f(x,y) a felületi pont magasságának megfelelően egy bizonyos színtónushoz van hozzárendelve (7. ábra -11 a). 3D vizualizációval felületi kép Z= f(x,y) axonometrikus perspektívában van megszerkesztve, a pixelek vagy domborzati vonalak kiszámításának bizonyos módszerével. A 3D képek színezésének leghatékonyabb módja a felületi megvilágítás körülményeinek szimulálása a tér valamely pontján a felszín felett elhelyezkedő pontforrással (7. ábra -11 b). Ugyanakkor hangsúlyozni lehet a dombormű egyes apró jellemzőit.

Rizs. 7 11. Emberi vér limfociták:
a) 2D kép, b) 3D kép oldalsó világítással

Minták előkészítése SPM vizsgálathoz

A baktériumsejtek morfológiája és szerkezete

A baktériumok egysejtű mikroorganizmusok, amelyek változatos alakúak és összetett szerkezetűek, ami meghatározza funkcionális tevékenységeik sokféleségét. A baktériumokat négy fő forma jellemzi: gömb alakú (gömb alakú), hengeres (rúd alakú), tekercses és fonalas [Ref. 7-2].

Cocci (gömb alakú baktériumok) - az osztódás síkjától és az egyes egyedek elhelyezkedésétől függően mikrococcusokra (külön coccusokra), diplococcusokra (páros coccusokra), streptococcusokra (coccusok láncai), staphylococcusokra (szőlő alakú), tetracoccusokra ( négy coccusból álló képződmények) és a sarcina (8 vagy 16 coccusból álló csomag).

Rúd alakú - a baktériumok egysejtűek, diplo- vagy streptobaktériumok formájában helyezkednek el.

Csavart - vibriók, spirillák és spirocheták. A vibriók enyhén ívelt rudak megjelenésűek, a spirillák pedig tekert alakúak, több spirális fürttel.

A baktériumok mérete 0,1 és 10 mikron között van. A baktériumsejt összetétele tartalmaz egy kapszulát, sejtfalat, citoplazmatikus membránt és citoplazmát. A citoplazma nukleotidokat, riboszómákat és zárványokat tartalmaz. Egyes baktériumok flagellákkal és bolyhokkal vannak felszerelve. Számos baktérium alkot spórákat. A sejt kezdeti keresztirányú méretét meghaladó spórák orsó alakú formát kölcsönöznek neki.

A baktériumok morfológiájának optikai mikroszkópos vizsgálatához natív (intravitális) preparátumokat vagy anilinfestékkel megfestett fix keneteket készítenek belőlük. Speciális festési módszerek léteznek a flagellák, sejtfalak, nukleotidok és különféle citoplazmazárványok azonosítására.

A bakteriális sejtek morfológiájának SPM vizsgálata nem igényli a készítmény festését. Az SPM lehetővé teszi a baktériumok alakjának és méretének nagy felbontású meghatározását. A gyógyszer gondos előkészítésével és egy kis görbületi sugarú szonda használatával lehetőség nyílik a flagellák azonosítására. Ugyanakkor a baktériumsejtfal nagy merevsége miatt lehetetlen az intracelluláris struktúrákat „megszondázni”, ahogy az egyes állati sejtekben megtehető.

Preparátumok előkészítése SPM morfológiai vizsgálathoz

Az SPM-mel való munka első tapasztalataihoz javasolt olyan biológiai készítményt választani, amely nem igényel komplex előkészítést. A savanyú káposzta sóoldatából vagy fermentált tejtermékekből könnyen hozzáférhető és nem patogén tejsavbaktériumok megfelelőek.

Levegőben végzett SPM-kutatáshoz szilárdan rögzíteni kell a vizsgált tárgyat a hordozó felületére, például egy fedőüvegre. Ezenkívül a szuszpenzióban a baktériumok sűrűségének olyannak kell lennie, hogy a sejtek ne tapadjanak össze, amikor lerakódnak a hordozóra, és a köztük lévő távolság ne legyen túl nagy, hogy a szkennelés során több tárgyat is lehessen venni egy képkockába. . Ezek a feltételek teljesülnek, ha a minta-előkészítési módot megfelelően választják meg. Ha egy csepp baktériumot tartalmazó oldatot visz fel az aljzatra, azok fokozatos lerakódása és megtapadása következik be. A fő paraméterek a sejtek koncentrációja az oldatban és az ülepedési idő. A baktériumok koncentrációját a szuszpenzióban optikai zavarossági standard segítségével határozzuk meg.

Esetünkben csak egy paraméter játszik szerepet - az inkubációs idő. Minél tovább marad a csepp az üvegen, annál nagyobb a baktériumsejtek sűrűsége. Ugyanakkor, ha egy csepp folyadék kezd kiszáradni, a készítmény túlságosan szennyezett lesz az oldat kicsapódott komponenseivel. Egy csepp baktériumsejteket tartalmazó oldatot (sóoldatot) csepegtetünk egy fedőüvegre, és hagyjuk állni 5-60 percig (az oldat összetételétől függően). Ezután anélkül, hogy megvárná a csepp megszáradását, alaposan öblítse le desztillált vízzel (a készítményt csipesszel többször is pohárba mártva). Száradás után a készítmény készen áll az SPM-mel történő mérésre.

Példaként savanyú káposzta sós léből készítettünk tejsavbaktérium-készítményeket. A fedőüvegen egy csepp sóoldat tartási idejét 5 perc, 20 perc és 1 óra értékre választottuk (a csepp már kezdett kiszáradni). Az SPM kereteket az ábra mutatja. 7-12. ábra. 7-13,
Rizs. 7 -14.

Az ábrákból jól látható, hogy ennél a megoldásnál az optimális inkubációs idő 510 perc. A cseppnek a szubsztrát felületén való tartózkodási idejének növelése a baktériumsejtek megtapadásához vezet. Amikor az oldat egy cseppje kiszárad, az oldat komponensei lerakódnak az üvegre, és nem moshatók le.

Rizs. 7 12. Tejsavbaktériumok képei fedőüvegen,
SPM segítségével nyertük.

Rizs. 7 13. Tejsavbaktériumok képei fedőüvegen,
SPM segítségével nyertük. Az oldat inkubációs ideje 20 perc

Rizs. 7 14. Tejsavbaktériumok képei fedőüvegen,
SPM segítségével nyertük. Az oldat inkubációs ideje 1 óra

A kiválasztott készítmények egyikével (7-12. ábra) megpróbáltuk átgondolni, hogy mik is azok a tejsavbaktériumok, és milyen formában jellemző rájuk ebben az esetben. (7-15. ábra)

Rizs. 7 15. Tejsavbaktériumok AFM-képe fedőüvegen.
Az oldat inkubációs ideje 5 perc

Rizs. 7 16. Tejsavbaktériumok láncának AFM-képe fedőüvegen.
Az oldat inkubációs ideje 5 perc

A sóoldatot az jellemzi, hogy a baktériumok rúd alakúak és láncba rendeződnek.

Rizs. 7 17. Az oktatási SPM NanoEducator vezérlőprogramjának ablaka.
Eszköztár

A NanoEducator oktatási SPM program eszközeivel meghatároztuk a baktériumsejtek méretét. Körülbelül 0,5 × 1,6 µm között változtak
0,8 × 3,5 µm-ig.

A kapott eredményeket összehasonlítjuk a Bergey-féle baktérium-determináns [Lit. 7-3].

A tejsavbaktériumokat a laktobacillusok közé sorolják (Lactobacillus). A sejtek rúdszerű megjelenésűek, általában szabályos alakúak. A rudak hosszúak, néha majdnem coccoidok, általában rövid láncúak. Méretek 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikron. Nem alkotnak vitát; ritka esetekben a peritrichiális flagella miatt mozgékonyak. Széles körben elterjedt a környezetben, különösen gyakori az állati és növényi eredetű élelmiszerekben. A tejsavbaktériumok az emésztőrendszer normál mikroflórájának részét képezik. Mindenki tudja, hogy a savanyú káposzta amellett, hogy vitaminokat tartalmaz, hasznos a bél mikroflóra javítására is.

Pásztázó szonda mikroszkóp tervezése NanoEducator

ábrán. A 7-18. ábra a mérőfej megjelenését mutatja SPM NanoEducatorés az üzem közben használt eszköz főbb elemei vannak feltüntetve.

Rizs. 7 18. A NanoEducator SPM mérőfej megjelenése
1 - talp, 2 - mintatartó, 3 - interakciós érzékelő, 4 - szenzorrögzítő csavar,
5 csavaros kézi bevitelhez, 6 csavar a szkenner mozgatásához a mintával vízszintes síkban, 7 csavaros védőburkolat videokamerával

ábrán. A 7-19. ábra a mérőfej kialakítását mutatja. Az 1 alapon egy 8 szkenner található 7 mintatartóval és egy léptetőmotoron alapuló mechanizmussal, amely a mintát a 2 szondához juttatja. Az oktatásban SPM NanoEducator a mintát a szkennerhez rögzítjük, és a mintát egy álló szondához képest szkenneljük. A 4 erőkölcsönhatás-érzékelőre szerelt 6 szonda a 3 kézi adagolócsavar segítségével is a mintához vihető. A vizsgálati hely előzetes kiválasztása a mintán a 9 csavar segítségével történik.

Rizs. 7 19. Az SPM NanoEducator kialakítása: 1 – alap, 2 – ellátó mechanizmus,
3 – kézi tápcsavar, 4 – interakciós érzékelő, 5 – szenzorrögzítő csavar, 6 – szonda,
7 – mintatartó, 8 – szkenner, 9, 10 – csavarok a szkenner mintával együtt mozgatásához

Kiképzés SPM NanoEducator mérőfejből, SPM vezérlőből és kábelekkel összekötött vezérlő számítógépből áll. A mikroszkóp videokamerával van felszerelve. Az interakciós érzékelő jele az előerősítőben történő átalakítás után az SPM vezérlőbe kerül. Munkairányítás SPM NanoEducator a számítógépről az SPM vezérlőn keresztül.

Kényszer interakciós érzékelő és szonda

A készülékben NanoEducator az érzékelő egy hosszúságú piezokerámia cső formájában készül l=7 mm, átmérő d=1,2 mm és falvastagság h=0,25 mm, egyik végén mereven rögzítve. A cső belső felületére vezetőképes elektródát helyeznek fel. A cső külső felületére két elektromosan szigetelt félhengeres elektródát helyeznek. Egy volfrámhuzal átmérőjű
100 µm (7 -20. ábra).

Rizs. 7 20. A NanoEducator készülék univerzális érzékelőjének tervezése

A szondaként használt huzal szabad vége elektrokémiailag élezett, a görbületi sugár 0,2  0,05 µm. A szonda elektromosan érintkezik a cső belső elektródájával, amely a készülék földelt testéhez kapcsolódik.

Két külső elektróda jelenléte a piezoelektromos csövön lehetővé teszi, hogy a piezoelektromos cső egyik részét (felső, a 7-21. ábra szerint) erőkölcsönhatás-érzékelőként (mechanikus rezgésérzékelőként), a másik részét pedig használjuk. piezo vibrátorként. A piezovibrátort váltakozó elektromos feszültséggel látják el, amelynek frekvenciája megegyezik az erőérzékelő rezonanciafrekvenciájával. Az oszcillációk amplitúdója nagy szonda-minta távolságnál maximális. ábrából látható. A 7 -22. ábrán látható, hogy a rezgések során a szonda A o erőltetett mechanikai rezgésének amplitúdójával megegyező mértékben tér el egyensúlyi helyzetéből (ez egy mikrométer töredéke), míg a második részen váltakozó elektromos feszültség jelenik meg. a piezocső (oszcillációs érzékelő) szonda elmozdulásával arányos, amelyet a készülék mér.

Amint a szonda közeledik a minta felületéhez, a szonda rezgés közben érinteni kezdi a mintát. Ez az érzékelő oszcillációinak amplitúdó-frekvencia-válaszának (AFC) balra tolódásához vezet a felszíntől távol mért AFC-hez képest (7. ábra -22). Mivel a piezocső kényszerrezgésének frekvenciája szabad állapotban állandó és egyenlő a  o rezgési frekvenciával, amikor a szonda megközelíti a felületet, rezgéseinek amplitúdója csökken és egyenlő lesz A-val. Ezt az oszcillációs amplitúdót rögzítjük. a piezocső második részéből.

Rizs. 7 21. A piezoelektromos cső működési elve
erőkölcsönhatás-érzékelőként

Rizs. 7 22. Az erőérzékelő oszcillációs frekvenciájának megváltoztatása
amikor közeledik a minta felületéhez

Scanner

A készülékben alkalmazott mikromozgások szervezésének módja NanoEducator, kerülete körül befogott fém membrán alkalmazásán alapul, melynek felületére piezoelektromos lemezt ragasztanak (7. ábra -23 a). A piezoelektromos lemez méreteinek megváltoztatása a vezérlőfeszültség hatására a membrán meghajlásához vezet. Ha ilyen membránokat helyezünk el a kocka három merőleges oldalára, és középpontjukat fém tolókkal összekötjük, 3 koordinátás szkennert kaphatunk (7. ábra -23 b).

Rizs. 7 23. A NanoEducator készülék szkennerének működési elve (a) és kialakítása (b)

Minden egyes 1 piezoelektromos elem, amely a 2 kocka lapjaihoz van rögzítve, amikor elektromos feszültség van rákapcsolva, el tudja mozgatni a hozzá csatlakoztatott 3 tolót a három egymásra merőleges irány egyikében - X, Y vagy Z. Amint az a képen látható. ábra, mindhárom toló egy pontban kapcsolódik 4 Némi közelítéssel úgy tekinthetjük, hogy ez a pont három X, Y, Z koordináta mentén mozog. Ugyanerre a pontra van rögzítve egy 5 állvány 6 mintatartóval, így a minta három koordináta mentén mozog három független feszültségforrás hatására. Az eszközökben NanoEducator a minta maximális mozgása kb. 5070 µm, ami meghatározza a maximális szkennelési területet.

A szonda mintához való automatikus megközelítésének mechanizmusa (visszacsatolás rögzítése)

A szkenner mozgási tartománya a Z tengely mentén körülbelül 10 μm, ezért a szkennelés előtt szükséges a szondát ezen a távolságon közelebb vinni a mintához. Erre a célra tervezték az ellátó mechanizmust, melynek diagramja a 2. ábrán látható. 7-19. Az 1. léptetőmotor, amikor elektromos impulzusokat adnak rá, elforgatja a 2. adagolócsavart, és a 4. szondával mozgatja a 3. rudat, közelebb vagy távolabb hozva azt a 6. szkennerre szerelt 5. mintától. Egy lépés mérete körülbelül 2 μm.

Rizs. 7 24. A szonda minta felszínére hozásának mechanizmusának diagramja

Mivel a megközelítési mechanizmus menetemelkedése a szkennelési folyamat során jelentősen meghaladja a szükséges szonda-minta távolságot, a szonda deformációjának elkerülése érdekében megközelítése a léptetőmotor működése és a szkenner Z tengely mentén történő mozgása közben történik. a következő algoritmushoz:

1. A visszacsatoló rendszer ki van kapcsolva, és a szkenner „visszahúzódik”, azaz leengedi a mintát a legalacsonyabb szélső helyzetbe.

2. A szonda megközelítési mechanizmus egy lépést tesz és megáll.

3. A visszacsatoló rendszer bekapcsol, és a szkenner simán felemeli a mintát, miközben egyidejűleg elemzi a tip-minta interakció jelenlétét.

4. Ha nincs interakció, a folyamat megismétlődik az 1. lépéstől.

Ha a szkenner felhúzása közben nem nulla jel jelenik meg, a visszacsatoló rendszer leállítja a szkenner felfelé irányuló mozgását, és egy adott szinten rögzíti az interakció mértékét. Az erőkölcsönhatás nagysága, amelynél a szonda betáplálása leáll, és a szkennelési folyamat megtörténik a készülékben NanoEducator paraméter jellemzi amplitúdó elnyomás (AmplitúdóElnyomás) :

A=A o. (1- Amplitúdó elnyomás)

SPM-kép beszerzése

A program felhívása után NanoEducator A számítógép képernyőjén megjelenik a fő programablak (7 -20. ábra). A munkát a menüpontból kell kezdeni Fájlés válassza ki Nyisd ki vagy Új vagy az eszköztár megfelelő gombjaival (, ).

Csapatválasztás Fájl Új az SPM mérések elvégzésére való átállást és a parancs kiválasztását jelenti Fájl Nyisd ki a korábban kapott adatok megtekintésére és feldolgozására való átállást jelenti. A program lehetővé teszi az adatok megtekintését és feldolgozását a mérésekkel párhuzamosan.

Rizs. 7 25. A NanoEducator program fő ablaka

A parancs végrehajtása után Fájl Új A képernyőn megjelenik egy párbeszédpanel, amely lehetővé teszi egy munkamappa kiválasztását vagy létrehozását, amelybe alapértelmezés szerint az aktuális mérés eredményei kerülnek beírásra. A mérési folyamat során az összes beérkezett adat egymás után elnevezésű fájlokban rögzítésre kerül ScanData+i.spm, ahol index én nullára áll vissza a program indításakor, és minden új méréssel növekszik. Fájlok ScanData+i.spm a munkamappába kell helyezni, amelyet a mérések megkezdése előtt telepítenek. Lehetőség van más munkamappa kiválasztására mérés közben. Ehhez meg kell nyomni a gombot , a program főablakának eszköztárán található, és válassza ki a menüpontot Munkamappa módosítása.

Az aktuális mérés eredményének mentéséhez meg kell nyomnia a gombot Mentés másként a megjelenő párbeszédpanel beolvasási ablakában válasszon ki egy mappát, és adja meg a fájl nevét és a fájlt ScanData+i.spm, amely ideiglenes adattároló fájlként szolgál a mérések elvégzése közben, átnevezzük az Ön által megadott fájlnévre. Alapértelmezés szerint a fájl a mérések megkezdése előtt hozzárendelt munkamappába kerül mentésre. Ha nem hajtja végre a mérési eredmények mentésének műveletét, akkor a program következő indításakor az eredményeket ideiglenes fájlokban rögzítik ScanData+i.spm, sorrendben felülíródik (hacsak nem módosítja a munkamappát). A program bezárása előtt és a program indítása után figyelmeztetés jelenik meg a mérési eredmények ideiglenes fájljainak a munkamappában való jelenlétéről. A munkamappa módosítása a mérések megkezdése előtt lehetővé teszi, hogy megvédje az előző kísérlet eredményeit a törléstől. Szabványos név ScanData a munkamappa kiválasztó ablakban történő beállításával módosítható. A gomb megnyomásakor megjelenik a munkamappa kiválasztására szolgáló ablak , a program főablakának eszköztárán található. A mérési eredményeket az ablakban is elmentheti Scan böngésző, egyenként kiválasztva a szükséges fájlokat, és elmentve a kiválasztott mappába.

Lehetőség van a NanoEducator eszközzel kapott eredmények exportálására ASCII formátumba és Nova formátumba (NTMDT), amelyeket az NT MDT Nova program, az Image Analysis és más programok importálhatnak. A szkennelések képei, metszeteik adatai és a spektroszkópiai mérési eredmények ASCII formátumba kerülnek exportálásra. Az adatok exportálásához kattintson a gombra Export a program főablakának eszköztárában található, vagy válassza ki Export menüpontban Fájl ezt az ablakot, és válassza ki a megfelelő exportálási formátumot. A feldolgozásra és elemzésre szánt adatok azonnal elküldhetők az előre elindított képelemző programnak.

A párbeszédablak bezárása után a képernyőn megjelenik a műszer vezérlőpultja.
(7 -26. ábra).

Rizs. 7 26. Készülék kezelőpanel

A műszer kezelőpaneljének bal oldalán találhatók az SPM konfiguráció kiválasztására szolgáló gombok:

SSM- pásztázó erőmikroszkóp (SFM)

STM– pásztázó alagútmikroszkóp (STM).

A NanoEducator képzési SPM-en végzett mérések a következő műveletek végrehajtásából állnak:

1. Minta telepítés

FIGYELEM! A minta behelyezése előtt el kell távolítani az érzékelőt és a szondát, hogy elkerülje a szonda károsodását.

A minta csatolásának két módja van:

mágneses színpadon (ebben az esetben a mintát mágneses hordozóhoz kell rögzíteni);

kétoldalas ragasztószalagon.

FIGYELEM! A minta kétoldalas ragasztószalagra történő rögzítéséhez csavarja le a tartót az állványról (hogy ne sértse meg a szkennert), majd csavarja vissza, amíg kissé meg nem áll.

Mágneses rögzítés esetén a minta a mintatartó lecsavarása nélkül cserélhető.

2. A szonda érzékelő felszerelése

FIGYELEM! Mindig szerelje fel az érzékelőt szondával a minta beszerelése után.

Miután kiválasztotta a kívánt szonda érzékelőt (tartsa az érzékelőt az alap fém széleinél) (lásd 7 -27 ábra), lazítsa meg a szonda érzékelőt 2 rögzítő csavart a mérőfej fedelén, helyezze be az érzékelőt a tartóba. ütközésig csavarja be a rögzítőcsavart az óramutató járásával megegyező irányba, amíg kissé meg nem áll .

Rizs. 7 27. A szonda érzékelő felszerelése

3. Szkennelési hely kiválasztása

Ha egy mintán vizsgálandó területet választ ki, használja a készülék alján található kétkoordinátás fokozat mozgó csavarjait.

4. A szonda előzetes megközelítése a mintához

Az előzetes megközelítési művelet nem kötelező minden mérésnél, annak szükségessége a minta és a szonda hegye közötti távolságtól függ. Az előzetes megközelítési műveletet akkor célszerű elvégezni, ha a szonda hegye és a minta felülete közötti távolság meghaladja a 0,51 mm-t. Ha a szondát automatizáltan közelítik meg a mintához nagy távolságból, a megközelítési folyamat nagyon hosszú ideig tart.

A kézi csavar segítségével engedje le a szondát, szemrevételezéssel ellenőrizve a távolságot a minta és a minta felülete között.

5. Rezonanciagörbe felrajzolása és a működési frekvencia beállítása

Ezt a műveletet minden mérés elején el kell végezni, és a végrehajtásig blokkolva van az átmenet a további mérési szakaszokra. Ezenkívül a mérési folyamat során néha olyan helyzetek adódhatnak, amelyek megkövetelik a művelet megismétlését (például amikor megszakad a kapcsolat).

A rezonanciakereső ablak a műszer kezelőpaneljén található gomb megnyomásával hívható elő. Ez a művelet magában foglalja a szonda rezgésének amplitúdójának mérését, amikor a generátor által beállított kényszerrezgések frekvenciája megváltozik. Ehhez meg kell nyomni a gombot FUSS(7 -28. ábra).

Rizs. 7 28. Ablak a rezonancia keresésére és a működési frekvencia beállítására:
a) – automatikus üzemmód, b) – kézi üzemmód

módban Auto A generátor frekvenciája automatikusan megegyezik azzal a frekvenciával, amelyen a szonda rezgésének maximális amplitúdója volt megfigyelhető. A szonda rezgésének amplitúdójának változását egy adott frekvenciatartományban ábrázoló grafikon (7. -28a. ábra) lehetővé teszi a rezonanciacsúcs alakjának megfigyelését. Ha a rezonanciacsúcs nem eléggé kifejezett, vagy a rezonancia frekvencián kicsi az amplitúdó ( kevesebb, mint 1V), akkor meg kell változtatni a mérési paramétereket és újra meg kell határozni a rezonanciafrekvenciát.

A mód erre lett kitalálva Kézikönyv. Amikor ezt a módot választja az ablakban Rezonanciafrekvencia meghatározása egy további panel jelenik meg
(7. -28b. ábra), amely lehetővé teszi a következő paraméterek beállítását:

Szonda meghajtó feszültség, a generátor állítja be. Javasoljuk, hogy ezt az értéket minimálisra (nullára) állítsa be, és legfeljebb 50 mV.

Amplitúdó erősítés ( Amplitúdó erősítés). Ha a szonda oszcillációs amplitúdója nem elegendő (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitúdó erősítés.

A rezonancia keresési művelet elindításához meg kell nyomnia a gombot Rajt.

Mód Kézikönyv lehetővé teszi a kiválasztott frekvencia manuális megváltoztatását a zöld kurzor egérrel a grafikonon történő mozgatásával, valamint tisztázza a rezgések amplitúdójában bekövetkező változás természetét a kiválasztott frekvencia körüli szűk értéktartományban (ehhez be kell állítani a kapcsolót Kézi mód pozicionálni Pontosanés nyomja meg a gombot Rajt).

6. Interakció rögzítése

A kölcsönhatás rögzítése érdekében a csúcs és a minta ellenőrzött megközelítését hajtják végre egy automatizált megközelítési mechanizmus segítségével. Az ehhez az eljáráshoz tartozó vezérlőablak a műszer kezelőpaneljén található gomb megnyomásával hívható elő. Ha SCM-mel dolgozik, ez a gomb a keresési művelet végrehajtása és a rezonanciafrekvencia beállítása után válik elérhetővé. Ablak SSM, ellátás(7 -29. ábra) vezérlőelemeket tartalmaz a szonda megközelítéséhez, valamint olyan paraméterek jelzéseit, amelyek lehetővé teszik az eljárás előrehaladásának elemzését.

Rizs. 7 29. Szonda megközelítési ablak

Az ablakban Kínálat a felhasználónak lehetősége van a következő mennyiségek megfigyelésére:

a szkenner meghosszabbításával ( ScannerZ) a Z tengely mentén a lehetséges maximumhoz képest, egységnek véve. A szkenner relatív megnyúlásának mértékét a bal oldali jelző kitöltésének szintje jellemzi annak a zónának megfelelő színnel, amelyben a szkenner jelenleg található: zöld - munkazóna, kék - a munkazónán kívül, piros - a szkenner túl közel került a minta felületéhez, ami a szonda deformálódásához vezethet. Ez utóbbi esetben a program hangjelzést ad ki;

szonda oszcillációs amplitúdója oszcillációinak amplitúdójához képest erőkölcsönhatás hiányában, egységnek tekintve. A szonda oszcillációinak relatív amplitúdóját a jobb oldali indikátor bordó töltési szintje mutatja. Vízszintes jel a kijelzőn A szonda oszcillációs amplitúdója jelzi azt a szintet, amelyen áthaladva elemzik a szkenner állapotát, és automatikusan munkahelyzetbe kerül;

lépések száma ( SHigen), adott irányba haladva: Megközelítés - megközelítés, Visszahúzás - eltávolítás.

A szonda leengedésének megkezdése előtt a következőket kell tennie:

Ellenőrizze, hogy a megközelítési paraméterek megfelelően vannak-e beállítva:

Visszacsatolás nyereség OS keményedésértékre állítva 3 ,

Győződjön meg a paraméterről Elnyomásamplitúdó (erősség) magnitúdója körülbelül 0,2 (lásd 7. ábra -29). Ellenkező esetben nyomja meg a gombot Kényszerítésés az ablakban Interakciós paraméterek beállítása (7 -30. ábra)érték beállítása Elnyomásamplitúdók egyenlő 0.2. Kényesebb bevitelhez a paraméter értéke Elnyomásamplitúdók talán kevesebb .

Ellenőrizze, hogy a beállítások helyesek-e a paraméterablakban Lehetőségek, oldal Megközelítési paraméterek.

Azt, hogy van-e interakció vagy sem, a bal oldali indikátor határozza meg ScannerZ. A szkenner teljes kiterjesztése (teljes jelző ScannerZ kékre festve), valamint egy teljesen bordó színre festett indikátor A szonda oszcillációs amplitúdója(7-29. ábra) azt jelzik, hogy nincs kölcsönhatás. A rezonancia keresése és a működési frekvencia beállítása után a szonda szabad rezgésének amplitúdóját egységnek vesszük.

Ha a szkenner nincs teljesen kihúzva a megközelítés előtt vagy közben, vagy a program a következő üzenetet jeleníti meg: „Hiba! A szonda túl közel van a mintához. Ellenőrizze a csatlakozási paramétereket vagy a fizikai összeszerelést. Ha biztonságos helyre szeretne költözni", javasoljuk, hogy szüneteltesse a megközelítési eljárást, és:

a. módosítsa az egyik paramétert:

növelje a kölcsönhatás, paraméter nagyságát Elnyomásamplitúdók, vagy

érték növelése OS keményedés, vagy

növelje a megközelítési lépések közötti késleltetési időt (paraméter Integrációs idő Az oldalon Megközelítési paraméterek ablak Lehetőségek).

b. növelje a távolságot a szonda hegye és a minta között (ehhez kövesse a bekezdésben leírt lépéseket, és hajtsa végre a műveletet Rezonancia, majd térjen vissza az eljáráshoz Kínálat.

Rizs. 7 30. Ablak a szonda és a minta közötti kölcsönhatás mértékének beállítására

Az interakció rögzítése után a „ Az ellátás befejeződött”.

Ha egy lépéssel közelebb kell mennie, nyomja meg a gombot. Ebben az esetben először a lépés kerül végrehajtásra, majd az interakciórögzítési feltételek ellenőrzése. A mozgás leállításához nyomja meg a gombot. A visszahúzási művelet végrehajtásához meg kell nyomnia a gyors visszahúzás gombot

vagy nyomja meg a gombot a lassú visszahúzáshoz. Ha egy lépést vissza kell húznia, nyomja meg a gombot. Ebben az esetben először a lépés kerül végrehajtásra, majd az interakciórögzítési feltételek ellenőrzése

7. Szkennelés

A megközelítési eljárás befejezése után ( Kínálat) és rögzíti az interakciót, a szkennelés elérhetővé válik (gomb a műszer vezérlőpultjának ablakában).

Erre a gombra kattintva (a szkennelési ablak a 7-31. ábrán látható) a felhasználó közvetlenül a mérések elvégzésére és a mérési eredmények megszerzésére lép.

A szkennelési folyamat előtt be kell állítani a szkennelési paramétereket. Ezek az opciók az ablak felső paneljének jobb oldalán vannak csoportosítva. Szkennelés.

A program indítása utáni első alkalommal alapértelmezés szerint telepítve vannak:

Szkennelési terület - Vidék (xnm*Ynm): 5000*5000 nm;

Pontok összegetengelymérések- X, Y: NX=100, NY=100;

Keresési útvonal - Irány meghatározza a szkennelés irányát. A program lehetővé teszi a gyors pásztázási tengely (X vagy Y) irányának kiválasztását. Amikor elindítja a programot, az telepítve van Irány

A szkennelési paraméterek beállítása után meg kell nyomnia a gombot Alkalmaz a beírt paraméterek megerősítéséhez és a gombot Rajt a szkennelés megkezdéséhez.

Rizs. 7 31. Ablak a folyamat vezérlésére és az SCM szkennelés eredményeinek megjelenítésére

7.4.Módszertani utasítások

Mielőtt elkezdene dolgozni a NanoEducator pásztázó szonda mikroszkópon, tanulmányozza át az eszköz használati útmutatóját [Ref. 7-4].

7.5.Biztonság

A készüléket 220 V feszültség táplálja. A NanoEducator pásztázó szondás mikroszkóp a fogyasztói elektromos berendezések PTE és PTB előírásai szerint működik 1000 V feszültségig.

7.6.Feladat

1. Készítse elő saját biológiai mintáit az SPM vizsgálatokhoz.

2. Tanulmányozza a gyakorlatban a NanoEducator készülék általános kialakítását.

3. Ismerkedjen meg a NanoEducator eszközvezérlő programmal.

4. Készítse el az első SPM-képet egy tanár felügyelete mellett.

5. Feldolgozza és elemzi a kapott képet. Milyen baktériumformák jellemzőek az Ön megoldására? Mi határozza meg a baktériumsejtek alakját és méretét?

6. Vegye ki a Bergey-baktérium-határozót, és hasonlítsa össze a kapott eredményeket az ott leírtakkal.

7.7.Biztonsági kérdések

1. Milyen módszerek léteznek a biológiai objektumok tanulmányozására?

2. Mi az a pásztázó szonda mikroszkópia? Milyen elv áll mögötte?

3. Nevezze meg az SPM fő összetevőit és célját!

4. Mi a piezoelektromos hatás, és hogyan használják az SPM-ben? Ismertesse a szkennerek különböző kialakításait!

5. Ismertesse a NanoEducator általános kialakítását.

6. Ismertesse az erőérzékelőt és működési elvét!

7. Ismertesse a szondának a NanoEducator készülékben lévő mintához való eljuttatásának mechanizmusát! Ismertesse a szonda és a minta közötti kölcsönhatás erejét meghatározó paramétereket!

8. Ismertesse a szkennelés elvét és a visszacsatoló rendszer működését! Mondja el nekünk a szkennelési paraméterek kiválasztásának kritériumait.

7.8.Irodalom

Megvilágított. 7 1. Paul de Cruy. Mikrobavadászok. M. Terra. 2001.

Megvilágított. 7 2. Útmutató a mikrobiológiai gyakorlati órákhoz. Szerkesztette: Egorova N.S. M.: Nauka, 1995.

Megvilágított. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Bergey baktérium azonosítója. M.:Mir, 1997. T. 2. sz. 574. o.

Megvilágított. 7 4. A készülék használati útmutatója NanoEducator.tárgyakat. Nyizsnyij Novgorod. Tudományos és oktatási központ...

Jegyzetek a "Szondás pásztázó mikroszkópia a biológiában" kurzushoz Előadásterv

Absztrakt

... Szkennelésszondamikroszkópia biológiában" Előadásterv: Bevezetés, SPM. határok története alkalmazások...és nanostruktúrák, kutatásbiológiaitárgyakat: Nobel-díjasok... Mertkutatás konkrét minta: B szkennelésszondamikroszkópiaMert ...

Xxiii orosz elektronmikroszkópos konferencia előzetes programja június 1. kedd délelőtt 10 00 – 14 00 konferencia megnyitó Bevezető megjegyzések

Program

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Alkalmazásszondaés konfokális szkennelésmikroszkópiaMertkutatás javítási folyamatok nanodiszperz graftokkal...

1. Összoroszországi Tudományos Konferencia Módszerek a funkcionális anyagok összetételének és szerkezetének tanulmányozására

Dokumentum

TÖBBELEMES OBJEKTUMOK SZABVÁNYOK NÉLKÜL... Lyakhov N.Z. KUTATÁS NANOKOMPOZITOK BIOLÓGIAI ALATT AKTÍV... Aliev V.Sh. ALKALMAZÁS MÓDSZER SZONDAMIKROSZKÓPIÁKFORKUTATÁS HATÁS... LETAPOGATÁS KALORIMETRIA ÉS TERMOSTIMULÁLT ÁRAMOK FORKUTATÁS ...

Az ötlet, hogy egy éles szondával szuper-nagy felbontású képeket készítsenek egy minta felületéről, először 1966-ban vetette fel, és 1972-ben valósította meg Russell Young, aki a felszínfizikával foglalkozott. Young installációjának diagramja az ábrán látható. A vizsgált vezetőképes mintát egy differenciálmikrocsavaron alapuló durva megközelítési mechanizmushoz rögzítik. A mintát egy piezo meghajtóval ellátott precíziós XYZ szkennerre szerelt éles volfrámtűre visszük. A szonda tű és a minta között alkalmazott potenciálkülönbség elektronemissziót okoz, amelyet a készülék rögzít. A visszacsatoló mechanizmus állandó emissziós áramot tart fenn azáltal, hogy megváltoztatja a szonda Z-koordináta helyzetét (azaz a szonda és a felület közötti távolságot). A visszacsatoló jel rögzítőn vagy oszcilloszkópon történő rögzítése lehetővé teszi a felszíni topográfia helyreállítását.

Bár a Yang-féle műszer térbeli felbontása a mintasíkban nem haladta meg a hagyományos optikai mikroszkóp felbontását, az installáció az SPM-re jellemző összes jellemzővel rendelkezett, és lehetővé tette az atomi rétegek megkülönböztetését a mintán.

Néhány évvel később, a 70-es évek végén Gerd Binnig és Heinrich Rohrer fizikusok az IBM zürichi kutatólaboratóriumából elkezdték kifejleszteni az első pásztázó alagútmikroszkópot. Széles körű elektronmikroszkópos tapasztalattal és az alagúthatás kutatásával kapcsolatban felmerült az ötlet, hogy hozzanak létre egy, a Young's Topografinerhez hasonló installációt.

De az emissziós áram helyett alagút effektus áramot alkalmaztak, ami lehetővé tette a készülék felbontásának nagyságrendekkel történő növelését. Sok atomi felbontású kép készült, és a műszer további fejlesztései számos más típusú SPM létrehozásához vezettek. 1986-ban Binnig és Rohrer megkapta a fizikai Nobel-díjat a pásztázó alagútmikroszkóp megalkotásáért. Az első STM létrejöttének története Binnig Nobel-beszédéből ismerhető meg
Az installációk további fejlesztésével a kutatók nemcsak a felszíni topográfia mérését tanulták meg, hanem az egyes atomok manipulálását is! Ennek az eseménynek a jelentősége az első mesterséges műhold Föld körüli pályára bocsátásához hasonlítható, és talán ez az első lépés a jövő legfontosabb technológiáinak megalkotása felé.

Az STM-ben az alagúteffektus alkalmazása nemcsak ultranagy felbontás elérését teszi lehetővé, hanem számos jelentős megkötést is támaszt a vizsgált mintával szemben: vezetőképesnek kell lennie, a méréseket pedig célszerű nagyvákuumban végezni. Ez nagymértékben leszűkíti az STM alkalmazási körét. Ezért a kutatók erőfeszítéseiket új típusú SPM-ek létrehozására összpontosították, amelyek mentesek ezektől a korlátozásoktól. 1986-ban Binnig, Quat és Gerber cikke jelent meg, amely egy új típusú mikroszkópot írt le - az Atomic Force Microscope-ot (AFM). Ez a fajta mikroszkóp egy speciális szondát - egy konzolt - egy éles szilícium tűt használ, amely egy rugós sugár végére van rögzítve. Amikor ez a tű és a minta felülete körülbelül tíz nanométer távolságra találkozik (ha a minta felületét előzőleg megtisztították a vízrétegtől), a nyaláb elkezd eltérni a minta felé, mert a tű hegye a van der Waals erők révén kölcsönhatásba lép a felülettel. A felület további megközelítése során a tű az elektrosztatikus taszító erők hatására ellenkező irányban elhajlik. A tű eltérését az egyensúlyi helyzettől a Binnig-beállításban alagútmikroszkóp tű segítségével detektáltuk.

A konzol használata lehetővé tette a nem vezető minták vizsgálatát. A detektorrendszerek további fejlesztése pedig olyan mikroszkópok létrehozásához vezetett, amelyek nemcsak levegőben, hanem folyadékban is képesek méréseket végezni, ami különösen fontos a biológiai minták vizsgálatakor. Ezenkívül módszereket dolgoztak ki a konzol és a minta közötti erőkölcsönhatás mérésére, amelyek segítségével lehetővé vált az egyes atomok közötti kölcsönhatási erők meghatározása 10-9 newton szinten.

Az 1980-as évek közepe óta robbanásszerűen nőtt a szonda mikroszkóppal kapcsolatos publikációk száma. Az SPM-eknek számos fajtája jelent meg, számos kereskedelmi forgalomban kapható műszer, szondamikroszkópos tankönyvek jelentek meg, és számos felsőoktatási intézmény kurzusain tanulják az SPM működésének alapjait.

Bevezetés

Jelenleg a nanotechnológia tudományos és műszaki iránya rohamosan fejlődik, az alap- és alkalmazott kutatások széles skáláját lefedi. Ez egy alapvetően új technológia, amely olyan különböző területeken képes megoldani a problémákat, mint a kommunikáció, a biotechnológia, a mikroelektronika és az energia. Napjainkban több mint száz fiatal cég fejleszt nanotechnológiai termékeket, amelyek a következő két-három évben megjelennek a piacon.

A nanotechnológiák a 21. század vezető technológiáivá válnak, és hozzájárulnak a gazdaság és a társadalom szociális szférájának fejlődéséhez, egy új ipari forradalom előfeltételévé válhatnak. Az előző kétszáz évben az ipari forradalom előrehaladását a Föld erőforrásainak mintegy 80%-a árán érte el. A nanotechnológia jelentősen csökkenti az erőforrás-felhasználást, és nem terheli a környezetet, vezető szerepet tölt be az emberiség életében, ahogy például a számítógép is az emberek életének szerves részévé vált.

A nanotechnológia fejlődését a kísérleti kutatási módszerek fejlesztése ösztönözte, amelyek közül a leginformatívabbak a pásztázó szondás mikroszkópos módszerek, amelyek feltalálását és különösen elterjedését az 1986-os Nobel-díjasoknak - Heinrich Rohrer professzornak és Dr. Gerd Binnignek - köszönheti a világ.

A világot lenyűgözte az atomok vizualizálásának ilyen egyszerű módszereinek felfedezése, sőt a manipulálás lehetősége is. Számos kutatócsoport kezdett házi készítésű eszközöket építeni és kísérletezni ebben az irányban. Ennek eredményeként számos kényelmes eszközséma született, és különféle módszereket javasoltak a szonda-felület kölcsönhatás eredményeinek megjelenítésére, mint például: laterális erőmikroszkópia, mágneses erőmikroszkópia, mikroszkópia mágneses, elektrosztatikus és elektromágneses kölcsönhatások rögzítésére. A közelmezős optikai mikroszkópos módszerek intenzív fejlődésen estek át. A szonda-felület rendszerben az irányított, szabályozott befolyásolás módszereit fejlesztették ki, például a nanolitográfia - a felületen változások következnek be elektromos, mágneses hatások, plasztikus deformációk, fény hatására a szonda-felület rendszerben. Technológiákat hoztak létre meghatározott geometriai paraméterekkel rendelkező szondák előállítására, speciális bevonatokkal és szerkezetekkel a különböző felületi tulajdonságok megjelenítésére.

A pásztázó szonda mikroszkópia (SPM) az egyik hatékony modern módszer a nagy térbeli felbontású szilárd felületek morfológiájának és lokális tulajdonságainak tanulmányozására. Az elmúlt 10 évben a pásztázó szondás mikroszkópia egy egzotikus, csak korlátozott számú kutatócsoport számára elérhető technikából a felületi tulajdonságok tanulmányozásának széles körben elterjedt és sikeres eszközévé fejlődött. Jelenleg szinte egyetlen kutatás sem fejeződik be a felületfizika és a vékonyréteg-technológiák területén SPM-módszerek alkalmazása nélkül. A pásztázó szondás mikroszkópia fejlesztése a nanotechnológia új módszereinek – nanométeres léptékű szerkezetek létrehozásának technológiájának – kifejlesztésének is az alapja volt.

1. Történelmi háttér

Kis tárgyak megfigyelésére a holland Antonie van Leeuwenhoek feltalálta a mikroszkópot a 17. században, megnyitva ezzel a mikrobák világát. Mikroszkópjai tökéletlenek voltak, és 150-300-szoros nagyítást biztosítottak. Követői azonban továbbfejlesztették ezt az optikai eszközt, lefektetve a biológia, a geológia és a fizika számos felfedezésének alapjait. A 19. század végén (1872) azonban a német optikus, Ernst Karl Abbe kimutatta, hogy a fény diffrakciója miatt a mikroszkóp felbontóképessége (azaz az objektumok közötti minimális távolság, amikor még nem olvadtak össze. egy kép) a fény hullámhossza (0,4-0,8 µm) korlátozza. Így sok fáradságot megspórolt az optikusok számára, akik korszerűbb mikroszkópokat készítettek, de csalódást okoztak a biológusoknak és geológusoknak, akik elvesztették reményüket, hogy 1500-szorosnál nagyobb nagyítású műszert kapjanak.

Az elektronmikroszkóp megalkotásának története csodálatos példája annak, hogy a tudomány és a technológia önállóan fejlődő területei a kapott információk cseréjével és erőik egyesítésével új, hatékony eszközt hozhatnak létre a tudományos kutatás számára. A klasszikus fizika csúcsát az elektromágneses tér elmélete jelentette, amely a fény terjedését, az elektromos és mágneses terek kialakulását, valamint a töltött részecskék mozgását ezekben a terekben az elektromágneses hullámok terjedésével magyarázta. A hullámoptika világossá tette a diffrakció jelenségét, a képalkotás mechanizmusát és a fénymikroszkópban a felbontást meghatározó tényezők játékát. Az elméleti és kísérleti fizika terén elért előrelépéseket az elektron felfedezésének köszönhetjük sajátos tulajdonságaival. Ezek a különálló és látszólag független fejlődési utak vezettek az elektronoptika alapjaihoz, melynek egyik legfontosabb alkalmazása az EM feltalálása volt az 1930-as években. E lehetőség közvetlen utalásának tekinthető az elektron hullámtermészetére vonatkozó hipotézis, amelyet 1924-ben Louis de Broglie terjesztett elő, és 1927-ben K. Davisson és L. Germer az Egyesült Államokban, valamint J. Thomson Angliában erősített meg. Ez egy analógiát sugallt, amely lehetővé tette egy EM megalkotását a hullámoptika törvényei szerint. H. Bush felfedezte, hogy elektromos és mágneses mezők segítségével lehet elektronikus képeket alkotni. A 20. század első két évtizedében. a szükséges műszaki előfeltételek is megteremtődtek. Az elektronsugaras oszcilloszkópon dolgozó ipari laboratóriumok vákuumtechnológiát, stabil nagyfeszültség- és áramforrásokat, valamint jó elektronsugárzókat gyártottak.

1931-ben R. Rudenberg szabadalmi kérelmet nyújtott be egy transzmissziós elektronmikroszkópra, majd 1932-ben M. Knoll és E. Ruska megépítette az első ilyen mikroszkópot, mágneses lencsék segítségével az elektronok fókuszálására. Ez a műszer volt a modern optikai transzmissziós elektronmikroszkóp (OTEM) elődje. (Ruska 1986-os fizikai Nobel-díjjal jutalmazta erőfeszítéseit.) 1938-ban Ruska és B. von Borries ipari OPEM prototípust épített a németországi Siemens-Halske számára; ez a műszer végül 100 nm-es felbontás elérését tette lehetővé. Néhány évvel később A. Prebus és J. Hiller megépítette az első nagy felbontású OPEM-et a Torontói Egyetemen (Kanada).

Az OPEM széles lehetőségei szinte azonnal nyilvánvalóvá váltak. Ipari gyártását egyszerre kezdte meg a német Siemens-Halske és az amerikai RCA Corporation. Az 1940-es évek végén más cégek is elkezdtek ilyen eszközöket gyártani.

A SEM jelenlegi formájában Charles Otley találta fel 1952-ben. Igaz, egy ilyen készülék előzetes verzióit a 30-as években a németországi Knoll, a negyvenes években Zworykin és munkatársai az RCA Corporationnél készítettek, de csak az Otley készüléke tudott számos technikai fejlesztés alapjául szolgálni, amelyek csúcspontja lett. az 1960-as évek közepén a SEM ipari változatának bevezetésekor a gyártásba. Egy ilyen, meglehetősen egyszerűen használható, háromdimenziós képpel és elektronikus kimeneti jellel rendelkező készülék fogyasztói köre ugrásszerűen bővült. Jelenleg három kontinensen tucatnyi ipari SEM-gyártó működik, és világszerte több tízezer ilyen eszközt használnak laboratóriumokban.A hatvanas években a vastagabb minták vizsgálatára fejlesztették ki az ultra-nagyfeszültségű mikroszkópokat, ennek az iránynak a vezetője a A fejlesztés G. Dupuy volt Franciaországban, ahol 1970-ben üzembe helyeztek egy 3,5 millió V-os gyorsítófeszültségű készüléket. Binnig és Rohrer (Ruskával egy időben) munkájáért Nobel-díjat kapott az RTM létrehozásáért.

1986-ban a pásztázó szondás mikroszkópot Rohrer és Binnig találta fel. Feltalálása óta az STM-et széles körben alkalmazzák a tudósok számos szakterületen, szinte az összes természettudományi tudományterületet lefedve, a fizika, kémia, biológia alapkutatásától egészen a konkrét technológiai alkalmazásokig. Az STM működési elve annyira egyszerű, a potenciális lehetőségek pedig olyan nagyok, hogy a tudományra és a technológiára gyakorolt ​​hatását még a közeljövőben sem lehet megjósolni.

Mint később kiderült, a szonda csúcsának szinte bármilyen kölcsönhatása a felülettel (mechanikai, mágneses) megfelelő műszerek és számítógépes programok segítségével a felület képévé alakítható.

A pásztázó szonda mikroszkóp telepítése több funkcionális blokkból áll, amelyek az ábrán láthatók. 1. Ez egyrészt maga a mikroszkóp egy piezomanipulátorral a szonda vezérlésére, egy alagút-áram-feszültség átalakítóval és egy léptetőmotorral a minta táplálására; analóg-digitális és digitális-analóg konverterek és nagyfeszültségű erősítők blokkja; léptetőmotor vezérlőegység; egy tábla jelfeldolgozóval, amely kiszámítja a visszacsatoló jelet; olyan számítógép, amely információkat gyűjt és interfészt biztosít a felhasználó számára. Szerkezetileg a DAC és az ADC egység ugyanabba a házba van beépítve a léptetőmotor vezérlőegységgel. Az Analog Devices ADSP 2171 jelfeldolgozó kártyája (DSP – Digital Signal Processor) van beépítve a személyi számítógép ISA bővítőhelyébe.

A mikroszkóp mechanikai rendszerének általános képe az ábrán látható. 2. A mechanikus rendszer egy alapból piezo manipulátorral és egy sima minta adagoló rendszerrel rendelkezik egy léptetőmotoron, sebességváltóval és két levehető mérőfejjel a pásztázó alagút és az atomerőmikroszkópos üzemmódban történő működéshez. A mikroszkóp lehetővé teszi a stabil atomi felbontás elérését hagyományos tesztfelületeken további szeizmikus és akusztikus szűrők használata nélkül.

2. A pásztázó szonda mikroszkópok működési elvei

A pásztázó szondás mikroszkópokban a felszíni mikrorelief és annak lokális tulajdonságainak vizsgálata speciálisan elkészített tűk formájában történik. Az ilyen szondák munkarészének (a csúcsának) mérete körülbelül tíz nanométer. A szonda és a minták felülete közötti jellemző távolság szondamikroszkópokban 0,1-10 nm nagyságrendű. A szonda mikroszkópok működése a szonda és a felület közötti különböző típusú kölcsönhatásokon alapul. Így az alagútmikroszkóp működése azon a jelenségen alapul, hogy egy fémtű és egy vezető minta között alagútáram folyik; Az atomi erő, a mágneses erő és az elektromos erőmikroszkópok működésének hátterében különféle típusú erőkölcsönhatások állnak. Tekintsük a különféle szondamikroszkópokban rejlő közös jellemzőket. Legyen a szonda kölcsönhatása a felülettel jellemezhető egy bizonyos P paraméterrel. Ha a P paraméternek kellően éles és egy az egyhez függősége van a szonda-minta távolságtól, akkor ezzel a paraméterrel meg lehet szervezni egy visszacsatoló rendszer (FS), amely a szonda és a minta közötti távolságot szabályozza. ábrán. A 3. ábra sematikusan mutatja be az SPM visszacsatolás megszervezésének általános elvét.

A visszacsatoló rendszer a P paraméter értékét állandóan tartja, ami megegyezik a kezelő által megadott értékkel. Ha változik a szonda-felület távolság, akkor változik a P paraméter Az OS rendszerben a ΔP = P - P értékkel arányos különbségi jel generálódik, amelyet a kívánt értékre erősítünk, és az IE működtetőelemre táplálunk. Az aktuátor feldolgozza ezt a különbségjelet, közelebb hozza a szondát a felszínhez, vagy távolítja el, amíg a különbségi jel nullává nem válik. Ily módon a szonda-minta távolság nagy pontossággal tartható. Amikor a szonda a minta felülete mentén mozog, a P interakciós paraméter megváltozik a felszín topográfiája miatt. Az OS rendszer feldolgozza ezeket a változásokat, így amikor a szonda az X, Y síkban mozog, az aktuátoron érkező jel arányosnak bizonyul a felszín topográfiájával. Az SPM kép elkészítéséhez egy speciálisan szervezett minta beolvasási folyamatot hajtanak végre. A pásztázás során a szonda először egy bizonyos vonal mentén halad a mintán (line scan), miközben az aktuátoron a felület topográfiával arányos jelértéke rögzítésre kerül a számítógép memóriájában. A szonda ezután visszatér a kiindulási ponthoz, és a következő szkennelési sorra lép (keret pásztázás), és a folyamat ismét megismétlődik. A szkennelés során így rögzített visszacsatoló jelet számítógép dolgozza fel, majd számítógépes grafikai eszközökkel SPM-képet készít a felületi domborzatról. A felszíni topográfia tanulmányozása mellett a szondamikroszkópok lehetővé teszik a különböző felületi tulajdonságok tanulmányozását: mechanikai, elektromos, mágneses, optikai és mások.

3. Szondamikroszkópok pásztázó elemei (szkennerek).

3.1 Elemek szkennelése

A szonda mikroszkópok működtetéséhez szükséges a szonda-minta munkatávolságának szabályozása és a szonda nagy pontosságú mozgatása a mintasíkban (az angström töredékeinek szintjén). Ezt a problémát speciális manipulátorok - szkennerek (szkennerek) segítségével oldják meg. A szondamikroszkópok pásztázó elemei piezoelektromos anyagokból – piezoelektromos tulajdonságokkal rendelkező anyagokból – készülnek. A piezoelektromos elemek külső elektromos térben megváltoztatják méreteiket. A kristályok inverz piezoelektromos hatásának egyenlete a következőképpen van felírva:

ahol u a deformációs tenzor, E az elektromos tér összetevői, d a piezoelektromos együttható tenzor összetevői. A piezoelektromos együttható tenzor formáját a kristályok szimmetriájának típusa határozza meg.

A piezokerámia anyagokból készült jelátalakítók széles körben elterjedtek a különféle műszaki alkalmazásokban. A piezokerámia egy polarizált polikristályos anyag, amelyet kristályos ferroelektromos anyagokból porok szinterezésével nyernek. A kerámiák polarizációja a következőképpen történik. A kerámiákat a Curie-hőmérséklet fölé hevítik (a legtöbb piezokerámia esetében ez a hőmérséklet kevesebb, mint 300 C), majd lassan lehűtik erős (kb. 3 kV/cm) elektromos térben. Lehűlés után a piezokerámia polarizációt váltott ki, és képessé válik a méretének megváltoztatására (a polarizációs vektor és a külső elektromos tér vektorának kölcsönös irányától függően növekedés vagy csökkenés).

A cső alakú piezoelemek széles körben elterjedtek a pásztázó szonda mikroszkópiában (4. ábra). Lehetővé teszik az objektumok meglehetősen nagy mozgását viszonylag kis vezérlőfeszültség mellett. A cső alakú piezoelemek piezokerámia anyagokból készült üreges vékonyfalú hengerek. Jellemzően vékony fémrétegek formájában lévő elektródákat helyeznek a cső külső és belső felületére, miközben a cső végei fedetlenek maradnak.

A belső és külső elektródák közötti potenciálkülönbség hatására a cső megváltoztatja hosszirányú méreteit. Ebben az esetben a sugárirányú elektromos tér hatására bekövetkező hosszirányú deformáció a következőképpen írható fel:

ahol l a cső hossza nem deformálódó állapotban. A piezo cső abszolút nyúlása egyenlő

ahol h a piezocső falvastagsága, V a belső és külső elektródák közötti potenciálkülönbség. Így azonos V feszültség mellett a cső nyúlása annál nagyobb lesz, minél nagyobb a hossza és minél kisebb a falvastagság.

Három cső egy egységbe történő csatlakoztatása lehetővé teszi a mikroszkóp szonda precíz mozgását három egymásra merőleges irányban. Ezt a letapogató elemet háromlábúnak nevezik.

Az ilyen szkenner hátrányai a gyártás bonyolultsága és a tervezés erős aszimmetriája. Napjainkban a pásztázó szonda mikroszkópiában a legszélesebb körben használják az egyetlen cső alakú elemen alapuló szkennereket. A cső alakú szkenner és az elektródaelrendezés általános nézete a 2. ábrán látható. 5. A cső anyagának a polarizációs vektor sugárirányú iránya van.

A belső elektróda általában szilárd. A szkenner külső elektródája a henger mentén négy részre van osztva. Ha ellenfázisú feszültséget adunk a külső elektróda ellentétes szakaszaira (a belsőhöz képest), a cső szakasza összehúzódik azon a helyen, ahol a tér iránya egybeesik a polarizáció irányával, és megnyúlik, ahol ellentétes irányban vannak irányítva. irányokat. Ez azt eredményezi, hogy a cső a megfelelő irányba hajlik. Ily módon a pásztázás az X, Y síkban történik.A belső elektróda potenciáljának megváltoztatása az összes külső szakaszhoz viszonyítva a cső Z tengely mentén történő meghosszabbodásához vagy lerövidítéséhez vezet, így lehetőség nyílik egy három- koordináta szkenner, amely egyetlen piezocsőre épül. A valódi szkennelő elemek gyakran bonyolultabb kialakításúak, de működési elveik változatlanok.

A bimorf piezoelemeken alapuló szkennerek is elterjedtek. A bimorf két piezoelektromos lemezből áll, amelyeket úgy ragasztottak egymáshoz, hogy mindegyikben a polarizációs vektorok ellentétes irányúak (6. ábra). Ha feszültséget kapcsolunk a bimorf elektródákra, amint az az ábrán látható. 6, akkor az egyik lemez kitágul, a másik pedig összehúzódik, ami a teljes elem meghajlásához vezet. A bimorf elemek valós tervezésénél a belső közös és külső elektródák között potenciálkülönbség jön létre úgy, hogy az egyik elemben a tér egybeesik a polarizációs vektor irányával, a másikban pedig az ellenkező irányba.

A bimorf piezoszkennerek működésének alapja a bimorf elektromos mezők hatására történő meghajlítása. Három bimorf elem egy tervben történő kombinálásával lehetőség nyílik háromlábú állvány megvalósítására bimorf elemeken.

Ha a bimorf elem külső elektródáit négy szektorra osztjuk, akkor lehetséges a szonda mozgását a Z tengely mentén és az X, Y síkban egy bimorf elemen megszervezni (7. ábra).

Valóban, ha ellenfázisú feszültséget adunk a külső elektródák egymással ellentétes szakaszaira, akkor meg lehet hajlítani a bimorfot úgy, hogy a szonda az X, Y síkban mozog (7. ábra (a, b)). És a belső elektróda potenciáljának a külső elektródák összes szakaszához viszonyított megváltoztatásával lehetséges a bimorf meghajlítása a szonda Z irányba történő mozgatásával (7. ábra (c, d)).

3.2 Piezokerámia nemlinearitása

A kristályokkal szembeni számos technológiai előny ellenére a piezokerámiának van néhány hátránya, amelyek negatívan befolyásolják a letapogató elemek működését. Ezen hátrányok egyike a piezoelektromos tulajdonságok nemlinearitása. ábrán. Példaként a 8. ábra mutatja be a piezocső Z irányú elmozdulásának nagyságának függését az alkalmazott tér nagyságától. Általános esetben (különösen nagy vezérlőmezők esetén) a piezokerámiákat az alakváltozások tértől (vagy a vezérlőfeszültségtől) való nemlineáris függése jellemzi.

Így a piezokerámia deformációja a külső elektromos tér komplex függvénye:

Kis vezérlőmezők esetén ez a függőség a következő formában jeleníthető meg:

u = d* E+ α* E*E+…

ahol d és α a piezoelektromos hatás lineáris és kvadratikus modulja.

A tipikus E mezőértékek, amelyeknél nemlineáris hatások kezdenek megjelenni, 100 V/mm nagyságrendűek. Ezért a letapogató elemek helyes működéséhez a kerámia linearitási tartományában lévő vezérlőmezőket (E< Е) .

pásztázó szonda elektronmikroszkóp

3.3 A piezokerámia kúszása és a piezokerámia hiszterézise

A piezokerámia másik hátránya az úgynevezett kúszás (kúszás) - késleltetett válasz a vezérlő elektromos mező értékének változására.

A kúszás az ehhez a hatáshoz kapcsolódó geometriai torzulásokat eredményez az SPM képeken. A kúszás különösen erős hatást fejt ki, amikor a szkennereket egy adott pontra viszik helyi mérések elvégzésére, valamint a szkennelési folyamat kezdeti szakaszában. A kerámia kúszásának hatásának csökkentése érdekében ezekben a folyamatokban késleltetéseket alkalmaznak, amelyek lehetővé teszik a szkenner késésének részleges kompenzálását.

A piezokerámia másik hátránya a nyúlás elektromos tér változási irányától való függésének kétértelműsége (hiszterézis).

Ez oda vezet, hogy azonos vezérlőfeszültségek mellett a piezokerámia a mozgás irányától függően a pálya különböző pontjain jelenik meg. A piezokerámia hiszteréziséből adódó torzulások kiküszöbölésére az SPM képekben a minták letapogatása során csak a függőség egyik ágán rögzítjük az információkat.

4. Eszközök a szonda és a minta precíziós mozgatásához

4.1 Mechanikus sebességváltók

A pásztázó szondamikroszkópia egyik fontos technikai problémája a szonda és a minta precíz mozgatása a mikroszkóp munkarésének kialakítása és a vizsgálandó felület kiválasztása érdekében. A probléma megoldására különféle típusú eszközöket használnak, amelyek nagy pontossággal mozgatják az objektumokat. Elterjedtek a különféle mechanikus sebességváltók, amelyekben az eredeti mozgató durva mozgása megfelel az elmozdított tárgy finom mozgásának. A mozgások csökkentésének módszerei különbözőek lehetnek. Széles körben használják a kar eszközöket, amelyekben a mozgás mennyiségének csökkentését a karok karjainak hosszának különbsége miatt hajtják végre. A karos sebességváltó diagramja az ábrán látható. 9.

A mechanikus kar lehetővé teszi, hogy együtthatóval csökkentse a mozgást

Így minél nagyobb az L kar aránya az l karhoz, annál pontosabban szabályozható a szonda és a minta megközelítésének folyamata.

A mikroszkópok kialakításában is széles körben alkalmazzák a mechanikus hajtóműveket, amelyekben két sorba kapcsolt rugalmas elem merevségi együtthatójának különbsége miatt érik el a mozgások csökkentését (10. ábra). A szerkezet merev alapból, rugóból és rugalmas gerendából áll. A k rugó és a K rugalmas gerenda merevségét úgy választjuk meg, hogy a feltétel teljesüljön: k< K .

A csökkentési együttható megegyezik a rugalmas elemek merevségi együtthatóinak arányával:

Így minél nagyobb a nyaláb-merevség és a rugómerevség aránya, annál pontosabban szabályozható a mikroszkóp munkaelemének elmozdulása.

4.2 Léptetőmotorok

A léptetőmotorok (SEM) olyan elektromechanikus eszközök, amelyek az elektromos impulzusokat diszkrét mechanikai mozgásokká alakítják. A léptetőmotorok fontos előnye, hogy a forgórész helyzetének egyértelmű függését biztosítják a bemeneti áramimpulzusoktól, így a forgórész forgásszögét a vezérlőimpulzusok száma határozza meg. A SHED-ben a nyomatékot az állórész és a forgórész pólusai által generált mágneses fluxusok generálják, amelyek egymáshoz képest megfelelően vannak elhelyezve.

A legegyszerűbb kialakítás az állandó mágneses motorokhoz való. Ezek egy tekercsekkel ellátott állórészből és egy állandó mágneseket tartalmazó forgórészből állnak. ábrán. A 11. ábra egy léptetőmotor egyszerűsített kialakítását mutatja.

A forgórész váltakozó pólusai egyenes vonalúak és párhuzamosak a motor tengelyével. Az ábrán látható motor 3 pár forgórész és 2 pár állórész pólusú. A motornak 2 független tekercselése van, amelyek mindegyike az állórész két ellentétes pólusára van feltekerve. A bemutatott motor lépésmérete 30 fok. Amikor az áramot bekapcsolják az egyik tekercsben, a forgórész hajlamos olyan helyzetet felvenni, amelyben a forgórész és az állórész ellentétes pólusai egymással szemben vannak. A folyamatos forgás eléréséhez felváltva kell bekapcsolni a tekercseket.

A gyakorlatban olyan léptetőmotorokat használnak, amelyek bonyolultabb felépítésűek, és rotorfordulatonként 100-400 lépést tesznek lehetővé. Ha egy ilyen motort menetes csatlakozással párosítunk, akkor körülbelül 0,1 mm-es menetemelkedéssel körülbelül 0,25 - 1 mikronos tárgypozícionálási pontosság biztosított. A pontosság növelése érdekében további mechanikus sebességváltókat használnak. Az elektromos vezérlés lehetősége lehetővé teszi a ShED hatékony használatát automatizált rendszerekben a szonda és a pásztázó szonda mikroszkóp mintájának megközelítésére.

4.3 Piezo léptetőmotorok

A műszerek külső rezgésekkel szembeni jó szigetelésére vonatkozó követelmények, valamint a szondamikroszkópok vákuumkörülmények között történő működtetésének szükségessége komoly korlátozásokat támaszt a szonda és a minta mozgatására szolgáló, tisztán mechanikus eszközök használatában. Ezzel kapcsolatban a szondamikroszkópokban széles körben elterjedtek a piezoelektromos jelátalakítókra épülő eszközök, amelyek lehetővé teszik a tárgyak mozgásának távvezérlését.

ábrán látható egy léptető inerciális piezomotor egyik kialakítása. 12. Ez az eszköz tartalmaz egy talpat (1), amelyre egy piezoelektromos cső (2) van rögzítve. A cső külső és belső felületén elektródák (3) vannak. A cső végén egy osztott rugó (4) található, amely egy henger külön rugószirmokkal. A rugóra egy tárgytartó (5) van felszerelve - egy meglehetősen masszív, polírozott felületű henger. A mozgatandó tárgy rugóval vagy hollandi anyával rögzíthető a tartóhoz, ami lehetővé teszi, hogy a készülék a térben tetszőleges tájolásban működjön.

A készülék a következőképpen működik. A tárgytartónak a Z tengely irányába történő mozgatásához fűrészfog impulzusfeszültséget kapcsolunk a piezocső elektródáira (13. ábra).

A fűrészfog feszültség lapos elején a cső a feszültség polaritásától függően simán megnyúlik vagy összehúzódik, vége pedig a rugóval és a tárgytartóval együtt a távolság hatására elmozdul:

Abban a pillanatban, amikor a fűrészfog feszültség feloldódik, a cső a gyorsulással visszatér eredeti helyzetébe, amelynek kezdetben maximális értéke van:

ahol ω a cső hosszirányú rezgésének rezonanciafrekvenciája. Ha az F feltétel teljesül< 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. Szonda mikroszkópok védelme a külső hatásokkal szemben

5.1 Rezgésvédelem

Az eszközök külső rezgések elleni védelmére különféle típusú rezgésszigetelő rendszereket használnak. Hagyományosan passzívra és aktívra oszthatók. A passzív rezgéscsillapító rendszerek fő gondolata a következő. Egy mechanikai rendszer kényszerrezgésének amplitúdója gyorsan csökken, ahogy a gerjesztő erő frekvenciája és a rendszer természetes rezonanciafrekvenciája közötti különbség nő (egy oszcillációs rendszer tipikus amplitúdó-frekvencia-válaszát (AFC) mutatja a 14. ábra). ).

Ezért az ω > ω frekvenciájú külső hatásoknak gyakorlatilag nincs észrevehető hatása az oszcillációs rendszerre. Következésképpen, ha egy szonda mikroszkóp mérőfejét egy rezgéscsillapító platformra vagy egy rugalmas felfüggesztésre helyezi (15. ábra), akkor csak a rezgésszigetelő rendszer rezonanciafrekvenciájához közeli frekvenciájú külső rezgések jutnak át a mérőfejen. mikroszkóp test. Mivel az SPM fejek sajátfrekvenciája 10-100 kHz, a rezgésszigetelő rendszer rezonanciafrekvenciájának meglehetősen alacsony (kb. 5-10 Hz) megválasztásával nagyon hatékonyan védhető a készülék a külső rezgésektől. A természetes rezonanciafrekvencián fellépő rezgések csillapítása érdekében viszkózus súrlódású disszipatív elemeket vezetnek be a rezgésszigetelő rendszerekbe.

Így a hatékony védelem biztosításához szükséges, hogy a rezgésszigetelő rendszer rezonanciafrekvenciája a lehető legalacsonyabb legyen. A nagyon alacsony frekvenciákat azonban a gyakorlatban nehéz megvalósítani.

Az SPM fejek védelmére sikeresen alkalmaznak aktív rendszereket a külső rezgések elnyomására. Ilyen eszközök negatív visszacsatolású elektromechanikus rendszerek, amelyek biztosítják a rezgésszigetelő platform stabil helyzetét a térben (16. ábra).

5.2 Akusztikus zajvédelem

A szondamikroszkópok tervezési elemeinek másik rezgésforrása a különféle természetű akusztikus zaj.

Az akusztikus interferencia sajátossága, hogy az akusztikus hullámok közvetlenül hatnak az SPM fejek szerkezeti elemeire, ami a szonda oszcillációjához vezet a vizsgált minta felületéhez képest. Az SPM-ek akusztikus interferencia elleni védelmére különféle védőkupakokat használnak, amelyek jelentősen csökkenthetik az akusztikus interferencia szintjét a mikroszkóp munkarésének területén. Az akusztikus interferencia elleni leghatékonyabb védelem a szonda mikroszkóp mérőfejének vákuumkamrába helyezése (17. ábra).

5.3 A szonda felszín feletti helyzetének termikus eltolódásának stabilizálása

Az SPM egyik fontos problémája a szonda helyzetének stabilizálása a vizsgált minta felszíne felett. A szonda helyzetének instabilitásának fő forrása a környezeti hőmérséklet változása vagy a szonda mikroszkóp szerkezeti elemeinek felmelegedése működése során. A szilárd anyag hőmérsékletének változása termoelasztikus alakváltozásokhoz vezet. Az ilyen deformációk igen jelentős hatással vannak a szondamikroszkópok működésére. A hőeltolódás csökkentése érdekében az SPM mérőfejek termosztátját alkalmazzák, vagy hőkiegyenlítő elemeket építenek be a fejek kialakításába. A hőkompenzáció gondolata a következő. Bármely SPM-konstrukció ábrázolható különböző hőtágulási együtthatójú elemek halmazaként (18. ábra (a)).

A hőeltolódás kompenzálására különböző tágulási együtthatójú kiegyenlítő elemeket vezetnek be az SPM mérőfejek tervezésébe, így teljesül az a feltétel, hogy a hőmérséklet-tágulások összege a szerkezet különböző ágaiban nulla legyen:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

A szonda helyzetének Z tengely mentén történő termikus eltolódásának csökkentésének legegyszerűbb módja, ha az SPM tervezésébe a fő szerkezeti elemekkel azonos anyagból készült és jellemző méretekkel megegyező kiegyenlítő elemeket viszünk be (18. ábra (b)). Amikor ennek a kialakításnak a hőmérséklete megváltozik, a szonda Z-irányú elmozdulása minimális lesz. A szonda X, Y síkban való helyzetének stabilizálása érdekében a mikroszkópok mérőfejeit axiálisan szimmetrikus szerkezetek formájában gyártják.

6. SPM képek kialakítása és feldolgozása

6.1 Szkennelési folyamat

A pásztázószondás mikroszkópban a felület letapogatásának folyamata hasonló ahhoz, ahogyan az elektronsugár a képernyőn áthalad egy televíziós katódsugárcsőben. A szonda a vonal (vonal) mentén mozog, először előre, majd fordított irányban (vonal pásztázás), majd a következő vonalra (frame scan) mozog (19. ábra). A szonda egy szkenner segítségével kis lépésekben mozog a digitális-analóg konverterek által generált fűrészfog feszültség hatására. A felszíni topográfiával kapcsolatos információk regisztrálása általában közvetlen hágón történik.

A pásztázó szonda mikroszkóppal nyert információkat SPM-keret formájában tárolják - egy egész számok kétdimenziós tömbje a (mátrix). Ezeknek a számoknak a fizikai jelentését a szkennelési folyamat során digitalizált érték határozza meg. Az ij indexpár minden értéke egy adott felületi pontnak felel meg a szkennelési mezőn belül. A felületi pontok koordinátáit úgy számítjuk ki, hogy a megfelelő indexet egyszerűen megszorozzuk azon pontok távolságával, ahol az információt rögzítették.

Az SPM keretek általában 2-es méretű négyzetmátrixok (többnyire 256x256 és 512x512 elemek). Az SPM-kockák megjelenítése számítógépes grafika segítségével történik, elsősorban háromdimenziós (3D) és kétdimenziós fényerősségű (2D) képek formájában. A 3D-s vizualizációban egy felület képét axonometrikus perspektívában alkotják meg pixelek vagy vonalak felhasználásával. Ezen túlmenően különféle módszereket alkalmaznak a különböző magasságú felületi domborzati magasságoknak megfelelő pixelek kiemelésére. A 3D képek színezésének leghatékonyabb módja a felületi megvilágítás körülményeinek szimulálása a tér valamely pontján a felszín felett elhelyezkedő pontforrással (20. ábra). Ugyanakkor hangsúlyozni lehet a dombormű kis léptékű egyenetlenségeit. Emellett számítógépes feldolgozás és grafika segítségével a 3D SPM képek méretezése és elforgatása valósul meg. A 2D vizualizációval minden felületi ponthoz hozzárendelnek egy színt. A legelterjedtebbek a színátmenetes paletták, amelyekben a kép egy adott színű tónusra van színezve a felületen lévő pont magasságának megfelelően.

A helyi SPM mérések általában magukban foglalják a vizsgált mennyiségek különböző paraméterektől való függésének rögzítését. Például ezek a szonda-felület érintkezőn áthaladó elektromos áram nagyságának függése az alkalmazott feszültségtől, a szonda és a felület közötti erőkölcsönhatás különböző paramétereinek a szonda-minta távolságtól való függése stb. az információkat vektor tömbök formájában vagy 2 x N mátrixok formájában tároljuk Vizualizálásukhoz A mikroszkóp szoftver szabványos eszközkészletet biztosít a függvénygrafikonok megjelenítéséhez.

6.2 A képek készítésének és feldolgozásának módszerei

Az objektumok tulajdonságainak pásztázó szonda mikroszkópos módszerekkel történő tanulmányozása során a tudományos kutatás fő eredménye általában ezeknek a tárgyaknak a felületéről készült háromdimenziós képek. A képértelmezés megfelelősége a szakember képzettségétől függ. Ugyanakkor a képek feldolgozása és megalkotása során számos hagyományos technikát alkalmaznak, amelyekre a képek elemzésekor ügyelni kell. A pásztázó szondás mikroszkóp a számítástechnika intenzív fejlődésének idején jelent meg. Ezért a háromdimenziós képek rögzítésekor a számítógépekhez kifejlesztett digitális tárolási módszereket alkalmazta. Ez jelentős kényelemhez vezetett a képelemzésben és -feldolgozásban, de fel kellett áldozni az elektronmikroszkópos módszerekben rejlő fényképezési minőséget. A szonda mikroszkóppal nyert információt a számítógép egész számok kétdimenziós mátrixaként ábrázolja. Ebben a mátrixban minden szám a pásztázási módtól függően lehet alagútáram, vagy eltérési érték, vagy valamilyen összetettebb függvény értéke. Ha megmutatja ezt a mátrixot egy személynek, akkor nem tud koherens képet alkotni a vizsgált felületről. Tehát az első probléma az, hogy a számokat könnyen érthető formává alakítsuk át. Ez a következőképpen történik. Az eredeti mátrixban szereplő számok egy bizonyos tartományba esnek, vannak minimum és maximum értékek. Az egész számok ehhez a tartományához színpaletta van hozzárendelve. Így a mátrix minden értéke egy téglalap alakú képen egy adott színű pontra van leképezve. Az a sor és oszlop, amelyben ez az érték található, a pont koordinátáivá válnak. Ennek eredményeként olyan képet kapunk, amelyen például a felület magasságát a színek közvetítik - mint egy földrajzi térképen. De egy térképen általában csak tucatnyi szín szerepel, a képünkön viszont több száz és több ezer. Az észlelés megkönnyítése érdekében a közeli magasságú pontokat hasonló színekkel kell megjeleníteni. Kiderülhet, és általában mindig megtörténik, hogy a kezdeti értékek tartománya nagyobb, mint a lehetséges színek száma. Ilyenkor az információ elveszik, és a színek számának növelése nem megoldás, mivel az emberi szem képességei korlátozottak. További információfeldolgozásra van szükség, és a feldolgozásnak a feladatoktól függően eltérőnek kell lennie. Vannak, akiknek a teljes képet kell látniuk, míg mások a részleteket szeretnék megnézni. Ehhez különféle módszereket alkalmaznak.

6.3 Állandó meredekség kivonása

A szonda mikroszkóppal készített felszíni képek általában általános lejtéssel rendelkeznek. Ennek több oka is lehet. Először is, a dőlés a minta szondához viszonyított pontatlan elhelyezése miatt jelentkezhet; másodszor, összefüggésbe hozható hőmérséklet-eltolódással, ami a szonda elmozdulásához vezet a mintához képest; harmadszor, ez a piezoscanner mozgásainak nemlinearitása miatt lehet. A dőlés megjelenítése nagy mennyiségű hasznos helyet foglal el az SPM keretben, így a kép apró részletei láthatatlanok lesznek. Ennek a hátránynak a kiküszöbölésére az állandó meredekség levonásának műveletét hajtják végre. Ehhez az első lépésben a közelítő síkot a legkisebb négyzetek módszerével találjuk meg

P(x,y), amelynek minimális eltérései vannak a felületi domborzattól Z = f(x,y), akkor ezt a síkot kivonjuk az SPM képből. A kivonást a lejtő jellegétől függően különböző módokon célszerű elvégezni.

Ha az SPM képen a dőlés a minta szondamintához viszonyított dőléséből adódik, akkor célszerű a síkot olyan szöggel elforgatni, amely megfelel a sík normálja és a Z tengely közötti szögnek; ebben az esetben a Z = f(x,y) felületi koordinátákat térbeli forgatási transzformációknak megfelelően transzformáljuk. Ezzel a transzformációval azonban lehetőség nyílik a felület képére Z = f(x,y) többértékű függvény formájában. Ha a dőlés a termikus eltolódásnak köszönhető, akkor a dőlés levonásának eljárása lecsökkenti a sík Z koordinátáit az SPM kép Z koordinátáiból:

Az eredmény egy kisebb értéktartománnyal rendelkező tömb, és a kép finom részletei több színben tükröződnek, és jobban láthatóvá válnak.

6.4 A szkenner tökéletlenségeivel kapcsolatos torzítások megszüntetése

A szkenner tulajdonságainak tökéletlensége ahhoz vezet, hogy az SPM-kép számos specifikus torzítást tartalmaz. A szkenner részleges tökéletlenségeit, mint például a szkenner előre és hátra löketének egyenlőtlensége (hiszterézis), a piezokerámia kúszása és nemlinearitása, a hardver és az optimális szkennelési módok megválasztása kompenzálja. Ennek ellenére azonban az SPM képek olyan torzulásokat tartalmaznak, amelyeket hardver szinten nehéz kiküszöbölni. Különösen, mivel a szkenner mozgása a mintasíkban befolyásolja a szonda helyzetét a felszín felett, az SPM-képek a valós dombormű és a másodrendű (és gyakran magasabb) felület szuperpozíciója.

Az ilyen jellegű torzítások kiküszöbölésére a legkisebb négyzetek módszerével találunk egy P(x,y) másodrendű közelítő felületet, amely minimális eltérésekkel rendelkezik az eredeti Z = f(x,y) függvénytől, majd ezt a felületet kivonjuk. az eredeti SPM képről:

A torzítás egy másik típusa a szkenner X, Y síkban történő mozgásának nemlinearitása és nem ortogonalitása, ami a geometriai arányok torzulásához vezet a felület SPM képének különböző részein. Az ilyen torzítások kiküszöbölésére egy eljárást hajtanak végre az SPM-képek korrekciós együtthatófájl segítségével történő kijavítására, amely akkor jön létre, amikor egy adott szkenner jól ismert domborzattal vizsgálja a tesztstruktúrákat.

6.5 SPM-képek szűrése

A berendezés zaja (főleg a nagy érzékenységű bemeneti erősítők zaja), a szonda-minta érintkező instabilitása a letapogatás során, a külső akusztikus zaj és a rezgések azt a tényt eredményezik, hogy az SPM képek a hasznos információk mellett zajkomponenst is tartalmaznak. Az SPM képek részleges zaja szoftver segítségével eltávolítható.

6.6 Medián szűrés

A medián szűrés jó eredményeket ad a nagyfrekvenciás véletlenszerű zaj eltávolításakor az SPM-kockákban. Ez egy nemlineáris képfeldolgozási módszer, melynek lényege a következőképpen magyarázható. Egy működő szűrőablak van kiválasztva, amely nxn pontból áll (a határozottság kedvéért vegyünk egy 3 x 3-as, azaz 9 pontot tartalmazó ablakot (24. ábra)).

A szűrési folyamat során ez az ablak pontról pontra mozog a kereten keresztül, és a következő eljárás kerül végrehajtásra. Az SPM kép amplitúdóértékei ennek az ablaknak a pontjain növekvő sorrendben vannak elrendezve, és a rendezett sor közepén lévő érték az ablak középpontjába kerül. Ezután az ablak a következő pontra kerül, és a rendezési eljárás megismétlődik. Így az erős véletlenszerű kiugró értékek és hibák az ilyen rendezés során mindig a rendezett tömb szélére kerülnek, és nem kerülnek bele a végső (szűrt) képbe. Ezzel a feldolgozással a keret szélein szűretlen területek maradnak, amelyeket a végső képen eldobnak.

6.7 Módszerek felület rekonstrukciójára az SPM-képe alapján

A pásztázó szonda mikroszkópos módszereinek egyik hátránya az alkalmazott szondák munkarészének véges mérete. Ez a mikroszkópok térbeli felbontásának jelentős romlásához és az SPM-képek jelentős torzulásához vezet a szonda munkarészének jellemző méreteihez hasonló domborzati egyenetlenségű felületek letapogatásakor.

Valójában az SPM-ben kapott kép a szonda és a vizsgált felület „konvolúciója”. A szonda alakjának a felületi domborzattal való „konvolúciójának” folyamatát az egydimenziós eset szemlélteti az 1. ábrán. 25.

Ez a probléma részben megoldható a közelmúltban kifejlesztett SPM-képek rekonstrukciós módszereivel, amelyek az SPM-adatok számítógépes feldolgozásán alapulnak, figyelembe véve a szondák sajátos alakját. A felület-restaurálás leghatékonyabb módszere a numerikus dekonvolúciós módszer, amely a tesztszerkezetek letapogatásával kísérletileg nyert szondaformát használja (jól ismert felületi topográfiával).

Megjegyzendő, hogy a minta felületének teljes helyreállítása csak két feltétel teljesülése esetén lehetséges: a szonda a szkennelési folyamat során a felület minden pontját érintette, és minden pillanatban a szonda a felületnek csak egy pontját érintette. Ha a szonda a szkennelés során nem tudja elérni a felület bizonyos területeit (például ha a mintán vannak a dombormű túlnyúló részei), akkor a dombormű csak részleges helyreállítása történik meg. Sőt, minél több pontot érintett a felületen a szonda a szkennelés során, annál megbízhatóbban rekonstruálható a felület.

A gyakorlatban az SPM kép és a kísérletileg meghatározott szonda alakja olyan diszkrét értékek kétdimenziós tömbje, amelyek deriváltja egy rosszul meghatározott mennyiség. Ezért a gyakorlatban a diszkrét függvények deriváltjának kiszámítása helyett az SPM képek numerikus dekonvolúciója során a szonda és a felület közötti minimális távolság feltételét alkalmazzuk állandó átlagos magasságú szkennelés esetén.

Ebben az esetben a felület domborművének adott pontban mért magassága a tapintópont és a megfelelő felületi pont közötti minimális távolságnak tekinthető a szonda adott felülethez viszonyított helyzetéhez. Ez a feltétel fizikai értelemben ekvivalens a deriváltak egyenlőségének feltételével, de lehetővé teszi a szonda és a felület érintkezési pontjainak megfelelőbb módszerrel történő keresését, ami jelentősen csökkenti a domborzat rekonstrukciójának idejét.

A szondák munkarészének kalibrálásához és alakjának meghatározásához speciális, ismert felületi domborzati paraméterekkel rendelkező tesztszerkezeteket használnak. ábra mutatja be a leggyakoribb tesztszerkezetek típusait és az atomerőmikroszkóppal kapott jellemző képeket. 26. és ábra. 27.

Az éles tüskék formájában kialakított kalibráló rács lehetővé teszi a szonda hegyének pontos meghatározását, míg a téglalap alakú rács segít visszaállítani az oldalfelület alakját. Ezen rácsok letapogatásának eredményeinek kombinálásával lehetőség nyílik a szondák munkarészének alakjának teljes helyreállítására.

7. Modern SPM

1) Pásztázó szonda mikroszkóp SM-300

A pórustér morfológiai jellemzőinek és szerkezetének tanulmányozására készült. Az SM-300 (28. ábra) beépített optikai pozicionáló mikroszkóppal rendelkezik, amely szükségtelenné teszi az érdeklődési terület vég nélküli keresését. A minta színes optikai képe enyhe nagyítással megjelenik a számítógép monitorán. Az optikai képen látható szálkereszt az elektronsugár helyzetének felel meg. A szálkereszt segítségével gyorsan pozícionálhat, és meghatározhat egy érdekes területet a raszteres elemzéshez

Rizs. 28. SPM SM-300 elektronmikroszkóp. Az optikai pozicionáló egység külön számítógéppel van felszerelve, amely biztosítja hardveres függetlenségét a pásztázó mikroszkóptól.

KÉPESSÉGEK SM - 300

· 4 nm garantált felbontás

· Egyedülálló optikai pozicionáló mikroszkóp (opcionális)

· Intuitív Windows® szoftver

Teljesen számítógép által vezérelt pásztázó mikroszkóp és képalkotás

Normál TV kimenet digitális jelfeldolgozással

· Alacsony vákuumrendszer számítógépes vezérlése (opcionális)

· Minden vizsgálatot az applikátor tengelyének azonos pozíciójában végeznek (12 mm)

Elemi röntgen mikroanalízis alacsony és nagy vákuum üzemmódban (opcionális)

Képes dolgozni normál szobai fényviszonyok között

· Nem vezető minták vizsgálata előzetes előkészítés nélkül

Felbontás 5,5 nm alacsony vákuum üzemmódban

· Az üzemmódváltás szoftveres vezérlése

Választható kamrás vákuum tartomány 1,3 – 260 Pa

· Képek megjelenítése a számítógép képernyőjén

· Soros V-visszaszórású Robinson érzékelő

2) Supra50VP nagy felbontású pásztázó szonda mikroszkóp INCA Energy+Oxford mikroelemző rendszerrel.

A készülék (29. ábra) az anyagtudomány minden területén, a nano- és biotechnológiák területén végzett kutatásra szolgál. A készülék lehetővé teszi a nagy mintákkal való munkát, valamint támogatja a változó nyomású üzemmódot a nem vezető minták előkészítés nélküli vizsgálatához. Rizs. 29. SPM Supra50VP

LEHETŐSÉGEK:

Gyorsító feszültség 100 V – 30 kV (mező emissziós katód)

Max. növelje x 900000-re

Ultra-nagy felbontás – akár 1 nm (20 kV-on)

Vákuum üzemmód 2 és 133 Pa között változtatható nyomással

Gyorsító feszültség - 0,1-30 kV

Motoros asztal öt szabadságfokkal

EDX detektor felbontása 129 eV a Ka(Mn) vonalon, számlálási sebesség akár 100 000 count/s

3) LEO SUPRA 25 modernizált mikroszkóp „GEMINI” oszloppal és terepi kibocsátással (30. ábra).

– Nanoanalízis kutatásra tervezték

– EDX és WDX rendszereket is csatlakoztathat mikroanalízishez

– 20 kV-on 1,5 nm, 1 kV-on 2 nm.

Következtetés

Az elmúlt évek során a szondamikroszkópia alkalmazása egyedülálló tudományos eredmények elérését tette lehetővé a fizika, a kémia és a biológia különböző területein.

Ha az első pásztázószondás mikroszkópok a kvalitatív kutatás indikátorai voltak, akkor a modern pásztázó szondás mikroszkóp egy olyan eszköz, amely akár 50 különböző kutatási technikát is integrál. Képes a szonda-minta rendszerben meghatározott mozgások végrehajtására 0,1%-os pontossággal, kiszámítva a szonda alaktényezőjét, meglehetősen nagy méretű (200 µm-ig a pásztázási síkban és 15-20 µm magasságban) precíziós méréseket. ) és ezzel egyidejűleg szubmolekuláris felbontást biztosítanak.

A pásztázó szondás mikroszkópok a tudományos kutatás egyik legnépszerűbb eszközévé váltak a világpiacon. Folyamatosan készülnek új, különféle alkalmazásokra specializálódott készüléktervek.

A nanotechnológia dinamikus fejlődése megköveteli a kutatási technológia lehetőségeinek egyre nagyobb bővítését. A csúcstechnológiai cégek világszerte olyan kutatási és technológiai nanokomplexumok létrehozásán dolgoznak, amelyek analitikai módszerek egész csoportjait egyesítik, mint például: Raman-spektroszkópia, lumineszcencia-spektroszkópia, röntgenspektroszkópia elemanalízishez, nagyfelbontású optikai mikroszkópia, elektronmikroszkópia , fókuszált iontechnikák csomók. A rendszerek erőteljes intellektuális képességekre tesznek szert: képes felismerni és osztályozni a képeket, kiemelni a szükséges kontrasztokat, fel van ruházva az eredmények szimulációjával, a számítási teljesítményt pedig szuperszámítógépek biztosítják.

A fejlesztés alatt álló technológia erőteljes képességekkel rendelkezik, de használatának végső célja tudományos eredmények megszerzése. E technológia képességeinek elsajátítása önmagában is rendkívül összetett feladat, amely magasan képzett szakemberek képzését igényli, akik képesek hatékonyan használni ezeket az eszközöket és rendszereket.

Bibliográfia

1. Nevolin V.K. Az alagút-szonda technológia alapjai / V.K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996, - 91 p.

2. Kulakov Yu. A. Elektronmikroszkópia / Yu. A. Kulakov, – M.: Znanie, 1981, – 64 p.

3. Volodin A.P. Pásztázó mikroszkópia / A. P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 p.

4. Biopolimerek pásztázószondás mikroszkópiája / Szerk.: I. V. Yaminsky, - M.: Tudományos Világ, 1997, - 86 p.

5. Mironov V. A pásztázó szondás mikroszkópia alapjai / V. Mironov, – M.: Tekhnosphere, 2004, – 143 p.

6. Rykov S. A. Félvezető anyagok pásztázószondás mikroszkópiája / S. A. Rykov, – St. Petersburg: Nauka, 2001, – 53 p.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Scanning probe microscopy for science and industry / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronika: tudomány, technológia, üzlet, – 1997, – 5. sz., – With. 7-14.