MICROSCOPUL SONDEI DE SCANARE: TIPURI ȘI PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE

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

adnotare
Acest articol descrie principiul de funcționare al unui microscop cu sondă. Aceasta este o tehnologie fundamental nouă, capabilă să rezolve probleme în domenii atât de diverse precum comunicațiile, biotehnologia, microelectronica și energia. Nanotehnologiile din microscopie vor reduce semnificativ consumul de resurse și nu vor pune presiune asupra mediului; ele vor juca un rol principal în viața omenirii, așa cum, de exemplu, computerul a devenit o parte integrantă a vieții oamenilor.

MICROSCOPIE SONDE DE SCANARE: TIPURI ȘI PRINCIPII DE OPERARE

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

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

În secolul 21, nanotehnologia câștigă rapid popularitate, pătrunzând în toate sferele vieții noastre, dar nu ar exista progrese în ele fără metode noi, experimentale de cercetare, una dintre cele mai informative este metoda de scanare a sondei de microscopie, care a fost inventată. și diseminat de către laureații Nobel în 1986 – profesorul Heinrich Rohrer și dr. Gerd Binnig.

O adevărată revoluție a avut loc în lume odată cu apariția metodelor de vizualizare atomică. Au început să apară grupuri de entuziaști, construindu-și propriile dispozitive. Ca urmare, au fost obținute câteva soluții de succes pentru vizualizarea rezultatelor interacțiunii sondei cu suprafața. Au fost create tehnologii pentru producerea de sonde cu parametrii necesari.

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

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

1. Microscop cu scanare tunel – conceput pentru a măsura topografia suprafețelor conductoare cu rezoluție spațială mare.
   În STM, un ac metalic ascuțit este trecut peste probă la o distanță foarte mică. Când se aplică un curent mic acului, între acesta și probă apare un curent de tunel, a cărui magnitudine este înregistrată de sistemul de înregistrare. Acul este trecut pe întreaga suprafață a probei și înregistrează cele mai mici modificări ale curentului tunelului, datorită cărora este trasată o hartă în relief a suprafeței probei. STM este primul dintr-o clasă de microscoape cu sondă de scanare; celelalte au fost dezvoltate mai târziu.
2. Microscop cu forță atomică de scanare - folosit pentru a reprezenta în grafic structura de suprafață a unei probe cu rezoluție atomică. Spre deosebire de STM, acest microscop poate fi utilizat pentru a examina atât suprafețele conductoare, cât și cele neconductoare. Datorită capacității nu numai de a scana, ci și de a manipula atomii, se numește forță.
3. Un microscop optic în câmp apropiat este un microscop optic „avansat” care oferă o rezoluție mai bună decât un microscop optic convențional. Creșterea rezoluției BOM a fost obținută prin captarea luminii de la obiectul studiat la distanțe mai mici decât lungimea de undă. Dacă sonda microscopului este echipată cu un dispozitiv pentru scanarea câmpului spațial, atunci un astfel de microscop se numește microscop optic cu scanare în câmp apropiat. Acest microscop vă permite să obțineți imagini ale suprafețelor cu rezoluție foarte mare.

Imaginea (Fig. 1) prezintă cea mai simplă diagramă de funcționare a unui microscop cu sondă.

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

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

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

1. Asigurarea integrității mecanice
2. Detectoarele trebuie să aibă sensibilitate maximă
3. Capătul sondei trebuie să aibă dimensiuni minime
4. Crearea unui sistem de măturare
5. Asigurați netezimea sondei

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

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

Sarcina principală a acestei tehnologii avansate este obținerea de rezultate științifice, dar aplicarea capacităților acestor dispozitive în practică necesită specialiști cu înaltă calificare.

7.Utilizarea unui microscop cu sondă de scanare pentru studiul obiectelor biologice

7. Aplicarea unui microscop cu sondă de scanare pentru studiul obiectelor biologice 1

7.1. Obiectivele muncii 2

7.2. Informații pentru profesor 3

7.4. Ghid 31

7.5. Siguranța 32

7.6. Sarcina 32

7.7. Întrebări de test 32

7.8. Literatura 32

Lucrarea de laborator a fost dezvoltată de Universitatea de Stat din Nijni Novgorod. N.I. Lobaciovski

7.1.Obiectivele muncii

Studiul parametrilor morfologici ai structurilor biologice este o sarcină importantă pentru biologi, deoarece dimensiunea și forma unor structuri determină în mare măsură proprietățile lor fiziologice. Prin compararea datelor morfologice cu caracteristicile funcționale, se pot obține informații cuprinzătoare despre participarea celulelor vii la menținerea echilibrului fiziologic al corpului uman sau animal.

Anterior, biologii și medicii aveau ocazia să-și studieze preparatele doar folosind microscoape optice și electronice. Aceste studii au oferit o perspectivă asupra morfologiei celulelor fixate, colorate și acoperite cu acoperiri metalice subțiri produse prin pulverizare. Nu a fost posibil să se studieze morfologia obiectelor vii și modificările acesteia sub influența diverșilor factori, dar a fost foarte tentant.

Microscopia cu sondă de scanare (SPM) a deschis noi oportunități în studiul celulelor, bacteriilor, moleculelor biologice și ADN-ului în condiții cât mai apropiate de cele native. SPM vă permite să studiați obiecte biologice fără fixatori și coloranți speciali, în aer sau chiar într-un mediu lichid.

În prezent, SPM este utilizat într-o mare varietate de discipline, atât în ​​cercetarea științifică fundamentală, cât și în dezvoltările aplicate de înaltă tehnologie. Multe institute de cercetare din țară sunt echipate cu echipamente de microscopie cu sondă. În acest sens, cererea de specialiști cu înaltă calificare este în continuă creștere. Pentru a satisface această cerință, compania NT-MDT (Zelenograd, Rusia) a dezvoltat un laborator educațional și științific specializat pentru microscopia cu sonde de scanare Nanoeducator.

SPM NanoEducator special concepute pentru lucrările de laborator ale studenților. Acest dispozitiv se adresează publicului studențesc: este complet controlat cu ajutorul unui computer, are o interfață simplă și intuitivă, suport pentru animație, implică o dezvoltare pas cu pas a tehnicilor, absența setărilor complexe și consumabile ieftine.

În această lucrare de laborator veți învăța despre microscopia cu sonde de scanare, vă veți familiariza cu elementele de bază ale acesteia, veți studia proiectarea și principiile de funcționare a sistemului educațional. SPM NanoEducator, învățați să pregătiți preparate biologice pentru cercetare, obțineți prima imagine SPM a unui complex de bacterii lactice și învățați elementele de bază ale procesării și prezentării rezultatelor măsurătorilor.

7.2.Informații pentru profesor 1

Lucrările de laborator se desfășoară în mai multe etape:

1. Pregătirea probei este efectuată de fiecare elev în mod individual.

2. Prima imagine este obținută pe un dispozitiv sub supravegherea unui profesor, apoi fiecare elev își examinează eșantionul în mod independent.

3. Datele experimentale sunt prelucrate individual de fiecare elev.

Probă pentru cercetare: bacterii lactice pe o sticlă de acoperire.

Înainte de a începe lucrul, este necesar să selectați o sondă cu cea mai caracteristică caracteristică amplitudine-frecvență (un singur maxim simetric) și să obțineți o imagine a suprafeței probei studiate.

Raportul de laborator trebuie să includă:

1. partea teoretică (răspunsuri la întrebările de control).

2. rezultatele părții experimentale (descrierea cercetării efectuate, rezultatele obținute și concluziile trase).

1. Metode de studiere a morfologiei obiectelor biologice.

2. Microscop cu sondă de scanare:

proiectare SPM;

tipuri de SPM: STM, AFM;

Format de date SPM, vizualizarea datelor SPM.

3. Pregătirea probelor pentru studiile SPM:

morfologia și structura celulelor bacteriene;

pregătirea preparatelor pentru studiul morfologiei folosind SPM.

4. Introducere în programul de proiectare și control al SPM NanoEducator.

5. Obținerea unei imagini SPM.

6. Prelucrarea si analiza imaginilor obtinute. Caracterizarea cantitativă a imaginilor SPM.

Metode de studiere a morfologiei obiectelor biologice

Diametrul caracteristic al celulelor este de 10  20 μm, bacterii de la 0,5 la 3  5 μm, aceste valori sunt de 5 ori mai mici decât cea mai mică particulă vizibilă cu ochiul liber. Prin urmare, primul studiu al celulelor a devenit posibil abia după apariția microscoapelor optice. La sfârşitul secolului al XVII-lea. Antonio van Leeuwenhoek a realizat primul microscop optic; înainte de asta, oamenii nici măcar nu bănuiau existența microbilor și bacteriilor patogeni [Lit. 7 -1].

Microscopia optică

Dificultățile în studierea celulelor se datorează faptului că acestea sunt incolore și transparente, astfel că descoperirea structurilor lor de bază a avut loc abia după introducerea în practică a coloranților. Coloranții au oferit un contrast suficient de imagine. Folosind un microscop optic, puteți distinge obiectele distanțate la 0,2 µm, de exemplu. Cele mai mici obiecte care pot fi încă distinse la un microscop optic sunt bacteriile și mitocondriile. Imaginile elementelor celulare mai mici sunt distorsionate de efectele cauzate de natura ondulatorie a luminii.

Pentru a pregăti preparate de lungă durată, celulele sunt tratate cu un agent de fixare pentru a le imobiliza și conserva. În plus, fixarea crește accesibilitatea celulelor la coloranți, deoarece Macromoleculele celulare sunt ținute împreună prin legături încrucișate, care le stabilizează și le fixează într-o anumită poziție. Cel mai adesea, aldehidele și alcoolii acționează ca fixatori (de exemplu, glutaraldehida sau formaldehida formează legături covalente cu grupări amino libere ale proteinelor și moleculele învecinate încrucișate). Odată fixat, țesutul este de obicei tăiat în secțiuni foarte subțiri (1 până la 10 µm grosime) cu un microtom, care sunt apoi plasate pe o lamă de sticlă. Această metodă de preparare poate deteriora structura celulelor sau a macromoleculelor, astfel încât congelarea rapidă este metoda preferată. Țesutul congelat este tăiat cu un microtom instalat într-o cameră rece. După pregătirea secțiunilor, celulele sunt colorate. Coloranții organici (verde malachit, sudan negru etc.) sunt utilizați în principal în acest scop. Fiecare dintre ele se caracterizează printr-o anumită afinitate pentru componentele celulare, de exemplu, hematoxilina are o afinitate pentru moleculele încărcate negativ și, prin urmare, face posibilă detectarea ADN-ului în celule. Dacă o anumită moleculă este prezentă într-o celulă în cantități mici, atunci este cel mai convenabil să utilizați microscopia cu fluorescență.

Microscopia cu fluorescență

Coloranții fluorescenți absorb lumina de o lungime de undă și emit lumină de altă lungime de undă, mai mare. Dacă o astfel de substanță este iradiată cu lumină a cărei lungime de undă se potrivește cu lungimea de undă a luminii absorbite de colorant și apoi se folosește pentru analiză un filtru care transmite lumină cu o lungime de undă corespunzătoare luminii emise de colorant, molecula fluorescentă poate fi detectată. strălucind în câmpul întunecat. Intensitatea ridicată a luminii emise este o trăsătură caracteristică a unor astfel de molecule. Utilizarea coloranților fluorescenți pentru colorarea celulelor implică utilizarea unui microscop fluorescent special. Acest microscop este similar cu un microscop optic convențional, dar lumina de la un iluminator puternic trece prin două seturi de filtre - unul pentru a opri o parte din radiația iluminatorului în fața probei și celălalt pentru a filtra lumina primită de la eșantion. Primul filtru este selectat în așa fel încât să transmită doar lumină cu lungimea de undă care excită un anumit colorant fluorescent; în același timp, un al doilea filtru blochează această lumină incidentă și transmite lumină cu lungimea de undă emisă de colorant atunci când emite fluorescență.

Microscopia cu fluorescență este adesea folosită pentru a identifica proteine ​​specifice sau alte molecule care devin fluorescente după ce sunt legate covalent de coloranți fluorescenți. În acest scop, se folosesc de obicei doi coloranți - fluoresceina, care produce fluorescență galben-verzuie intensă la excitarea cu lumină albastră deschisă și rodamină, provocând fluorescență roșu închis după excitarea cu lumină galben-verde. Folosind atât fluoresceină, cât și rodamină pentru colorare, este posibilă obținerea distribuției diferitelor molecule.

Microscopie în câmp întunecat

Cel mai simplu mod de a vedea detaliile structurii unei celule este de a observa lumina împrăștiată de diferitele componente ale celulei. Într-un microscop cu câmp întunecat, razele de la iluminator sunt direcționate din lateral și doar razele împrăștiate intră în lentila microscopului. În consecință, celula arată ca un obiect iluminat pe un câmp întunecat. Unul dintre principalele avantaje ale microscopiei în câmp întunecat este capacitatea de a observa mișcarea celulelor în timpul procesului de diviziune și migrare. Mișcările celulare sunt de obicei foarte lente și greu de observat în timp real. În acest caz, se utilizează microfilmarea cadru cu cadru (time-lapse) sau înregistrarea video. Cadrele consecutive sunt separate în timp, dar când înregistrarea este redată la viteză normală, imaginea evenimentelor reale este accelerată.

În ultimii ani, camerele video și tehnologiile conexe de procesare a imaginilor au îmbunătățit considerabil capacitățile microscopiei optice. Datorită utilizării lor, a fost posibilă depășirea dificultăților cauzate de particularitățile fiziologiei umane. Ei sunt ca:

1. Ochiul în condiții normale nu înregistrează lumină foarte slabă.

2. Ochiul nu poate detecta mici diferențe de intensitate a luminii pe un fundal luminos.

Prima dintre aceste probleme a fost depășită după adăugarea la microscop a unor camere video cu sensibilitate ultra-înaltă. Acest lucru a făcut posibilă observarea celulelor pentru perioade lungi de timp în lumină slabă, eliminând expunerea prelungită la lumină puternică. Sistemele de imagistică sunt deosebit de importante pentru studiul moleculelor fluorescente din celulele vii. Deoarece imaginea este produsă de camera video sub formă de semnale electronice, aceasta poate fi convertită în mod adecvat în semnale numerice, trimisă la un computer și apoi procesată în continuare pentru a extrage informații ascunse.

Contrastul ridicat care poate fi realizat cu microscopia de interferență computerizată face posibilă observarea chiar și a obiectelor foarte mici, cum ar fi microtubuli individuali, al căror diametru este mai mic de o zecime din lungimea de undă a luminii (0,025 μm). Microtubulii individuali pot fi observați și folosind microscopia cu fluorescență. Cu toate acestea, în ambele cazuri, efectele de difracție sunt inevitabile, schimbând foarte mult imaginea. În acest caz, diametrul microtubulilor este supraestimat (0,2 μm), ceea ce face imposibilă distingerea microtubulilor individuali de un mănunchi de mai mulți microtubuli. Pentru a rezolva această problemă, este nevoie de un microscop electronic, a cărui limită de rezoluție este deplasată cu mult dincolo de lungimea de undă a luminii vizibile.

Microscopia electronică

Relația dintre lungimea de undă și limita de rezoluție este valabilă și pentru electroni. Cu toate acestea, pentru un microscop electronic, limita de rezoluție este semnificativ mai mică decât limita de difracție. Lungimea de undă a unui electron scade pe măsură ce viteza acestuia crește. Într-un microscop electronic cu o tensiune de 100.000 V, lungimea de undă a electronului este de 0,004 nm. Conform teoriei, rezoluția unui astfel de microscop este de 0,002 nm. Cu toate acestea, în realitate, datorită deschiderilor numerice mici ale lentilelor electronice, rezoluția microscoapelor electronice moderne este, în cel mai bun caz, de 0,1 nm. Dificultățile în pregătirea probelor și deteriorarea radiațiilor reduc semnificativ rezoluția normală, care pentru obiectele biologice este de 2 nm (de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a unui microscop cu lumină).

Sursa de electroni în microscop electronic cu transmisie (TEM) este un filament catodic situat în vârful unei coloane cilindrice înalte de aproximativ doi metri. Pentru a evita împrăștierea electronilor la ciocnirea cu moleculele de aer, se creează un vid în coloană. Electronii emiși de filamentul catodului sunt accelerați de un anod din apropiere și trec printr-o gaură minusculă, formând un fascicul de electroni care se deplasează spre partea de jos a coloanei. De-a lungul coloanei, la o anumită distanță, există magneți inel care concentrează fasciculul de electroni, precum lentilele de sticlă care focalizează un fascicul de lumină într-un microscop optic. Proba este plasată în interiorul coloanei printr-un sas de aer, pe calea fasciculului de electroni. O parte din electroni în momentul trecerii prin eșantion este împrăștiată în conformitate cu densitatea substanței în această zonă, restul electronilor sunt focalizați și formează o imagine (similar cu formarea unei imagini într-un microscop optic) pe o placă fotografică sau pe un ecran fosforescent.

Unul dintre cele mai mari dezavantaje ale microscopiei electronice este că probele biologice trebuie supuse unei procesări speciale. Mai întâi, ele sunt fixate mai întâi cu glutaraldehidă și apoi cu acid osmic, care leagă și stabilizează stratul dublu de lipide și proteine. În al doilea rând, electronii au putere de penetrare scăzută, așa că trebuie realizate secțiuni ultra-subțiri, iar pentru aceasta probele sunt deshidratate și impregnate cu rășini. În al treilea rând, pentru a spori contrastul, probele sunt tratate cu săruri de metale grele, cum ar fi osmiul, uraniul și plumbul.

Pentru a obține o imagine tridimensională a suprafeței se folosește microscop electronic cu scanare (SEM), care utilizează electroni împrăștiați sau emiși de suprafața probei. În acest caz, proba este fixată, uscată și acoperită cu o peliculă subțire de metal greu și apoi scanată cu un fascicul îngust de electroni. În acest caz, se estimează numărul de electroni împrăștiați în timpul iradierii suprafeței. Valoarea obținută este folosită pentru a controla intensitatea celui de-al doilea fascicul, care se mișcă sincron cu primul și formează o imagine pe ecranul monitorului. Rezoluția metodei este de aproximativ 10 nm și nu este aplicabilă pentru studierea organitelor intracelulare. Grosimea probelor studiate prin această metodă este determinată de capacitatea de penetrare a electronilor sau de energia lor.

Principalele și semnificative dezavantaje ale tuturor acestor metode sunt durata, complexitatea și costul ridicat al pregătirii probelor.

Microscopie cu sondă de scanare

Într-un microscop cu sondă de scanare (SPM), în loc de un fascicul de electroni sau de radiație optică, o sondă ascuțită, un ac, este utilizată pentru a scana suprafața probei. Figurat vorbind, putem spune că dacă o probă este examinată la microscop optic sau electronic, atunci într-un SPM se simte. Ca rezultat, este posibil să se obțină imagini tridimensionale ale obiectelor în diferite medii: vid, aer, lichid.

Proiectele speciale SPM, adaptate pentru cercetarea biologică, permit observarea optică simultană pentru a scana atât celulele vii în diverse medii lichide, cât și preparatele fixe în aer.

Microscop cu sondă de scanare

Numele unui microscop cu sondă de scanare reflectă principiul funcționării acestuia - scanarea suprafeței unei probe, în timpul căreia se efectuează o citire punct cu punct a gradului de interacțiune a sondei cu suprafața. Mărimea zonei de scanare și numărul de puncte din aceasta N X ·N Y pot fi specificate. Cu cât sunt specificate mai multe puncte, cu atât se obține o rezoluție mai mare a imaginii de suprafață. Distanța dintre punctele de citire a semnalului se numește pas de scanare. Etapa de scanare ar trebui să fie mai mică decât detaliile suprafeței studiate. Sonda se deplasează în timpul procesului de scanare (vezi Fig. 7 -1) liniar în direcțiile înainte și înapoi (în direcția de scanare rapidă), trecerea la următoarea linie se efectuează în direcția perpendiculară (în direcția de scanare lentă) .

Orez. 7 1. Reprezentarea schematică a procesului de scanare
(semnalul este citit în timpul cursei înainte a scanerului)

În funcție de natura semnalului citit, microscoapele de scanare au nume și scopuri diferite:

microscop de forță atomică (AFM), se citesc forțele de interacțiune interatomică dintre atomii sondei și atomii probei;

microscop tunel (STM), citește curentul tunel care curge între proba conducătoare și sonda conducătoare;

microscopul cu forță magnetică (MFM), se citesc forțele de interacțiune dintre o sondă acoperită cu material magnetic și o probă care detectează proprietăți magnetice;

Un microscop cu forță electrostatică (ESM) permite obținerea unei imagini a distribuției potențialului electric pe suprafața unei probe. Se folosesc sonde al căror vârf este acoperit cu o peliculă conductoare subțire (aur sau platină).

Design SPM

SPM constă din următoarele componente principale (Fig. 7 -2): o sondă, actuatoare piezoelectrice pentru a deplasa sonda în X, Y, Z pe suprafața probei studiate, un circuit de feedback și un computer pentru a controla scanarea proces și achiziție de imagini.

Figura 7 2. Diagrama unui microscop cu sondă de scanare

Senzor sonda – o componentă a unui microscop cu sondă de forță care scanează specimenul. Senzorul sondei conține un cantilever (consola cu arc) de tip dreptunghiular (în formă de I) sau triunghiulară (în formă de V) (Fig. 7 -3), la capătul căruia se află o sondă ascuțită (Fig. 7 -3) , având de obicei formă conică sau piramidală . Celălalt capăt al consolei este conectat la substrat (cu așa-numitul cip). Senzorii cu sondă sunt fabricați din siliciu sau nitrură de siliciu. Caracteristica principală a unei console este constanta de forță (constanta de rigiditate), aceasta variază de la 0,01 N/m la 1020 N/m. Pentru studiul obiectelor biologice se folosesc sonde „moale” cu o duritate de 0,01  0,06 N/m.

Orez. 7 3. Imagini ale senzorilor cu sondă AFM piramidală
obtinut cu ajutorul microscopului electronic:
a – tipul în formă de I, b – tipul în formă de V, c – piramidă la vârful consolei

Actuatoare piezoelectrice sau scanere - pentru mișcarea controlată a sondei peste eșantion sau proba în sine față de sondă la distanțe ultra-scurte. Actuatoarele piezoelectrice folosesc materiale piezoceramice care își schimbă dimensiunea atunci când li se aplică tensiune electrică. Procesul de modificare a parametrilor geometrici sub influența unui câmp electric se numește efect piezoelectric invers. Cel mai comun piezomaterial este titanatul de zirconat de plumb.

Scannerul este o structură piezoceramică care asigură mișcarea de-a lungul a trei coordonate: x, y (în planul lateral al probei) și z (vertical). Există mai multe tipuri de scanere, dintre care cele mai comune sunt scanerele cu trepied și tub (Figura 7-4).

Orez. 7 4. Design scaner: a) – trepied, b) – tubular

Într-un scaner cu trepied, mișcările de-a lungul a trei coordonate sunt asigurate de trei tije piezoceramice independente care formează o structură ortogonală.

Într-un scaner tubular, un tub piezoelectric gol se îndoaie în planurile XZ și ZY și se extinde sau se contractă de-a lungul axei Z atunci când electrozii care controlează mișcările tubului sunt aplicate tensiuni adecvate. Electrozii pentru controlul mișcării în planul XY sunt amplasați pe suprafața exterioară a tubului; pentru a controla mișcarea în Z, electrozii X și Y se aplică tensiuni egale.

Circuitul de feedback – un set de elemente SPM, cu ajutorul cărora, în timpul scanării, sonda este ținută la o distanță fixă ​​de suprafața probei (Fig. 7 -5). În timpul procesului de scanare, sonda poate fi amplasată pe zone ale suprafeței probei cu topografie diferită, în acest caz distanța sondă-probă Z se va modifica, iar magnitudinea interacțiunii vârf-probă se va modifica în consecință.

Orez. 7 5. Circuitul de feedback al microscopului cu sonda de scanare

Pe măsură ce sonda se apropie de suprafață, forțele de interacțiune sondă-probă cresc, iar semnalul de la dispozitivul de înregistrare crește, de asemenea V(t), care exprimată în unități de tensiune. Comparatorul compară semnalul V(t) cu tensiune de referinţă V de sprijinși generează un semnal de corecție V corespondent. Semnal de corectare V corespondent este alimentată la scaner și sonda este retrasă din probă. Tensiunea de referință este tensiunea corespunzătoare semnalului de la dispozitivul de înregistrare atunci când sonda se află la o distanță specificată de probă. Menținând această distanță specificată sondă-probă în timpul scanării, sistemul de feedback menține forța de interacțiune sondă-probă specificată.

Orez. 7 6. Traiectoria mișcării relative a sondei în timpul procesului de menținere a unei forțe constante de interacțiune vârf-probă de către sistemul de feedback

În fig. 7 -6 arată traiectoria sondei în raport cu probă menținând în același timp o forță constantă de interacțiune sondă-probă. Dacă sonda se află deasupra gropii, scanerului i se aplică o tensiune, ceea ce face ca scanerul să se extindă, coborând sonda.

Viteza de răspuns a circuitului de reacție la o modificare a distanței sondă-probă (interacțiunea sondă-probă) este determinată de constanta circuitului de reacție K. Valori K depind de caracteristicile de proiectare ale unui anumit SPM (design și caracteristici ale scanerului, electronică), modul de funcționare al SPM (dimensiunea zonei de scanare, viteza de scanare etc.), precum și de caracteristicile suprafeței studiate (scara caracteristicilor de relief, duritatea materialului etc.).

Tipuri de SPM

Microscop tunel de scanare

În STM, dispozitivul de înregistrare (Fig. 7 -7) măsoară curentul de tunel care curge între sonda metalică, care variază în funcție de potențialul de pe suprafața probei și de topografia suprafeței acesteia. Sonda este un ac ascuțit, raza de curbură a vârfului poate ajunge la câțiva nanometri. Metalele cu duritate mare și rezistență chimică sunt de obicei utilizate ca materiale pentru sonde: wolfram sau platină.

Orez. 7 7. Schema unui senzor de sondă tunel

Se aplică o tensiune între sonda conductivă și proba conductivă. Când vârful sondei este la aproximativ 10 A distanță de probă, electronii din probă încep să pătrundă prin spațiu în sondă sau invers, în funcție de semnul tensiunii (Fig. 7 - 8).

Orez. 7 8. Reprezentarea schematică a interacțiunii vârfului sondei cu proba

Curentul rezultat din tunel este măsurat de un dispozitiv de înregistrare. Marimea lui eu T proporţională cu tensiunea aplicată contactului tunelului Vși depinde exponențial de distanța de la ac la probă d.

Astfel, mici modificări ale distanței de la vârful sondei la probă d corespund unor modificări exponențial mari ale curentului tunelului eu T(presupunând tensiune V menţinut constant). Din acest motiv, sensibilitatea senzorului sondei tunel este suficientă pentru a detecta modificări de înălțime mai mici de 0,1 nm și, prin urmare, pentru a obține o imagine a atomilor de pe suprafața unui solid.

Microscop de forță atomică

Cel mai comun senzor cu sondă de interacțiune a forței atomice este un cantilever cu arc (din engleză cantilever - consolă) cu o sondă amplasată la capăt. Cantitatea de îndoire în consolă rezultată din interacțiunea forței dintre probă și sondă (Figura 7-9) este măsurată folosind un circuit de înregistrare optic.

Principiul de funcționare al senzorului de forță se bazează pe utilizarea forțelor atomice care acționează între atomii sondei și atomii probei. Atunci când forța sondei-probă se modifică, cantitatea de îndoire în consolă se modifică, iar această modificare este măsurată de sistemul de înregistrare optic. Astfel, un senzor de forță atomică este o sondă cu muchii ascuțite, cu o sensibilitate ridicată, ceea ce face posibilă înregistrarea forțelor de interacțiune între atomi individuali.

Pentru curburi mici, relația dintre forța sondă-probă Fși deformarea vârfului cantilever X este determinată de legea lui Hooke:

Unde k – constanta de forță (constanta de rigiditate) a consolei.

De exemplu, dacă se folosește o consolă cu o constantă k de ordinul 1 n/m, apoi sub acțiunea unei forțe de interacțiune vârf-eșantion de ordinul a 0,1 nanonewton, magnitudinea deformarii cantilever va fi de aproximativ 0,1 nm.

Pentru a măsura astfel de mișcări mici, se folosește de obicei un senzor de deplasare optică (Figura 7-9), format dintr-un laser semiconductor și o fotodiodă cu patru secțiuni. Când cantileverul este îndoit, fasciculul laser reflectat de acesta se mișcă în raport cu centrul fotodetectorului. Astfel, îndoirea consolei poate fi determinată de modificarea relativă a iluminării jumătăților superioare (T) și inferioare (B) ale fotodetectorului.

Figura 7 9. Diagrama senzorului de putere

Dependența forțelor de interacțiune sondă-probă de distanța sondă-probă

Când sonda se apropie de eșantion, aceasta este mai întâi atrasă la suprafață datorită prezenței forțelor atractive (forțe van der Waals). Pe măsură ce sonda se apropie de probă în continuare, învelișurile de electroni ale atomilor de la capătul sondei și atomii de pe suprafața probei încep să se suprapună, ceea ce duce la apariția unei forțe de respingere. Pe măsură ce distanța scade și mai mult, forța de respingere devine dominantă.

În general, dependența puterii interacțiunii interatomice F pe distanța dintre atomi R are forma:

.

constante AȘi bși exponenți mȘi n depind de tipul de atomi și de tipul de legături chimice. Pentru forțele van der Waals m=7 și n=3. Calitativ, dependența F(R) este prezentată în Fig. 7 -10.

Orez. 7 10. Dependența forței de interacțiune dintre atomi de distanță

Format de date SPM, vizualizarea datelor SPM

Datele despre morfologia suprafeței obținute în timpul examinării cu un microscop optic sunt prezentate sub forma unei imagini mărite a unei suprafețe. Informația obținută cu ajutorul SPM este scrisă sub forma unui tablou bidimensional de numere întregi A ij . Fiecare valoare ij corespunde unui punct de suprafață specific din câmpul de scanare. Reprezentarea grafică a acestei matrice de numere se numește imagine scanată SPM.

Imaginile scanate pot fi fie bidimensionale (2D), fie tridimensionale (3D). Cu vizualizarea 2D, fiecare punct de suprafață Z= f(X y) i se atribuie un anumit ton de culoare în conformitate cu înălțimea punctului de suprafață (Fig. 7 -11 a). Cu vizualizare 3D, imaginea de suprafață Z= f(X y) este construit într-o perspectivă axonometrică utilizând un anumit mod de pixeli sau linii de relief calculate. Cea mai eficientă modalitate de a colora imaginile 3D este de a simula condițiile de iluminare a suprafeței cu o sursă punctiformă situată într-un punct din spațiu deasupra suprafeței (Fig. 7 -11 b). În același timp, este posibil să se sublinieze mici trăsături individuale ale reliefului.

Orez. 7 11. Limfocite din sângele uman:
a) Imagine 2D, b) Imagine 3D cu iluminare laterală

Pregătirea probelor pentru examinarea SPM

Morfologia și structura celulelor bacteriene

Bacteriile sunt microorganisme unicelulare care au o formă diversă și o structură complexă, ceea ce determină diversitatea activităților lor funcționale. Bacteriile se caracterizează prin patru forme principale: sferice (sferice), cilindrice (în formă de tijă), contorte și filamentoase [Ref. 7 -2].

Cocci (bacterii sferice) - în funcție de planul de diviziune și de locația indivizilor, aceștia sunt împărțiți în micrococi (coci separați), diplococi (coci perechi), streptococi (lanțuri de coci), stafilococi (în formă de struguri), tetracoci ( formațiuni de patru coci) și sarcina (pachete de 8 sau 16 coci).

În formă de tijă - bacteriile sunt localizate sub formă de celule unice, diplo- sau streptobacterii.

Răsucit - vibrioni, spirilla și spirochete. Vibrionii au aspect de tije usor curbate, spirilla au o forma contorta cu mai multe bucle spiralate.

Dimensiunile bacteriilor variază de la 0,1 la 10 microni. Compoziția unei celule bacteriene include o capsulă, perete celular, membrană citoplasmatică și citoplasmă. Citoplasma conține nucleotide, ribozomi și incluziuni. Unele bacterii sunt echipate cu flageli și vilozități. O serie de bacterii formează spori. Depășind dimensiunea transversală inițială a celulei, sporii îi conferă o formă în formă de fus.

Pentru a studia morfologia bacteriilor la microscop optic, din ele se prepară preparate native (intravitale) sau frotiuri fixe colorate cu colorant de anilină. Există metode speciale de colorare pentru identificarea flagelilor, a pereților celulari, a nucleotidelor și a diferitelor incluziuni citoplasmatice.

Examinarea SPM a morfologiei celulelor bacteriene nu necesită colorarea preparatului. SPM permite determinarea formei și dimensiunii bacteriilor cu un grad ridicat de rezoluție. Cu pregătirea atentă a medicamentului și utilizarea unei sonde cu o rază mică de curbură, este posibilă identificarea flagelilor. În același timp, datorită rigidității mari a peretelui celular bacterian, este imposibil să „sondezi” structurile intracelulare, așa cum se poate face în unele celule animale.

Pregătirea preparatelor pentru studiul SPM al morfologiei

Pentru prima experiență de lucru cu SPM, se recomandă alegerea unui preparat biologic care nu necesită o pregătire complexă. Bacteriile lactice ușor accesibile și nepatogene din saramură de varză murată sau produse din lapte fermentat sunt destul de potrivite.

Pentru cercetarea SPM în aer, este necesar să se fixeze ferm obiectul studiat pe suprafața substratului, de exemplu, pe o sticlă de acoperire. În plus, densitatea bacteriilor din suspensie ar trebui să fie astfel încât celulele să nu se lipească împreună atunci când sunt depuse pe substrat, iar distanța dintre ele nu trebuie să fie prea mare, astfel încât în ​​timpul scanării să fie posibilă preluarea mai multor obiecte într-un singur cadru. . Aceste condiții sunt îndeplinite dacă modul de preparare a probei este ales corect. Dacă aplicați o picătură dintr-o soluție care conține bacterii pe un substrat, va avea loc depunerea și aderența treptată a acestora. Parametrii principali ar trebui luați în considerare concentrația celulelor în soluție și timpul de sedimentare. Concentrația bacteriilor din suspensie este determinată folosind un standard de turbiditate optică.

În cazul nostru, un singur parametru va juca un rol - timpul de incubație. Cu cât picătura este lăsată mai mult pe sticlă, cu atât este mai mare densitatea celulelor bacteriene. În același timp, dacă o picătură de lichid începe să se usuce, preparatul va fi prea puternic contaminat de componentele precipitate ale soluției. O picătură dintr-o soluție care conține celule bacteriene (saramură) se aplică pe un pahar de acoperire și se lasă timp de 5-60 de minute (în funcție de compoziția soluției). Apoi, fără să așteptați ca picătura să se usuce, clătiți bine cu apă distilată (înmuiând preparatul într-un pahar cu penseta de mai multe ori). După uscare, preparatul este gata pentru măsurare folosind un SPM.

De exemplu, am preparat preparate din bacterii lactice din saramură de varză murată. Timpul de menținere a unei picături de saramură pe capacul de sticlă a fost ales să fie de 5 minute, 20 de minute și 1 oră (picătura începuse deja să se usuce). Cadrele SPM sunt prezentate în Fig. 7 -12, Fig. 7 -13,
Orez. 7 -14.

Din cifre este clar că pentru această soluție timpul optim de incubare este de 510 minute. Creșterea timpului de păstrare a picăturii pe suprafața substratului duce la aderarea celulelor bacteriene. Când o picătură de soluție începe să se usuce, componentele soluției se depun pe sticlă și nu pot fi spălate.

Orez. 7 12. Imagini cu bacterii lactice pe o sticlă de acoperire,
obtinut folosind SPM.

Orez. 7 13. Imagini cu bacterii lactice pe o sticlă de acoperire,
obtinut folosind SPM. Timp de incubare a soluției 20 min

Orez. 7 14. Imagini cu bacterii lactice pe o sticlă de acoperire,
obtinut folosind SPM. Timp de incubare a soluției 1 oră

Folosind unul dintre preparatele selectate (Fig. 7-12), am încercat să luăm în considerare ce sunt bacteriile lactice și ce formă este tipică pentru ele în acest caz. (Fig. 7 -15)

Orez. 7 15. Imagine AFM a bacteriilor de acid lactic pe o sticlă de acoperire.
Timp de incubare a soluției 5 min

Orez. 7 16. Imagine AFM a unui lanț de bacterii de acid lactic pe o sticlă de acoperire.
Timp de incubare a soluției 5 min

Saramura se caracterizează prin faptul că bacteriile sunt în formă de tijă și sunt dispuse în lanț.

Orez. 7 17. Fereastra programului de control pentru NanoEducator SPM educațional.
Bara de instrumente

Folosind instrumentele programului educațional SPM NanoEducator, am determinat dimensiunile celulelor bacteriene. Acestea au variat de la aproximativ 0,5 × 1,6 µm
până la 0,8 × 3,5 µm.

Rezultatele obținute sunt comparate cu datele date în determinantul bacteriei lui Bergey [Lit. 7 -3].

Bacteriile de acid lactic sunt clasificate ca lactobacili (Lactobacillus). Celulele au aspect de bastonașe, de obicei de formă regulată. Tijele sunt lungi, uneori aproape cocoide, de obicei în lanțuri scurte. Dimensiuni 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 microni. Ele nu formează o dispută; în cazuri rare, sunt mobile din cauza flagelilor peritrichiali. Distribuit pe scară largă în mediul înconjurător, mai ales frecvent în produsele alimentare de origine animală și vegetală. Bacteriile lactice fac parte din microflora normală a tractului digestiv. Toată lumea știe că varza murată, pe lângă faptul că conține vitamine, este utilă pentru îmbunătățirea microflorei intestinale.

Proiectarea unui microscop cu sondă de scanare Nanoeducator

În fig. 7 -18 arată aspectul capului de măsurare SPM NanoEducator si sunt indicate principalele elemente ale aparatului folosit in timpul functionarii.

Orez. 7 18. Aspectul capului de măsurare NanoEducator SPM
1- bază, 2- suport de probă, 3- senzor de interacțiune, 4- șurub de fixare a senzorului,
5-șuruburi pentru introducere manuală, 6-șuruburi pentru deplasarea scanerului cu proba în plan orizontal, 7-capac de protecție cu cameră video

În fig. 7 -19 arată proiectarea capului de măsurare. Pe baza 1 se află un scanner 8 cu un suport de probă 7 și un mecanism pentru alimentarea probei la sonda 2 pe baza unui motor pas cu pas. În educație SPM NanoEducator proba este atașată la scaner, iar proba este scanată în raport cu o sondă staționară. Sonda 6, montată pe senzorul de interacțiune a forței 4, poate fi, de asemenea, adusă la probă folosind șurubul de alimentare manual 3. Selectarea preliminară a locului de studiu pe eșantion se realizează cu ajutorul șurubului 9.

Orez. 7 19. Proiectarea SPM NanoEducator: 1 – bază, 2 – mecanism de alimentare,
3 – șurub de alimentare manuală, 4 – senzor de interacțiune, 5 – șurub de fixare a senzorului, 6 – sondă,
7 – suport pentru mostre, 8 – scaner, 9, 10 – șuruburi pentru deplasarea scanerului cu proba

Instruire SPM NanoEducator constă dintr-un cap de măsurare, un controler SPM și un computer de control conectat prin cabluri. Microscopul este echipat cu o cameră video. Semnalul de la senzorul de interacțiune, după conversia în preamplificator, intră în controlerul SPM. Managementul muncii SPM NanoEducator efectuate de la calculator prin controlerul SPM.

Senzor de interacțiune de forță și sondă

În aparat Nanoeducator senzorul este realizat sub forma unui tub piezoceramic cu o lungime l=7 mm, diametru d=1,2 mm și grosimea peretelui h=0,25 mm, fixat rigid la un capăt. Un electrod conductiv este aplicat pe suprafața interioară a tubului. Pe suprafața exterioară a tubului sunt aplicați doi electrozi semicilindrici izolați electric. Un fir de wolfram cu un diametru de
100 µm (Fig. 7 -20).

Orez. 7 20. Proiectarea senzorului universal al dispozitivului NanoEducator

Capătul liber al firului folosit ca sondă este ascuțit electrochimic, raza de curbură este de 0,2  0,05 µm. Sonda are contact electric cu electrodul intern al tubului, conectat la corpul împământat al dispozitivului.

Prezența a doi electrozi externi pe tubul piezoelectric permite ca o parte a tubului piezoelectric (superior, în conformitate cu Fig. 7 -21) să fie utilizată ca senzor de interacțiune a forței (senzor de vibrații mecanice), iar cealaltă parte să fie utilizată ca un vibrator piezo. Piezovibratorul este furnizat o tensiune electrică alternativă cu o frecvență egală cu frecvența de rezonanță a senzorului de forță. Amplitudinea oscilațiilor la o distanță mare sondă-probă este maximă. După cum se poate observa din fig. 7 -22, în timpul procesului de oscilații, sonda se abate de la poziția sa de echilibru cu o cantitate A o egală cu amplitudinea oscilațiilor sale mecanice forțate (este fracțiuni de micrometru), în timp ce pe partea a doua apare o tensiune electrică alternativă. a tubului piezo (senzor de oscilație), proporțional cu deplasarea sondei, care și este măsurată de dispozitiv.

Pe măsură ce sonda se apropie de suprafața probei, sonda începe să atingă proba în timpul oscilației. Aceasta conduce la o schimbare a răspunsului amplitudine-frecvență (AFC) al oscilațiilor senzorului spre stânga în comparație cu AFC măsurată departe de suprafață (Fig. 7-22). Deoarece frecvența oscilațiilor de forțare ale piezotubului se menține constantă și egală cu frecvența de oscilație  o în stare liberă, atunci când sonda se apropie de suprafață, amplitudinea oscilațiilor sale scade și devine egală cu A. Această amplitudine de oscilație se înregistrează. din partea a doua a piezotubului.

Orez. 7 21. Principiul de funcționare al unui tub piezoelectric
ca senzor de interacțiune a forței

Orez. 7 22. Modificarea frecvenței de oscilație a senzorului de forță
când se apropie de suprafața probei

Scanner

Metoda de organizare a micro-mișcărilor utilizată în dispozitiv Nanoeducator, se bazează pe utilizarea unei membrane metalice prinse în jurul perimetrului, pe suprafața căreia se lipește o placă piezoelectrică (Fig. 7 -23 a). Modificarea dimensiunilor plăcii piezoelectrice sub influența tensiunii de control va duce la îndoirea membranei. Prin plasarea unor astfel de membrane pe trei laturi perpendiculare ale cubului și conectarea centrelor acestora cu împingătoare metalice, puteți obține un scanner cu 3 coordonate (Fig. 7 -23 b).

Orez. 7 23. Principiul de funcționare (a) și design (b) al scanerului dispozitivului NanoEducator

Fiecare element piezoelectric 1, atașat pe fețele cubului 2, atunci când i se aplică tensiune electrică, poate deplasa împingătorul 3 atașat de el într-una din cele trei direcții reciproc perpendiculare - X, Y sau Z. După cum se poate vedea din figură, toate cele trei împingătoare sunt conectate la un punct 4 Cu o oarecare aproximare, putem considera că acest punct se mișcă de-a lungul a trei coordonate X, Y, Z. În același punct este atașat un suport 5 cu un suport de probă 6. Astfel, proba se deplasează de-a lungul a trei coordonate sub influența a trei surse independente de tensiune. În dispozitive Nanoeducator mișcarea maximă a probei este de aproximativ 5070 µm, ceea ce determină aria maximă de scanare.

Mecanism pentru apropierea automată a sondei de probă (captură de feedback)

Intervalul de mișcare a scanerului de-a lungul axei Z este de aproximativ 10 μm, așa că înainte de scanare este necesar să aduceți sonda mai aproape de probă la această distanță. Mecanismul de alimentare este proiectat în acest scop, a cărui diagramă este prezentată în Fig. 7 -19. Motorul pas cu pas 1, atunci când i se aplică impulsuri electrice, rotește șurubul de alimentare 2 și mișcă bara 3 cu sonda 4, apropiindu-l sau mai departe de proba 5 montată pe scanerul 6. Dimensiunea unei trepte este de aproximativ 2 μm.

Orez. 7 24. Schema mecanismului de aducere a sondei la suprafața probei

Deoarece pasul mecanismului de apropiere depășește în mod semnificativ distanța necesară sondă-probă în timpul procesului de scanare, pentru a evita deformarea sondei, apropierea acesteia se efectuează în timp ce motorul pas cu pas funcționează și scanerul se deplasează de-a lungul axei Z conform la următorul algoritm:

1. Sistemul de feedback este oprit și scanerul „se retrage”, adică coboară proba în poziția extremă cea mai joasă.

2. Mecanismul de apropiere a sondei face un pas și se oprește.

3. Sistemul de feedback pornește, iar scanerul ridică ușor proba, analizând simultan prezența interacțiunii vârf-probă.

4. Dacă nu există nicio interacțiune, procesul se repetă de la pasul 1.

Dacă apare un semnal diferit de zero în timp ce scanerul este tras în sus, sistemul de feedback va opri mișcarea ascendentă a scanerului și va fixa nivelul de interacțiune la un anumit nivel. Mărimea interacțiunii forței la care alimentarea sondei se va opri și procesul de scanare va avea loc în dispozitiv Nanoeducator caracterizat prin parametru Suprimarea amplitudinii (AmplitudineSuprimarea) :

A=A o . (1- Suprimarea amplitudinii)

Obținerea unei imagini SPM

După apelarea programului Nanoeducator Pe ecranul computerului apare fereastra principală a programului (Fig. 7 -20). Lucrarea ar trebui să înceapă de la elementul de meniu Fişierși selectați-l Deschis sau Nou sau butoanele corespunzătoare din bara de instrumente (, ).

Selectarea echipei Fişier Nouînseamnă trecerea la efectuarea măsurătorilor SPM și selectarea comenzii Fişier Deschisînseamnă trecerea la vizualizarea și procesarea datelor primite anterior. Programul vă permite să vizualizați și să procesați datele în paralel cu măsurătorile.

Orez. 7 25. Fereastra principală a programului NanoEducator

După executarea comenzii Fişier Nou Pe ecran apare o casetă de dialog, care vă permite să selectați sau să creați un folder de lucru în care rezultatele măsurătorii curente vor fi scrise implicit. În timpul procesului de măsurare, toate datele primite sunt înregistrate secvenţial în fişierele numite ScanData+i.spm, unde index i resetează la zero când programul începe și crește cu fiecare măsurătoare nouă. Fișiere ScanData+i.spm plasat în folderul de lucru, care este instalat înainte de începerea măsurătorilor. Este posibil să selectați un folder de lucru diferit în timpul măsurătorilor. Pentru a face acest lucru, trebuie să apăsați butonul , situat pe bara de instrumente a ferestrei principale a programului și selectați elementul de meniu Schimbați folderul de lucru.

Pentru a salva rezultatele măsurătorii curente, trebuie să apăsați butonul Salvează caîn fereastra de scanare din caseta de dialog care apare, selectați un folder și specificați numele fișierului și fișierul ScanData+i.spm, care servește ca fișier de stocare temporară a datelor în timpul efectuării măsurătorilor, va fi redenumit cu numele de fișier pe care îl specificați. În mod implicit, fișierul va fi salvat în folderul de lucru alocat înainte de începerea măsurătorilor. Dacă nu efectuați operația de salvare a rezultatelor măsurătorilor, atunci data viitoare când începeți programul, rezultatele vor fi înregistrate în fișiere temporare. ScanData+i.spm, va fi suprascris secvenţial (cu excepţia cazului în care folderul de lucru este schimbat). Un avertisment despre prezența fișierelor temporare de rezultate de măsurare în folderul de lucru este emis înainte de închidere și după pornirea programului. Schimbarea folderului de lucru înainte de a începe măsurătorile vă permite să protejați rezultatele experimentului anterior împotriva ștergerii. Nume standard ScanData poate fi schimbat setându-l în fereastra de selectare a folderului de lucru. Fereastra pentru selectarea unui folder de lucru este deschisă atunci când apăsați butonul , situat pe bara de instrumente a ferestrei principale a programului. De asemenea, puteți salva rezultatele măsurătorilor în fereastră Scanați browserul, selectând fișierele necesare unul câte unul și salvându-le în folderul selectat.

Este posibil să exportați rezultatele obținute folosind dispozitivul NanoEducator în format ASCII și format Nova (NTMDT), care pot fi importate prin programul NT MDT Nova, Analiza imaginii și alte programe. Imaginile scanărilor, datele secțiunilor acestora și rezultatele măsurătorilor spectroscopiei sunt exportate în format ASCII. Pentru a exporta date, faceți clic pe butonul Export situat în bara de instrumente a ferestrei principale a programului sau selectați Exportîn elementul de meniu Fişier această fereastră și selectați formatul de export corespunzător. Datele pentru procesare și analiză pot fi trimise imediat către programul de analiză a imaginii pre-lansat.

După închiderea ferestrei de dialog, pe ecran apare panoul de control al instrumentului.
(Fig. 7 -26).

Orez. 7 26. Panoul de control al dispozitivului

În partea stângă a panoului de control al instrumentului există butoane pentru selectarea configurației SPM:

SSM- microscop cu forță de scanare (SFM)

STM– microscop cu scanare tunel (STM).

Efectuarea măsurătorilor pe SPM de formare NanoEducator constă în efectuarea următoarelor operații:

1. Exemplu de instalare

ATENŢIE! Înainte de a instala proba, este necesar să îndepărtați senzorul și sonda pentru a evita deteriorarea sondei.

Există două moduri de a atașa eșantionul:

pe o treaptă magnetică (în acest caz, proba trebuie atașată la un substrat magnetic);

pe bandă adezivă cu două fețe.

ATENŢIE! Pentru a instala o probă pe bandă adezivă cu două fețe, trebuie să deșurubați suportul de pe suport (pentru a nu deteriora scanerul), apoi să îl înșurubați înapoi până când se oprește ușor.

În cazul prinderii magnetice, proba poate fi înlocuită fără a deșuruba suportul pentru probă.

2. Instalarea senzorului sondei

ATENŢIE! Instalați întotdeauna senzorul cu sondă după instalarea probei.

După ce ați selectat senzorul sondei dorit (prindeți senzorul de marginile metalice ale bazei) (vezi Fig. 7 -27), slăbiți șurubul care fixează senzorul sondei 2 pe capacul capului de măsurare, introduceți senzorul în mufa suport. până când se oprește, înșurubați șurubul de fixare în sensul acelor de ceasornic până se oprește ușor.

Orez. 7 27. Instalarea senzorului sondei

3. Selectarea locației de scanare

Când selectați o zonă de studiat pe o probă, utilizați șuruburile mobile ale etapei cu două coordonate situate în partea de jos a dispozitivului.

4. Abordarea preliminară a sondei de probă

Operația de apropiere preliminară nu este obligatorie pentru fiecare măsurătoare; necesitatea efectuării acesteia depinde de distanța dintre probă și vârful sondei. Este recomandabil să se efectueze operația de apropiere preliminară dacă distanța dintre vârful sondei și suprafața probei depășește 0,51 mm. Când se utilizează abordarea automată a sondei de probă de la o distanță mare dintre ele, procesul de abordare va dura foarte mult.

Utilizați șurubul manual pentru a coborî sonda, verificând vizual distanța dintre aceasta și suprafața probei.

5. Trasarea unei curbe de rezonanță și setarea frecvenței de operare

Această operație trebuie efectuată la începutul fiecărei măsurători și, până la efectuarea acesteia, trecerea la etapele ulterioare de măsurători este blocată. În plus, în timpul procesului de măsurare, uneori apar situații care necesită repetarea acestei operațiuni (de exemplu, când se pierde contactul).

Fereastra de căutare a rezonanței este accesată prin apăsarea butonului de pe panoul de comandă al instrumentului. Această operație presupune măsurarea amplitudinii oscilațiilor sondei atunci când se modifică frecvența oscilațiilor forțate stabilite de generator. Pentru a face acest lucru, trebuie să apăsați butonul ALERGA(Fig. 7 -28).

Orez. 7 28. Fereastra pentru căutarea rezonanței și setarea frecvenței de operare:
a) – modul automat, b) – modul manual

În modul Auto Frecvența generatorului este setată automat egală cu frecvența la care a fost observată amplitudinea maximă a oscilațiilor sondei. Un grafic care arată modificarea amplitudinii vibrațiilor sondei într-un interval de frecvență dat (Fig. 7 -28a) vă permite să observați forma vârfului rezonant. Dacă vârful de rezonanță nu este suficient de pronunțat sau amplitudinea la frecvența de rezonanță este mică ( mai putin de 1V), atunci este necesară modificarea parametrilor de măsurare și redeterminarea frecvenței de rezonanță.

Modul este conceput pentru aceasta Manual. Când selectați acest mod în fereastră Determinarea frecvenței de rezonanță apare un panou suplimentar
(Fig. 7 -28b), care vă permite să reglați următorii parametri:

Tensiunea de antrenare a sondei, setat de generator. Se recomandă setarea acestei valori la minim (până la zero) și nu mai mult de 50 mV.

Câștig de amplitudine ( Câștig de amplitudine). Dacă amplitudinea oscilației sondei este insuficientă (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Câștig de amplitudine.

Pentru a începe operația de căutare a rezonanței, trebuie să apăsați butonul start.

Modul Manual vă permite să modificați manual frecvența selectată prin deplasarea cursorului verde pe grafic cu ajutorul mouse-ului, precum și să clarificați natura modificării amplitudinii oscilațiilor într-un interval restrâns de valori în jurul frecvenței selectate (pentru aceasta trebuie să setați comutatorul Mod manual a pozitiona Exactși apăsați butonul start).

6. Captura interacțiunii

Pentru a capta interacțiunea, se realizează o abordare controlată a vârfului și a probei folosind un mecanism de abordare automată. Fereastra de control pentru această procedură este accesată prin apăsarea butonului de pe panoul de control al instrumentului. Când lucrați cu SCM, acest buton devine disponibil după efectuarea operației de căutare și setarea frecvenței de rezonanță. Fereastră SSM, Aprovizionare(Fig. 7 -29) conține controale pentru abordarea sondei, precum și indicații ale parametrilor care vă permit să analizați progresul procedurii.

Orez. 7 29. Fereastra de apropiere a sondei

La fereastră Livra utilizatorul are posibilitatea de a observa următoarele cantități:

prin extinderea scanerului ( ScannerZ) de-a lungul axei Z în raport cu maximul posibil, luat ca unitate. Cantitatea de alungire relativă a scanerului este caracterizată de nivelul de umplere a indicatorului din stânga cu o culoare corespunzătoare zonei în care se află în prezent scanerul: verde - zona de lucru, albastru - în afara zonei de lucru, roșu - scanerul s-a apropiat prea mult de suprafața probei, ceea ce poate duce la deformarea sondei. În acest din urmă caz, programul emite un avertisment sonor;

amplitudinea oscilației sondei raportat la amplitudinea oscilațiilor sale în absența interacțiunii forțelor, luate ca unitate. Amplitudinea relativă a oscilațiilor sondei este afișată în indicatorul din dreapta prin nivelul său de umplere visiniu. Marcaj orizontal pe indicator Amplitudinea oscilației sondei indică un nivel, la trecere prin care se analizează starea scanerului și este adus automat în poziție de lucru;

numărul de pași ( SHda), parcurs într-o direcție dată: Apropiere - apropiere, Retragere - îndepărtare.

Înainte de a începe procesul de coborâre a sondei, trebuie să:

Verificați dacă parametrii de apropiere sunt setați corect:

Câștig de feedback Întărirea sistemului de operare setat la valoare 3 ,

Asigurați-vă că parametrul Suprimareaamplitudine (putere) are o magnitudine de aproximativ 0,2 (vezi Fig. 7 -29). În caz contrar, apăsați butonul Forta iar în fereastră Setarea parametrilor de interacțiune (Fig. 7 -30) valoarea stabilită Suprimareaamplitudini egal 0.2. Pentru o intrare mai delicată, valoarea parametrului Suprimareaamplitudini poate mai putin .

Verificați dacă setările sunt corecte în fereastra de parametri Opțiuni, pagina Parametrii de abordare.

Dacă există sau nu interacțiune poate fi determinat de indicatorul din stânga ScannerZ. Extensie completă a scanerului (întregul indicator ScannerZ vopsit în albastru), precum și un indicator complet vopsit în visiniu Amplitudinea oscilației sondei(Figura 7 -29) nu indică nicio interacțiune. După căutarea rezonanței și setarea frecvenței de operare, amplitudinea oscilațiilor libere ale sondei este luată ca unitate.

Dacă scanerul nu este complet extins înainte sau în timpul apropierii, sau programul afișează mesajul: „Eroare! Sonda prea aproape de probă. Verificați parametrii de conectare sau ansamblul fizic. Dacă doriți să vă mutați într-un loc sigur”, se recomandă întreruperea procedurii de apropiere și:

A. modificați unul dintre parametrii:

crește amploarea interacțiunii, parametru Suprimareaamplitudini, sau

creste valoarea Întărirea sistemului de operare, sau

măriți timpul de întârziere dintre pașii de apropiere (parametrul Timp de integrare Pe pagina Parametrii de abordare fereastră Opțiuni).

b. măriți distanța dintre vârful sondei și probă (pentru a face acest lucru, urmați pașii descriși în paragraf și efectuați operația Rezonanţă, apoi reveniți la procedură Livra.

Orez. 7 30. Fereastra pentru setarea cantității de interacțiune dintre sondă și probă

După capturarea unei interacțiuni, mesajul „ Aprovizionarea este finalizată”.

Dacă trebuie să vă apropiați cu un pas, apăsați butonul. În acest caz, mai întâi se execută pasul și apoi se verifică criteriile de captare a interacțiunii. Pentru a opri mișcarea, apăsați butonul. Pentru a efectua o operație de retragere, trebuie să apăsați butonul de retragere rapidă

sau apăsați butonul pentru retragere lentă. Dacă trebuie să vă retrageți un pas, apăsați butonul. În acest caz, mai întâi se execută pasul, apoi se verifică criteriile de captare a interacțiunii

7. Scanați

După finalizarea procedurii de apropiere ( Livra) și capturați interacțiunea, scanarea devine disponibilă (butonul din fereastra panoului de control al instrumentului).

Făcând clic pe acest buton (fereastra de scanare este prezentată în Fig. 7 -31), utilizatorul trece direct la efectuarea măsurătorilor și obținerea rezultatelor măsurătorilor.

Înainte de a efectua procesul de scanare, trebuie să setați parametrii de scanare. Aceste opțiuni sunt grupate în partea dreaptă a panoului de sus al ferestrei. Scanare.

Prima dată după pornirea programului, acestea sunt instalate implicit:

Zona de scanare - regiune (Xnm*Ynm): 5000*5000 nm;

Suma de punctemăsurători ale axelor- X Y: NX=100, NY=100;

Calea de scanare - Direcţie determină direcția de scanare. Programul vă permite să selectați direcția axei de scanare rapidă (X sau Y). Când porniți programul, acesta este instalat Direcţie

După setarea parametrilor de scanare, trebuie să apăsați butonul aplica pentru a confirma parametrii introdusi si butonul start pentru a începe scanarea.

Orez. 7 31. Fereastra pentru controlul procesului și afișarea rezultatelor scanării SCM

7.4.Instrucţiuni metodologice

Înainte de a începe să lucrați la microscopul cu sondă de scanare NanoEducator, ar trebui să studiați manualul de utilizare al dispozitivului [Ref. 7 -4].

7.5.Siguranță

Aparatul este alimentat de o tensiune de 220 V. Microscopul cu sondă de scanare NanoEducator este operat în conformitate cu PTE și PTB ale instalațiilor electrice de consum cu tensiuni de până la 1000 V.

7.6.Sarcina

1. Pregătiți-vă propriile probe biologice pentru studiile SPM.

2. Studiați în practică designul general al dispozitivului NanoEducator.

3. Familiarizați-vă cu programul de control al dispozitivului NanoEducator.

4. Luați prima imagine SPM sub supravegherea unui profesor.

5. Procesați și analizați imaginea rezultată. Ce forme de bacterii sunt tipice pentru soluția dvs.? Ce determină forma și dimensiunea celulelor bacteriene?

6. Luați determinantul de bacterii Bergey și comparați rezultatele obținute cu cele descrise acolo.

7.7.Întrebări de securitate

1. Ce metode există pentru studiul obiectelor biologice?

2. Ce este microscopia cu sondă de scanare? Ce principiu stă la baza ei?

3. Numiți principalele componente ale SPM și scopul lor.

4. Ce este efectul piezoelectric și cum este utilizat în SPM. Descrieți diferitele modele de scanere.

5. Descrieți designul general al NanoEducator.

6. Descrieți senzorul de forță și principiul său de funcționare.

7. Descrieți mecanismul de aducere a sondei la probă în dispozitivul NanoEducator. Explicați parametrii care determină forța de interacțiune dintre sondă și probă.

8. Explicați principiul scanării și funcționarea sistemului de feedback. Spuneți-ne despre criteriile de alegere a parametrilor de scanare.

7.8.Literatura

Lit. 7 1. Paul de Cruy. Vânători de microbi. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Ghid pentru orele practice de microbiologie. Editat de Egorova N.S. M.: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Identificator al bacteriei Bergey. M.:Mir, 1997. T. nr. 2. P. 574.

Lit. 7 4. Manual de utilizare a dispozitivului Nanoeducator.obiecte. Nijni Novgorod. Centrul științific și educațional...

Note de curs pentru cursul „Scanning probe microscopy in biology” Plan de curs

Abstract

... Scanaresondămicroscopieîn biologie" Plan de curs: Introducere, istoria SPM. limite aplicatii... și nanostructuri, cercetarebiologicobiecte: laureatii Nobel... Pentrucercetare eșantion specific: B scanaresondămicroscopiePentru ...

Programul preliminar al celei de-a xxiii conferințe rusești de microscopie electronică 1 iunie marți dimineața 10 00 – 14 00 deschiderea conferinței declarații introductive

Program

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Aplicațiesondăși confocale scanaremicroscopiePentrucercetare procese de reparare folosind grefe nanodispersate...

Conferința științifică a 1-a întreg rusă. Metode pentru studiul compoziției și structurii materialelor funcționale

Document

MULTI-ELEMENT OBIECTE FĂRĂ STANDARDE... Lyakhov N.Z. CERCETARE NANOCOMPOZITE BIOLOGIC ACTIV... Aliev V.Sh. APLICARE METODĂ SONDĂMICROSCOPIIPENTRUCERCETARE EFECT... SCANĂ CALORIMETRIE SI CURENTI TERMOSTIMULATI PENTRUCERCETARE ...

Ideea de a obține imagini de super-înaltă rezoluție ale suprafeței unei probe folosind o sondă ascuțită a fost propusă pentru prima dată în 1966 și implementată în 1972 de Russell Young, care a fost implicat în fizica suprafeței. O diagramă a instalării lui Young este prezentată în figură. Proba conductivă studiată este fixată pe un mecanism de abordare brută bazat pe un microșurub diferențial. Proba este adusă la un ac ascuțit de tungsten montat pe un scaner XYZ de precizie cu o unitate piezo. Diferența de potențial aplicată între acul sondei și probă provoacă emisia de electroni, care este înregistrată de dispozitiv. Mecanismul de feedback menține un curent de emisie constant prin schimbarea poziției coordonatei Z a sondei (adică, distanța dintre sondă și suprafață). Înregistrarea semnalului de feedback pe un recorder sau un osciloscop vă permite să restabiliți topografia suprafeței.

Deși rezoluția spațială a instrumentului lui Yang în planul eșantionului nu a depășit rezoluția unui microscop optic convențional, instalația a avut toate trăsăturile caracteristice ale unui SPM și a făcut posibilă distingerea straturilor atomice de pe eșantion.

Câțiva ani mai târziu, la sfârșitul anilor '70, fizicienii Gerd Binnig și Heinrich Rohrer de la Laboratorul de Cercetare IBM din Zurich au început să dezvolte ceea ce avea să devină primul microscop cu scanare tunel. Având o vastă experiență în microscopia electronică și cercetarea efectului de tunel, au venit cu ideea de a crea o instalație similară Topografinerului Young.

Dar în loc de un curent de emisie, au folosit un curent cu efect de tunel, care a făcut posibilă creșterea rezoluției dispozitivului cu ordine de mărime. Au fost obținute multe imagini cu rezoluție atomică, iar îmbunătățirile ulterioare ale instrumentului au condus la crearea multor alte tipuri de SPM. În 1986, Binnig și Rohrer au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru crearea microscopului de scanare tunel. Istoria creării primului STM poate fi învățată din discursul lui Binnig pentru Nobel
Odată cu îmbunătățirea ulterioară a instalațiilor, cercetătorii au învățat nu numai să măsoare topografia suprafeței, ci și să manipuleze atomii individuali! Importanța acestui eveniment este comparabilă cu lansarea primului satelit artificial pe orbita Pământului și poate că acesta este primul pas către crearea celor mai importante tehnologii ale viitorului.

Utilizarea efectului de tunel în STM permite nu numai obținerea unei rezoluții ultra-înalte, dar impune și o serie de restricții semnificative asupra eșantionului studiat: trebuie să fie conductiv și este recomandabil să se efectueze măsurători în vid înalt. Acest lucru restrânge foarte mult domeniul de aplicare al STM. Prin urmare, cercetătorii și-au concentrat eforturile pe crearea de noi tipuri de SPM care sunt libere de aceste limitări. În 1986, a fost publicat un articol al lui Binnig, Quat și Gerber, care descria un nou tip de microscop - Microscopul de forță atomică (AFM). Acest tip de microscop folosește o sondă specială - un cantilever - un ac ascuțit de silicon atașat la capătul unui fascicul cu arc. Atunci când acest ac și suprafața probei se unesc la o distanță de aproximativ zece nanometri (dacă suprafața probei a fost curățată în prealabil de un strat de apă), fasciculul începe să devieze spre eșantion, deoarece vârful acului interacționează cu suprafața prin forțele van der Waals. Când se apropie în continuare de suprafață, acul se deviază în direcția opusă ca urmare a acțiunii forțelor de respingere electrostatice. Abaterea acului de la poziția de echilibru în configurația Binnig a fost detectată folosind un ac de microscop tunel.

Utilizarea unei cantilever a făcut posibilă studierea probelor neconductoare. Și îmbunătățirea în continuare a sistemelor de detectare a condus la crearea de microscoape care pot face măsurători nu numai în aer, ci și în lichid, ceea ce este deosebit de important atunci când se studiază probele biologice. În plus, au fost dezvoltate metode de măsurare a interacțiunii forțelor dintre cantilever și probă, cu ajutorul cărora a devenit posibilă determinarea forțelor de interacțiune între atomi individuali cu valori caracteristice la nivelul de 10 -9 newtoni.

De la mijlocul anilor 1980, a existat o creștere explozivă a numărului de publicații legate de microscopia cu sonde. Au apărut multe varietăți de SPM, au apărut multe instrumente disponibile comercial, au fost publicate manuale de microscopie cu sonde, iar bazele funcționării SPM sunt studiate în cursuri la multe instituții de învățământ superior.

Introducere

În prezent, direcția științifică și tehnică a nanotehnologiei se dezvoltă rapid, acoperind o gamă largă de cercetări atât fundamentale, cât și aplicate. Aceasta este o tehnologie fundamental nouă, capabilă să rezolve probleme în domenii atât de diverse precum comunicațiile, biotehnologia, microelectronica și energia. Astăzi, peste o sută de companii tinere dezvoltă produse nanotehnologice care vor intra pe piață în următorii doi-trei ani.

Nanotehnologiile vor deveni tehnologiile de vârf în secolul 21 și vor contribui la dezvoltarea economiei și a sferei sociale a societății; ele pot deveni o condiție prealabilă pentru o nouă revoluție industrială. În ultimii două sute de ani, progresul în Revoluția Industrială a fost realizat cu prețul a aproximativ 80% din resursele Pământului. Nanotehnologia va reduce semnificativ consumul de resurse și nu va pune presiune asupra mediului; ele vor juca un rol principal în viața omenirii, așa cum, de exemplu, computerul a devenit o parte integrantă a vieții oamenilor.

Progresul în domeniul nanotehnologiei a fost stimulat de dezvoltarea metodelor experimentale de cercetare, dintre care cele mai informative sunt metodele de microscopie cu sonde de scanare, a cărei invenție și mai ales diseminarea le datorează laureaților Nobel din 1986 – profesorul Heinrich Rohrer și dr. Gerd Binnig.

Lumea a fost fascinată de descoperirea unor metode atât de simple de vizualizare a atomilor și chiar de posibilitatea de a le manipula. Multe grupuri de cercetare au început să construiască dispozitive de casă și să experimenteze în această direcție. Ca urmare, au luat naștere o serie de scheme convenabile de dispozitive și au fost propuse diferite metode pentru vizualizarea rezultatelor interacțiunii sondă-suprafață, cum ar fi: microscopie cu forță laterală, microscopie cu forță magnetică, microscopie pentru înregistrarea interacțiunilor magnetice, electrostatice și electromagnetice. Metodele de microscopie optică în câmp apropiat au primit o dezvoltare intensivă. Au fost dezvoltate metode de influență direcționată, controlată în sistemul sondă-suprafață, de exemplu, nanolitografia - schimbările apar pe suprafață sub influența influențelor electrice, magnetice, deformațiilor plastice și a luminii în sistemul sonda-suprafață. Au fost create tehnologii pentru producerea de sonde cu parametri geometrici specificați, cu acoperiri și structuri speciale pentru vizualizarea diferitelor proprietăți ale suprafeței.

Microscopia cu sondă de scanare (SPM) este una dintre metodele moderne puternice pentru studiul morfologiei și proprietăților locale ale unei suprafețe solide cu rezoluție spațială ridicată. În ultimii 10 ani, microscopia cu sonde de scanare a evoluat de la o tehnică exotică disponibilă doar unui număr limitat de grupuri de cercetare la un instrument larg răspândit și de succes pentru studierea proprietăților suprafeței. În prezent, aproape nicio cercetare în domeniul fizicii suprafețelor și al tehnologiilor de peliculă subțire nu este completă fără utilizarea metodelor SPM. Dezvoltarea microscopiei cu sonde de scanare a servit și ca bază pentru dezvoltarea de noi metode în nanotehnologie - tehnologie pentru crearea structurilor la scară nanometrică.

1. Context istoric

Pentru a observa obiecte mici, olandezul Antonie van Leeuwenhoek a inventat microscopul în secolul al XVII-lea, deschizând lumea microbilor. Microscoapele sale erau imperfecte și asigurau o mărire de la 150 la 300 de ori. Dar adepții săi au îmbunătățit acest dispozitiv optic, punând bazele multor descoperiri în biologie, geologie și fizică. Totuși, la sfârșitul secolului al XIX-lea (1872), opticianul german Ernst Karl Abbe a arătat că, datorită difracției luminii, puterea de rezoluție a unui microscop (adică distanța minimă dintre obiecte atunci când acestea nu s-au contopit încă în o imagine) este limitată de lungimea de undă a luminii (0,4 - 0,8 µm). Astfel, a economisit mult efort pentru opticii care încercau să realizeze microscoape mai avansate, dar i-a dezamăgit pe biologi și geologi, care și-au pierdut speranța de a obține un instrument cu o mărire mai mare de 1500x.

Istoria creării microscopului electronic este un exemplu minunat al modului în care domeniile științei și tehnologiei în curs de dezvoltare independent pot, prin schimbul de informații primite și unirea forțelor, să creeze un nou instrument puternic pentru cercetarea științifică. Punctul culminant al fizicii clasice a fost teoria câmpului electromagnetic, care a explicat propagarea luminii, apariția câmpurilor electrice și magnetice și mișcarea particulelor încărcate în aceste câmpuri ca propagare a undelor electromagnetice. Optica undelor a clarificat fenomenul de difracție, mecanismul de formare a imaginii și jocul factorilor care determină rezoluția la microscopul luminos. Progresele în domeniul fizicii teoretice și experimentale le datorăm descoperirii electronului cu proprietățile sale specifice. Aceste căi de dezvoltare separate și aparent independente au dus la crearea fundamentelor opticii electronice, una dintre cele mai importante aplicații ale căreia a fost inventarea EM în anii 1930. Un indiciu direct al unei astfel de posibilități poate fi considerată ipoteza despre natura ondulatorie a electronului, prezentată în 1924 de Louis de Broglie și confirmată experimental în 1927 de K. Davisson și L. Germer în SUA și J. Thomson în Anglia. . Aceasta a sugerat o analogie care a făcut posibilă construirea unui EM în conformitate cu legile opticii undelor. H. Bush a descoperit că folosind câmpurile electrice și magnetice este posibil să se formeze imagini electronice. În primele două decenii ale secolului XX. au fost create şi premisele tehnice necesare. Laboratoarele industriale care lucrează la osciloscopul cu fascicul de electroni au produs tehnologie de vid, surse stabile de înaltă tensiune și curent și emițători de electroni buni.

În 1931, R. Rudenberg a depus o cerere de brevet pentru un microscop electronic cu transmisie, iar în 1932, M. Knoll și E. Ruska au construit primul astfel de microscop, folosind lentile magnetice pentru a focaliza electronii. Acest instrument a fost predecesorul modernului microscop electronic cu transmisie optică (OTEM). (Ruska a fost recompensat pentru eforturile sale prin câștigarea Premiului Nobel pentru Fizică pentru 1986.) În 1938, Ruska și B. von Borries au construit un prototip industrial OPEM pentru Siemens-Halske în Germania; acest instrument a făcut în cele din urmă posibilă atingerea unei rezoluții de 100 nm. Câțiva ani mai târziu, A. Prebus și J. Hiller au construit primul OPEM de înaltă rezoluție la Universitatea din Toronto (Canada).

Posibilitățile largi ale OPEM au devenit aproape imediat evidente. Productia sa industriala a fost inceputa simultan de Siemens-Halske in Germania si RCA Corporation in SUA. La sfârșitul anilor 1940, alte companii au început să producă astfel de dispozitive.

SEM în forma sa actuală a fost inventat în 1952 de Charles Otley. Adevărat, versiunile preliminare ale unui astfel de dispozitiv au fost construite de Knoll în Germania în anii 1930 și de Zworykin și colegii săi de la RCA Corporation în anii 1940, dar numai dispozitivul lui Otley a fost capabil să servească drept bază pentru o serie de îmbunătățiri tehnice, culminând în introducerea în producție a unei versiuni industriale a SEM la mijlocul anilor ’60. Gama de consumatori ai unui astfel de dispozitiv destul de ușor de utilizat, cu o imagine tridimensională și un semnal electronic de ieșire, s-a extins exponențial. În prezent, există o duzină de producători industriali de SEM pe trei continente și zeci de mii de astfel de dispozitive utilizate în laboratoare din întreaga lume.În anii 1960, au fost dezvoltate microscoape de ultra-înaltă tensiune pentru a studia probe mai groase.Liderul acestei direcții de Dezvoltarea a fost G. Dupuy în Franța, unde un dispozitiv cu o tensiune de accelerare de 3,5 milioane de volți a fost pus în funcțiune în 1970. RTM a fost inventat de G. Binnig și G. Rohrer în 1979 la Zurich. Acest dispozitiv foarte simplu oferă rezoluție atomică a suprafețe.Pentru lucrarea sa Binnig și Rohrer (în același timp cu Ruska) au primit Premiul Nobel pentru crearea RTM.

În 1986, microscopul cu sondă de scanare a fost inventat de Rohrer și Binnig. De la inventarea sa, STM a fost utilizat pe scară largă de oamenii de știință într-o varietate de specialități, acoperind aproape toate disciplinele științelor naturale, de la cercetarea fundamentală în fizică, chimie, biologie până la aplicații tehnologice specifice. Principiul de funcționare al STM este atât de simplu, iar posibilitățile potențiale sunt atât de mari, încât este imposibil de prezis impactul său asupra științei și tehnologiei chiar și în viitorul apropiat.

După cum sa dovedit mai târziu, aproape orice interacțiune a sondei cu vârful cu suprafața (mecanică, magnetică) poate fi convertită folosind instrumente adecvate și programe de calculator într-o imagine a suprafeței.

Instalarea microscopului cu sondă de scanare constă din mai multe blocuri funcționale prezentate în Fig. 1. Acesta este, în primul rând, microscopul însuși cu un piezomanipulator pentru controlul sondei, un convertor tunel curent-tensiune și un motor pas cu pas pentru alimentarea probei; bloc de convertoare analog-digital și digital-analogic și amplificatoare de înaltă tensiune; unitate de control al motorului pas cu pas; o placă cu un procesor de semnal care calculează semnalul de feedback; un computer care colectează informații și oferă o interfață utilizatorului. Din punct de vedere structural, unitatea DAC și ADC este instalată în aceeași carcasă cu unitatea de control al motorului pas cu pas. În slotul de expansiune ISA al unui computer personal este instalată o placă cu procesor de semnal (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 de la Analog Devices.

O vedere generală a sistemului mecanic al microscopului este prezentată în Fig. 2. Sistemul mecanic include o bază cu un manipulator piezo și un sistem de alimentare netedă a probei pe un motor pas cu pas cu o cutie de viteze și două capete de măsurare detașabile pentru funcționarea în modurile de scanare tunel și microscopie cu forță atomică. Microscopul permite obținerea unei rezoluții atomice stabile pe suprafețele de testare tradiționale fără utilizarea unor filtre seismice și acustice suplimentare.

2. Principii de funcționare ale microscoapelor cu sondă de scanare

În microscoapele cu sondă de scanare, studiul microreliefului de suprafață și proprietățile sale locale se realizează folosind sonde special pregătite sub formă de ace. Partea de lucru a unor astfel de sonde (vârful) are dimensiuni de aproximativ zece nanometri. Distanța caracteristică dintre sondă și suprafața probelor în microscoapele cu sondă este de ordinul mărimii 0,1 – 10 nm. Funcționarea microscoapelor cu sondă se bazează pe diferite tipuri de interacțiuni între sondă și suprafață. Astfel, funcționarea unui microscop tunel se bazează pe fenomenul de curent de tunel care curge între un ac de metal și o probă conducătoare; Diferite tipuri de interacțiuni de forță stau la baza funcționării forței atomice, forței magnetice și forțelor electrice. Să luăm în considerare caracteristicile comune inerente diferitelor microscoape cu sondă. Fie ca interacțiunea sondei cu suprafața să fie caracterizată printr-un anumit parametru P. Dacă există o dependență suficient de clară și unu-la-unu a parametrului P de distanța sondă-probă, atunci acest parametru poate fi utilizat pentru a organiza o sistem de feedback (FS) care controlează distanța dintre sondă și probă. În fig. Figura 3 prezintă schematic principiul general al organizării feedback-ului SPM.

Sistemul de feedback menține constantă valoarea parametrului P, egală cu valoarea specificată de operator. Dacă se modifică distanța sondă-suprafață, atunci se modifică parametrul P. Se generează un semnal de diferență în sistemul OS, proporțional cu valoarea ΔP = P - P, care este amplificat la valoarea necesară și alimentat la elementul de acționare IE. Actuatorul procesează acest semnal de diferență, aducând sonda mai aproape de suprafață sau îndepărtând-o până când semnalul de diferență devine zero. În acest fel, distanța sondă-probă poate fi menținută cu mare precizie. Când sonda se deplasează de-a lungul suprafeței probei, parametrul de interacțiune P se modifică datorită topografiei suprafeței. Sistemul OS procesează aceste modificări, astfel încât atunci când sonda se mișcă în planul X, Y, semnalul de pe actuator se dovedește a fi proporțional cu topografia suprafeței. Pentru a obține o imagine SPM, se efectuează un proces special organizat de scanare a probei. La scanare, sonda se deplasează mai întâi peste eșantion de-a lungul unei anumite linii (line scan), în timp ce valoarea semnalului de pe actuator, proporțională cu topografia suprafeței, este înregistrată în memoria computerului. Sonda revine apoi la punctul de pornire și trece la următoarea linie de scanare (scanare cadru), iar procesul se repetă din nou. Semnalul de feedback înregistrat în acest mod în timpul scanării este procesat de un computer, iar apoi o imagine SPM a reliefului de suprafață este construită folosind instrumente de grafică pe computer. Pe lângă studierea topografiei suprafeței, microscoapele cu sondă fac posibilă studierea diferitelor proprietăți ale suprafeței: mecanice, electrice, magnetice, optice și altele.

3. Elemente de scanare (scanere) ale microscoapelor cu sondă

3.1 Elemente de scanare

Pentru a opera microscoapele cu sondă, este necesar să se controleze distanța de lucru sondă-probă și să se deplaseze sonda în planul probei cu mare precizie (la nivelul fracțiilor de angstrom). Această problemă este rezolvată cu ajutorul unor manipulatoare speciale - elemente de scanare (scanere). Elementele de scanare ale microscoapelor cu sondă sunt realizate din piezoelectrice - materiale cu proprietăți piezoelectrice. Piezoelectricii își schimbă dimensiunile într-un câmp electric extern. Ecuația pentru efectul piezoelectric invers pentru cristale este scrisă astfel:

unde u este tensorul deformarii, E sunt componentele câmpului electric, d sunt componentele tensorului coeficientului piezoelectric. Forma tensorului coeficientului piezoelectric este determinată de tipul de simetrie a cristalelor.

Traductoarele realizate din materiale piezoceramice au devenit larg răspândite în diverse aplicații tehnice. Piezoceramica este un material policristalin polarizat obținut prin sinterizarea pulberilor din feroelectrici cristalini. Polarizarea ceramicii se realizează după cum urmează. Ceramica este încălzită peste temperatura Curie (pentru majoritatea piezoceramicelor această temperatură este mai mică de 300C) și apoi răcită lent într-un câmp electric puternic (aproximativ 3 kV/cm). După răcire, piezoceramica a indus polarizare și dobândește capacitatea de a-și modifica dimensiunea (creștere sau descreștere în funcție de direcția reciprocă a vectorului de polarizare și a vectorului câmpului electric extern).

Piezoelementele tubulare au devenit larg răspândite în microscopia cu sonde de scanare (Fig. 4). Ele fac posibilă obținerea unor mișcări destul de mari ale obiectelor cu tensiuni de control relativ mici. Piezoelementele tubulare sunt cilindri tubulari cu pereți subțiri din materiale piezoceramice. De obicei, electrozii sub formă de straturi subțiri de metal sunt aplicați pe suprafețele exterioare și interioare ale tubului, în timp ce capetele tubului rămân descoperite.

Sub influența diferenței de potențial dintre electrozii interni și externi, tubul își modifică dimensiunile longitudinale. În acest caz, deformația longitudinală sub acțiunea unui câmp electric radial poate fi scrisă astfel:

unde l este lungimea tubului în stare nedeformabilă. Alungirea absolută a tubului piezo este egală cu

unde h este grosimea peretelui piezotubului, V este diferența de potențial dintre electrozii interni și externi. Astfel, la aceeași tensiune V, alungirea tubului va fi mai mare, cu cât lungimea acestuia este mai mare și grosimea peretelui său este mai mică.

Conectarea a trei tuburi într-o singură unitate vă permite să organizați mișcările precise ale sondei de microscop în trei direcții reciproc perpendiculare. Acest element de scanare se numește trepied.

Dezavantajele unui astfel de scaner sunt complexitatea producției și asimetria puternică a designului. Astăzi, scanerele bazate pe un singur element tubular sunt cele mai utilizate pe scară largă în microscopia cu sonde de scanare. Vederea generală a scanerului tubular și aranjamentul electrozilor sunt prezentate în Fig. 5. Materialul tubului are o direcție radială a vectorului de polarizare.

Electrodul interior este de obicei solid. Electrodul extern al scanerului este împărțit de-a lungul cilindrului în patru secțiuni. Când se aplică tensiuni antifază pe secțiuni opuse ale electrodului exterior (față de cel interior), secțiunea tubului se contractă în locul în care direcția câmpului coincide cu direcția de polarizare și se alungește acolo unde sunt direcționate în sens opus. directii. Acest lucru face ca tubul să se îndoaie în direcția corespunzătoare. În acest fel, scanarea se efectuează în planul X, Y. Modificarea potențialului electrodului intern în raport cu toate secțiunile externe duce la alungirea sau scurtarea tubului de-a lungul axei Z. Astfel, este posibil să se organizeze un trei- scaner de coordonate bazat pe un singur tub piezo. Elementele reale de scanare au adesea un design mai complex, dar principiile funcționării lor rămân aceleași.

Scanerele bazate pe piezoelemente bimorfe au devenit, de asemenea, răspândite. Bimorful este alcătuit din două plăci piezoelectrice lipite între ele în așa fel încât vectorii de polarizare din fiecare dintre ele să fie direcționați în direcții opuse (Fig. 6). Dacă se aplică tensiune electrozilor bimorfi, așa cum se arată în Fig. 6, apoi una dintre plăci se va extinde, iar cealaltă se va contracta, ceea ce va duce la îndoirea întregului element. În modelele reale ale elementelor bimorfe, se creează o diferență de potențial între electrozii comuni interni și cei externi, astfel încât într-un element câmpul să coincidă cu direcția vectorului de polarizare, iar în celălalt este îndreptat în direcția opusă.

Îndoirea unui bimorf sub influența câmpurilor electrice este baza pentru funcționarea piezoscanerelor bimorfe. Prin combinarea a trei elemente bimorfe într-un singur design, este posibilă implementarea unui trepied pe elemente bimorfe.

Dacă electrozii externi ai elementului bimorf sunt împărțiți în patru sectoare, atunci este posibil să se organizeze mișcarea sondei de-a lungul axei Z și în planul X, Y pe un element bimorf (Fig. 7).

Într-adevăr, prin aplicarea tensiunilor antifază la perechi opuse de secțiuni de electrozi externi, este posibil să îndoiți bimorful astfel încât sonda să se miște în planul X, Y (Fig. 7 (a, b)). Și prin modificarea potențialului electrodului intern în raport cu toate secțiunile electrozilor externi, este posibil să îndoiți bimorful prin deplasarea sondei în direcția Z (Fig. 7 (c, d)).

3.2 Neliniaritatea piezoceramicelor

În ciuda o serie de avantaje tehnologice față de cristale, piezoceramica prezintă unele dezavantaje care afectează negativ funcționarea elementelor de scanare. Unul dintre aceste dezavantaje este neliniaritatea proprietăților piezoelectrice. În fig. Ca exemplu, Fig. 8 arată dependența mărimii deplasării piezotubului în direcția Z de mărimea câmpului aplicat. În cazul general (în special cu câmpuri de control mari), piezoceramica se caracterizează printr-o dependență neliniară a deformațiilor de câmp (sau de tensiunea de control).

Astfel, deformarea piezoceramicelor este o funcție complexă a câmpului electric extern:

Pentru câmpurile de control mici, această dependență poate fi prezentată în următoarea formă:

u = d* E+ α* E*E+…

unde d și α sunt modulele liniare și pătratice ale efectului piezoelectric.

Valorile tipice de câmp E, la care încep să apară efecte neliniare, sunt de ordinul a 100 V/mm. Prin urmare, pentru funcționarea corectă a elementelor de scanare, câmpurile de control în regiunea liniarității ceramicii (E< Е) .

microscop electronic cu sonda de scanare

3.3 Fluaj al piezoceramicelor și histerezis al piezoceramicelor

Un alt dezavantaj al piezoceramicelor este așa-numitul fluaj (creep) - un răspuns întârziat la o modificare a valorii câmpului electric de control.

Creep-ul face ca distorsiunile geometrice asociate cu acest efect să fie observate în imaginile SPM. Flujarea are un efect deosebit de puternic atunci când aduce scanerele într-un anumit punct pentru a efectua măsurători locale și în etapele inițiale ale procesului de scanare. Pentru a reduce influența fluajului ceramicii, în aceste procese sunt utilizate întârzieri de timp, care fac posibilă compensarea parțială a decalajului scanerului.

Un alt dezavantaj al piezoceramicelor este ambiguitatea dependenței de alungire de direcția de schimbare a câmpului electric (histereză).

Aceasta duce la faptul că, la aceleași tensiuni de comandă, piezoceramica apare în puncte diferite ale traiectoriei în funcție de direcția de mișcare. Pentru a elimina distorsiunile în imaginile SPM cauzate de histereza piezoceramicelor, informațiile sunt înregistrate la scanarea probelor doar pe una dintre ramurile dependenței.

4. Dispozitive pentru mișcări de precizie ale sondei și probei

4.1 Cutii de viteze mecanice

Una dintre problemele tehnice importante în microscopia cu sonde de scanare este necesitatea unei mișcări precise a sondei și a probei pentru a forma spațiul de lucru al microscopului și pentru a selecta suprafața de studiat. Pentru a rezolva această problemă, se folosesc diverse tipuri de dispozitive care mută obiecte cu mare precizie. S-au răspândit diverse cutii de viteze mecanice, în care mișcarea brută a motorului inițial corespunde mișcării fine a obiectului deplasat. Metodele de reducere a mișcărilor pot fi diferite. Dispozitivele cu pârghie sunt utilizate pe scară largă, în care reducerea cantității de mișcare se realizează datorită diferenței de lungime a brațelor pârghiilor. Schema cutiei de viteze cu pârghie este prezentată în Fig. 9.

Pârghia mecanică vă permite să obțineți o reducere a mișcării cu un coeficient

Astfel, cu cât raportul dintre brațul L și brațul l este mai mare, cu atât procesul de apropiere a sondei și a probei poate fi controlat mai precis.

De asemenea, în proiectarea microscoapelor, cutiile de viteze mecanice sunt utilizate pe scară largă, în care reducerea mișcărilor se realizează datorită diferenței de coeficienți de rigiditate a două elemente elastice conectate în serie (Fig. 10). Structura este formată dintr-o bază rigidă, un arc și o grindă elastică. Rigiditatea arcului k și grinda elastică K sunt selectate astfel încât să fie îndeplinită condiția: k< K .

Coeficientul de reducere este egal cu raportul dintre coeficienții de rigiditate ai elementelor elastice:

Astfel, cu cât este mai mare raportul dintre rigiditatea fasciculului și rigiditatea arcului, cu atât mai precis poate fi controlată deplasarea elementului de lucru al microscopului.

4.2 Motoare pas cu pas

Motoarele pas cu pas (SEM) sunt dispozitive electromecanice care convertesc impulsurile electrice în mișcări mecanice discrete. Un avantaj important al motoarelor pas cu pas este că oferă o dependență clară a poziției rotorului de impulsurile curentului de intrare, astfel încât unghiul de rotație al rotorului este determinat de numărul de impulsuri de control. În SHED, cuplul este generat de fluxurile magnetice generate de polii statorului și rotorului, care sunt orientați corespunzător unul față de celălalt.

Cel mai simplu design este pentru motoarele cu magnet permanent. Acestea constau dintr-un stator, care are înfășurări și un rotor care conține magneți permanenți. În fig. Figura 11 prezintă un design simplificat al unui motor pas cu pas.

Polii alternanți ai rotorului au formă rectilinie și sunt așezați paralel cu axa motorului. Motorul prezentat în figură are 3 perechi de poli rotori și 2 perechi de poli statori. Motorul are 2 înfășurări independente, fiecare fiind înfășurată pe doi poli opuși ai statorului. Motorul prezentat are o dimensiune a pasului de 30 de grade. Când curentul este pornit într-una dintre înfășurări, rotorul tinde să ia o poziție în care polii opuși ai rotorului și ai statorului sunt opuși unul altuia. Pentru a obține o rotație continuă, trebuie să porniți înfășurările alternativ.

În practică, se folosesc motoare pas cu pas care au un design mai complex și oferă de la 100 la 400 de pași pe rotație a rotorului. Dacă un astfel de motor este asociat cu o conexiune filetată, atunci cu un pas de filet de aproximativ 0,1 mm, este asigurată o precizie de poziționare a obiectului de aproximativ 0,25 - 1 micron. Pentru a crește precizia, sunt utilizate cutii de viteze mecanice suplimentare. Posibilitatea controlului electric face posibilă utilizarea eficientă a ShED în sisteme automate de abordare a sondei și a probei de microscoape cu sondă de scanare.

4.3 Motoare pas cu pas piezo

Cerințele pentru o bună izolare a instrumentelor de vibrațiile externe și necesitatea de a opera microscoape cu sondă în condiții de vid impun restricții serioase privind utilizarea dispozitivelor pur mecanice pentru deplasarea sondei și a probei. În acest sens, dispozitivele bazate pe traductoare piezoelectrice, care permit controlul de la distanță al mișcării obiectelor, au devenit larg răspândite în microscoapele cu sondă.

Unul dintre modelele unui motor piezo inerțial pas cu pas este prezentat în Fig. 12. Acest dispozitiv conține o bază (1) pe care este fixat un tub piezoelectric (2). Tubul are electrozi (3) pe suprafețele exterioare și interioare. La capătul tubului se află un arc despicat (4), care este un cilindru cu petale separate de arc. Un suport pentru obiecte (5) este instalat în primăvară - un cilindru destul de masiv cu o suprafață lustruită. Obiectul aflat în mișcare poate fi atașat de suport folosind un arc sau o piuliță de unire, ceea ce permite dispozitivului să funcționeze în orice orientare în spațiu.

Dispozitivul funcționează după cum urmează. Pentru a deplasa suportul de obiect în direcția axei Z, se aplică o tensiune de impuls din dinți de ferăstrău electrozilor tubului piezo (Fig. 13).

Pe partea frontală plată a tensiunii din dinte de ferăstrău, tubul se prelungește sau se contractă lin în funcție de polaritatea tensiunii, iar capătul său, împreună cu arcul și suportul de obiect, este deplasat de distanță:

În momentul în care tensiunea dinți de ferăstrău este eliberată, tubul revine la poziția inițială cu accelerația a, care are inițial o valoare maximă:

unde ω este frecvența de rezonanță a vibrațiilor longitudinale ale tubului. Când condiția F este îndeplinită< 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. Protecția microscoapelor cu sondă de influențe externe

5.1 Protecție împotriva vibrațiilor

Pentru a proteja dispozitivele de vibrațiile externe, sunt utilizate diferite tipuri de sisteme de izolare a vibrațiilor. În mod convențional, ele pot fi împărțite în pasive și active. Ideea principală din spatele sistemelor pasive de izolare a vibrațiilor este următoarea. Amplitudinea oscilațiilor forțate ale unui sistem mecanic scade rapid pe măsură ce diferența dintre frecvența forței de excitare și frecvența de rezonanță naturală a sistemului crește (un răspuns tipic amplitudine-frecvență (AFC) al unui sistem oscilator este prezentat în Fig. 14. ).

Prin urmare, influențele externe cu frecvențe ω > ω nu au practic niciun efect vizibil asupra sistemului oscilator. În consecință, dacă așezați capul de măsurare al unui microscop cu sondă pe o platformă izolatoare de vibrații sau pe o suspensie elastică (Fig. 15), atunci doar vibrațiile externe cu frecvențe apropiate de frecvența de rezonanță a sistemului de izolare a vibrațiilor vor trece prin corpul microscopului. Deoarece frecvențele naturale ale capetelor SPM sunt de 10–100 kHz, alegând frecvența de rezonanță a sistemului de izolare a vibrațiilor destul de scăzută (aproximativ 5–10 Hz), puteți proteja foarte eficient dispozitivul de vibrațiile externe. Pentru a amortiza vibrațiile la frecvențe naturale de rezonanță, în sistemele de izolare a vibrațiilor sunt introduse elemente disipative cu frecare vâscoasă.

Astfel, pentru a asigura o protecție eficientă, este necesar ca frecvența de rezonanță a sistemului de izolare a vibrațiilor să fie cât mai scăzută. Cu toate acestea, frecvențele foarte joase sunt greu de realizat în practică.

Pentru a proteja capetele SPM, sunt utilizate cu succes sisteme active de suprimare a vibrațiilor externe. Astfel de dispozitive sunt sisteme electromecanice cu feedback negativ, care asigură o poziție stabilă a platformei izolatoare de vibrații în spațiu (Fig. 16).

5.2 Protecție împotriva zgomotului acustic

O altă sursă de vibrații în elementele de proiectare ale microscoapelor cu sondă este zgomotul acustic de diferite naturi.

O caracteristică a interferenței acustice este că undele acustice afectează direct elementele structurale ale capetelor SPM, ceea ce duce la oscilații ale sondei în raport cu suprafața probei studiate. Pentru a proteja SPM-urile de interferența acustică, sunt utilizate diferite capace de protecție, care pot reduce semnificativ nivelul de interferență acustică în zona spațiului de lucru al microscopului. Cea mai eficientă protecție împotriva interferențelor acustice este plasarea capului de măsurare al microscopului cu sondă într-o cameră cu vid (Fig. 17).

5.3 Stabilizarea derivei termice a poziției sondei deasupra suprafeței

Una dintre problemele importante ale SPM este sarcina de a stabiliza poziția sondei deasupra suprafeței probei studiate. Principala sursă de instabilitate a poziției sondei este o modificare a temperaturii ambiante sau încălzirea elementelor structurale ale microscopului sondei în timpul funcționării acestuia. O modificare a temperaturii unui solid duce la apariția deformațiilor termoelastice. Astfel de deformații au un efect foarte semnificativ asupra funcționării microscoapelor cu sondă. Pentru a reduce deriva termică, se utilizează termostatarea capetelor de măsurare SPM sau se introduc elemente de compensare termică în designul capetelor. Ideea compensării termice este următoarea. Orice proiectare SPM poate fi reprezentată ca un set de elemente cu coeficienți de dilatare termică diferiți (Fig. 18 (a)).

Pentru a compensa derivea termică, în proiectarea capetelor de măsurare SPM sunt introduse elemente de compensare cu coeficienți de dilatare diferiți, astfel încât să fie îndeplinită condiția ca suma expansiunilor de temperatură în diferite brațe ale structurii să fie egală cu zero:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Cea mai simplă modalitate de reducere a derivei termice a poziției sondei de-a lungul axei Z este introducerea în proiectarea SPM a elementelor compensatoare din același material și cu aceleași dimensiuni caracteristice ca și elementele structurale principale (Fig. 18 (b)). Când temperatura acestui proiect se schimbă, deplasarea sondei în direcția Z va fi minimă. Pentru a stabiliza poziția sondei în planul X, Y, capetele de măsurare ale microscoapelor sunt fabricate sub formă de structuri simetrice axial.

6. Formarea și prelucrarea imaginilor SPM

6.1 Procesul de scanare

Procesul de scanare a unei suprafețe într-un microscop cu sondă de scanare este similar cu mișcarea unui fascicul de electroni pe ecran într-un tub catodic de televiziune. Sonda se deplasează de-a lungul liniei (liniei), mai întâi în direcția înainte și apoi în direcția inversă (scanarea liniei), apoi trece la următoarea linie (scanarea cadru) (Fig. 19). Sonda se deplasează folosind un scaner în pași mici sub acțiunea tensiunilor din dinte de ferăstrău generate de convertoarele digital-analogic. Înregistrarea informațiilor despre topografia suprafeței se efectuează, de regulă, pe o trecere directă.

Informațiile obținute cu ajutorul unui microscop cu sondă de scanare sunt stocate sub forma unui cadru SPM - o matrice bidimensională de numere întregi a (matrice). Semnificația fizică a acestor numere este determinată de valoarea care a fost digitalizată în timpul procesului de scanare. Fiecare valoare a unei perechi de indici ij corespunde unui punct de suprafață specific din câmpul de scanare. Coordonatele punctelor de suprafață sunt calculate prin simpla înmulțire a indicelui corespunzător cu distanța dintre punctele la care au fost înregistrate informațiile.

De regulă, cadrele SPM sunt matrici pătrate de dimensiunea 2 (mai ales elemente 256x256 și 512x512). Vizualizarea cadrelor SPM se realizează folosind grafică pe computer, în principal sub formă de imagini tridimensionale (3D) și cu luminozitate bidimensională (2D). În vizualizarea 3D, o imagine a unei suprafețe este construită într-o perspectivă axonometrică folosind pixeli sau linii. În plus, sunt folosite diferite metode pentru a evidenția pixelii corespunzători diferitelor înălțimi de relief de suprafață. Cea mai eficientă modalitate de a colora imaginile 3D este de a simula condițiile de iluminare a suprafeței cu o sursă punctiformă situată într-un punct din spațiu deasupra suprafeței (Fig. 20). În același timp, este posibil să se sublinieze denivelările la scară mică a reliefului. De asemenea, folosind procesarea computerizată și grafica, se realizează scalarea și rotația imaginilor 3D SPM. Cu vizualizarea 2D, fiecărui punct de suprafață i se atribuie o culoare. Cele mai utilizate sunt paletele de gradient, în care imaginea este colorată într-un ton de o anumită culoare în funcție de înălțimea unui punct de pe suprafață.

Măsurătorile locale SPM, de regulă, presupun înregistrarea dependențelor cantităților studiate de diverși parametri. De exemplu, acestea sunt dependențele mărimii curentului electric prin contactul sondă-suprafață de tensiunea aplicată, dependențele diferiților parametri ai interacțiunii forței dintre sondă și suprafață de distanța sondă-probă etc. informațiile sunt stocate sub formă de matrice vectoriale sau sub formă de matrice 2 x N. Pentru vizualizarea lor Software-ul microscopului oferă un set de instrumente standard pentru afișarea graficelor de funcții.

6.2 Metode de construire și prelucrare a imaginilor

Când se studiază proprietățile obiectelor folosind metode de microscopie cu sonde de scanare, principalul rezultat al cercetării științifice este, de regulă, imagini tridimensionale ale suprafeței acestor obiecte. Adecvarea interpretării imaginii depinde de calificările specialistului. În același timp, atunci când procesați și construiți imagini, sunt utilizate o serie de tehnici tradiționale, de care ar trebui să fiți conștienți atunci când analizați imaginile. Microscopul cu sondă de scanare a apărut într-o perioadă de dezvoltare intensivă a tehnologiei informatice. Prin urmare, la înregistrarea imaginilor tridimensionale, a folosit metode de stocare digitală dezvoltate pentru computere. Acest lucru a condus la o comoditate semnificativă în analiza și procesarea imaginilor, dar a fost necesar să se sacrifice calitatea fotografică inerentă metodelor de microscopie electronică. Informațiile obținute cu ajutorul unui microscop cu sondă sunt reprezentate într-un computer ca o matrice bidimensională de numere întregi. Fiecare număr din această matrice, în funcție de modul de scanare, poate fi o valoare a curentului de tunel, sau o valoare a abaterii sau valoarea unei funcții mai complexe. Dacă arătați această matrice unei persoane, atunci aceasta nu va putea să-și facă o idee coerentă despre suprafața studiată. Deci, prima problemă este de a converti numerele într-o formă ușor de înțeles. Acest lucru se face după cum urmează. Numerele din matricea originală se află într-un anumit interval; există valori minime și maxime. Acest interval de numere întregi are o paletă de culori. Astfel, fiecare valoare a matricei este mapată la un punct de o anumită culoare pe o imagine dreptunghiulară. Rândul și coloana în care se află această valoare devin coordonatele punctului. Ca rezultat, obținem o imagine în care, de exemplu, înălțimea suprafeței este transmisă prin culoare - ca pe o hartă geografică. Dar pe o hartă sunt de obicei doar zeci de culori folosite, dar în imaginea noastră sunt sute și mii. Pentru a ușura percepția, punctele care sunt apropiate ca înălțime ar trebui redate în culori similare. Se poate dovedi și, de regulă, se întâmplă întotdeauna că intervalul de valori inițiale este mai mare decât numărul de culori posibile. În acest caz, informațiile se pierd, iar creșterea numărului de culori nu este o soluție, deoarece capacitățile ochiului uman sunt limitate. Este necesară prelucrarea informațiilor suplimentare, iar prelucrarea ar trebui să fie diferită în funcție de sarcini. Unii oameni trebuie să vadă întreaga imagine, în timp ce alții vor să se uite la detalii. Pentru aceasta sunt folosite o varietate de metode.

6.3 Scăderea unei pante constante

Imaginile de suprafață obținute cu microscoape cu sondă au de obicei o pantă generală. Acest lucru se poate datora mai multor motive. În primul rând, înclinarea poate apărea din cauza plasării inexacte a probei în raport cu sondă; în al doilea rând, poate fi asociat cu o derive de temperatură, ceea ce duce la o deplasare a sondei în raport cu probă; în al treilea rând, se poate datora neliniarității mișcărilor piezoscannerului. Afișarea înclinării consumă o cantitate mare de spațiu utilizabil în cadrul SPM, astfel încât detaliile mici ale imaginii devin invizibile. Pentru a elimina acest dezavantaj, se efectuează operația de scădere a unei pante constante. Pentru a face acest lucru, în prima etapă, planul de aproximare este găsit folosind metoda celor mai mici pătrate

P(x,y), care are abateri minime de la relieful de suprafață Z = f(x,y), atunci acest plan este scăzut din imaginea SPM. Este recomandabil să se efectueze scăderea în moduri diferite în funcție de natura pantei.

Dacă înclinarea imaginii SPM se datorează înclinării probei față de proba sondei, atunci este recomandabil să rotiți planul cu un unghi corespunzător unghiului dintre normala la plan și axa Z; în acest caz, coordonatele suprafeței Z = f(x,y) sunt transformate în conformitate cu transformările de rotație spațială. Cu toate acestea, prin această transformare este posibil să se obțină o imagine a suprafeței sub forma unei funcții multivalorice Z = f(x,y). Dacă înclinarea se datorează derivei termice, atunci procedura de scădere a înclinării se reduce la scăderea coordonatelor Z ale planului din coordonatele Z ale imaginii SPM:

Rezultatul este o matrice cu o gamă mai mică de valori, iar detaliile fine din imagine se vor reflecta în mai multe culori, devenind mai vizibile.

6.4 Eliminarea distorsiunilor asociate cu imperfecțiunile scanerului

Imperfecțiunea proprietăților scanerului duce la faptul că imaginea SPM conține o serie de distorsiuni specifice. Imperfecțiunile parțiale ale scanerului, cum ar fi inegalitatea cursei înainte și inversă a scanerului (histereză), fluajul și neliniaritatea piezoceramicului, sunt compensate de hardware și de alegerea modurilor de scanare optime. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, imaginile SPM conțin distorsiuni care sunt greu de eliminat la nivel hardware. În special, deoarece mișcarea scanerului în planul eșantionului afectează poziția sondei deasupra suprafeței, imaginile SPM sunt o suprapunere a reliefului real și a unei suprafețe de ordinul doi (și adesea mai mare).

Pentru a elimina acest tip de distorsiune, metoda celor mai mici pătrate este utilizată pentru a găsi o suprafață de aproximare de ordinul doi P(x,y), care are abateri minime de la funcția inițială Z = f(x,y), iar apoi această suprafață este scăzut din imaginea SPM originală:

Un alt tip de distorsiune este asociat cu neliniaritatea și neortogonalitatea mișcărilor scanerului în planul X, Y. Aceasta duce la distorsiunea proporțiilor geometrice în diferite părți ale imaginii SPM a suprafeței. Pentru a elimina astfel de distorsiuni, se efectuează o procedură de corectare a imaginilor SPM folosind un fișier de coeficient de corecție, care este creat atunci când un scaner specific scanează structurile de testare cu un relief binecunoscut.

6.5 Filtrarea imaginilor SPM

Zgomotul echipamentului (în principal zgomotul amplificatoarelor de intrare foarte sensibile), instabilitatea contactului sondă-probă în timpul scanării, zgomotul acustic extern și vibrațiile duc la faptul că imaginile SPM, împreună cu informații utile, au o componentă de zgomot. Zgomotul parțial din imaginile SPM poate fi eliminat folosind un software.

6.6 Filtrarea mediană

Filtrarea mediană oferă rezultate bune la eliminarea zgomotului aleator de înaltă frecvență din cadrele SPM. Aceasta este o metodă neliniară de procesare a imaginii, a cărei esență poate fi explicată după cum urmează. Este selectată o fereastră de filtru de lucru, constând din nxn puncte (pentru claritate, să luăm o fereastră de 3 x 3, adică care conține 9 puncte (Fig. 24)).

În timpul procesului de filtrare, această fereastră se deplasează pe cadru de la un punct la altul și se efectuează următoarea procedură. Valorile de amplitudine ale imaginii SPM în punctele acestei ferestre sunt aranjate în ordine crescătoare, iar valoarea din centrul rândului sortat este introdusă în punctul central al ferestrei. Fereastra este apoi mutată la următorul punct și procedura de sortare se repetă. Astfel, valorile aberante aleatorii puternice și eșecurile în timpul unei astfel de sortări ajung întotdeauna la marginea matricei sortate și nu vor fi incluse în imaginea finală (filtrată). Cu această prelucrare, la marginile cadrului rămân zone nefiltrate, care sunt aruncate în imaginea finală.

6.7 Metode de reconstrucție a unei suprafețe din imaginea SPM a acesteia

Unul dintre dezavantajele inerente tuturor metodelor de microscopie cu sonde de scanare este dimensiunea finită a părții de lucru a sondelor utilizate. Acest lucru duce la o deteriorare semnificativă a rezoluției spațiale a microscoapelor și la distorsiuni semnificative ale imaginilor SPM la scanarea suprafețelor cu nereguli de relief comparabile cu dimensiunile caracteristice ale părții de lucru a sondei.

De fapt, imaginea obținută în SPM este o „convoluție” a sondei și a suprafeței studiate. Procesul de „convoluție” a formei sondei cu relieful de suprafață este ilustrat în cazul unidimensional din Fig. 25.

Această problemă poate fi parțial rezolvată prin metode dezvoltate recent de reconstrucție a imaginilor SPM, bazate pe prelucrarea computerizată a datelor SPM ținând cont de forma specifică a sondelor. Cea mai eficientă metodă de restaurare a suprafeței este metoda deconvoluției numerice, care utilizează forma sondei obținută experimental prin scanarea structurilor de testare (cu o topografie de suprafață binecunoscută).

Trebuie remarcat faptul că restaurarea completă a suprafeței probei este posibilă numai dacă sunt îndeplinite două condiții: sonda a atins toate punctele suprafeței în timpul procesului de scanare și în fiecare moment sonda a atins doar un punct al suprafeței. Dacă sonda nu poate ajunge în anumite zone ale suprafeței în timpul scanării (de exemplu, dacă proba are zone în suprafață ale reliefului), atunci are loc doar restaurarea parțială a reliefului. În plus, cu cât sonda a atins mai multe puncte de pe suprafața în timpul scanării, cu atât suprafața poate fi reconstruită mai fiabil.

În practică, imaginea SPM și forma sondei determinată experimental sunt rețele bidimensionale de valori discrete pentru care derivata este o cantitate slab definită. Prin urmare, în loc să se calculeze derivata funcțiilor discrete în practică, în timpul deconvoluției numerice a imaginilor SPM, se utilizează condiția distanței minime dintre sondă și suprafață la scanarea cu o înălțime medie constantă.

În acest caz, înălțimea reliefului de suprafață la un punct dat poate fi luată ca distanța minimă dintre punctul sondei și punctul de suprafață corespunzător pentru o poziție dată a sondei față de suprafață. În sensul său fizic, această condiție este echivalentă cu condiția de egalitate a derivaților, dar vă permite să căutați punctele de contact ale sondei cu suprafața folosind o metodă mai adecvată, ceea ce reduce semnificativ timpul de reconstrucție a reliefului.

Pentru calibrarea și determinarea formei părții de lucru a sondelor, sunt utilizate structuri speciale de testare cu parametri cunoscuți de relief de suprafață. Tipurile celor mai comune structuri de testare și imaginile lor caracteristice obținute cu ajutorul unui microscop cu forță atomică sunt prezentate în Fig. 26 și fig. 27.

Grila de calibrare sub formă de vârfuri ascuțite vă permite să definiți cu precizie vârful sondei, în timp ce grila dreptunghiulară ajută la restabilirea formei suprafeței laterale. Prin combinarea rezultatelor scanării acestor rețele, este posibilă restabilirea completă a formei părții de lucru a sondelor.

7. SPM modern

1) Microscop cu sondă de scanare SM-300

Conceput pentru a studia caracteristicile morfologice și structura spațiului porilor. SM-300 (Figura 28) are un microscop de poziționare optică încorporat care elimină nevoia de a căuta la nesfârșit o zonă de interes. O imagine optică color a probei, la o mărire ușoară, este afișată pe monitorul unui computer. Crucea de pe imaginea optică corespunde poziției fasciculului de electroni. Folosind crosshair-ul, puteți poziționa rapid pentru a defini o zonă de interes pentru analiza raster

Orez. 28. Microscop electronic SPM SM-300. Unitatea de poziționare optică este echipată cu un computer separat, care îi asigură independența hardware față de microscopul de scanare.

CAPACITATI SM - 300

· Rezoluție garantată de 4 nm

· Microscop unic de poziționare optică (opțional)

· Software Windows® intuitiv

Microscop de scanare și imagistică complet controlate de computer

Ieșire TV standard cu procesare digitală a semnalului

· Controlul computerizat al sistemului de vid redus (opțional)

· Toate studiile sunt efectuate în aceeași poziție a axei aplicatorului (12 mm)

Microanaliza elementară cu raze X în modurile de vid scăzut și înalt (opțional)

Abilitatea de a lucra în condiții normale de iluminare a încăperii

· Studiul probelor neconductoare fără pregătirea lor prealabilă

Rezoluție 5,5 nm în modul vid redus

· Control software al comutării modului

Interval selectabil de vid în cameră 1,3 – 260 Pa

· Afișarea imaginilor pe ecranul unui monitor de computer

· Senzor Robinson serial V-backscatter

2) Microscop cu sondă de scanare de înaltă rezoluție Supra50VP cu sistem de microanaliza INCA Energy+Oxford.

Dispozitivul (Fig. 29) este destinat cercetării în toate domeniile științei materialelor, în domeniul nano- și biotehnologiilor. Dispozitivul vă permite să lucrați cu mostre mari și, de asemenea, acceptă modul de presiune variabilă pentru studiul probelor neconductoare fără pregătire. Orez. 29. SPM Supra50VP

OPȚIUNI:

Tensiune de accelerare 100 V – 30 kV (catod de emisie de câmp)

Max. crește la x 900000

Rezoluție ultra-înaltă – până la 1 nm (la 20 kV)

Mod de vid cu presiune variabilă de la 2 la 133 Pa

Tensiune de accelerare – de la 0,1 la 30 kV

Masa motorizata cu cinci grade de libertate

Rezoluția detectorului EDX 129 eV pe linia Ka(Mn), viteza de numărare de până la 100.000 de contorizări/s

3) Microscop modernizat LEO SUPRA 25 cu coloană „GEMINI” și emisie de câmp (Fig. 30).

– Proiectat pentru cercetarea în nanoanaliză

– Poate conecta atât sisteme EDX, cât și WDX pentru microanaliza

– Rezoluție 1,5 nm la 20 kV, 2 nm la 1 kV.

Concluzie

În ultimii ani, utilizarea microscopiei cu sonde a făcut posibilă obținerea de rezultate științifice unice în diferite domenii ale fizicii, chimiei și biologiei.

Dacă primele microscoape cu sondă de scanare au fost dispozitive indicator pentru cercetarea calitativă, atunci un microscop cu sondă de scanare modern este un dispozitiv care integrează până la 50 de tehnici de cercetare diferite. Este capabil să efectueze mișcări specificate în sistemul sondă-probă cu o precizie de 0,1%, calculând factorul de formă a sondei, efectuând măsurători de precizie de dimensiuni destul de mari (până la 200 µm în planul de scanare și 15 - 20 µm în înălțime). ) și, în același timp, oferă rezoluție submoleculară.

Microscoapele cu sondă de scanare au devenit una dintre cele mai populare clase de instrumente pentru cercetarea științifică de pe piața mondială. Sunt create în mod constant noi modele de dispozitive, specializate pentru diverse aplicații.

Dezvoltarea dinamică a nanotehnologiei necesită extinderea din ce în ce mai mare a capacităţilor tehnologiei de cercetare. Companii de înaltă tehnologie din întreaga lume lucrează la crearea de nanocomplexe de cercetare și tehnologice care combină grupuri întregi de metode analitice, precum: spectroscopie Raman, spectroscopie de luminiscență, spectroscopie cu raze X pentru analiză elementară, microscopie optică de înaltă rezoluție, microscopie electronică. , ciorchine de tehnici de ioni focalizați. Sistemele dobândesc capacități intelectuale puternice: capacitatea de a recunoaște și clasifica imaginile, de a evidenția contrastele necesare, sunt dotate cu capacitatea de a simula rezultate, iar puterea de calcul este asigurată de utilizarea supercalculatoarelor.

Tehnologia dezvoltată are capacități puternice, dar scopul final al utilizării sale este obținerea de rezultate științifice. Stăpânirea capabilităților acestei tehnologii în sine este o sarcină de mare complexitate, care necesită pregătirea unor specialiști cu înaltă calificare, capabili să utilizeze eficient aceste dispozitive și sisteme.

Bibliografie

1. Nevolin V.K. Fundamentals of tunnel-probe technology / V.K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996, - 91 p.

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

3. Volodin A.P. Microscopie cu scanare / A. P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 p.

4. Scanning probe microscopy of biopolymers / Editat de I. V. Yaminsky, - M.: Scientific World, 1997, - 86 p.

5. Mironov V. Fundamentele microscopiei cu sonde de scanare / V. Mironov, – M.: Tehnosfera, 2004, – 143 p.

6. Rykov S. A. Microscopie cu sondă de scanare a materialelor semiconductoare / S. A. Rykov, – Sankt Petersburg: Nauka, 2001, – 53 p.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Microscopie cu sondă de scanare pentru știință și industrie / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Electronică: știință, tehnologie, afaceri, – 1997, – Nr. 5, – Cu. 7 – 14.