Travaux de cours : Microscopie à sonde à balayage. Résolution spatiale des microscopes à sonde

7.Utilisation d'un microscope à sonde à balayage pour l'étude d'objets biologiques

7. Application d'un microscope à sonde à balayage pour l'étude d'objets biologiques 1

7.1. Objectifs du travail 2

7.2. Informations pour l'enseignant 3

7.4. Lignes directrices 31

7.5. Sécurité 32

7.6. Tâche 32

7.7. Questions du test 32

7.8. Littérature 32

Les travaux de laboratoire ont été développés par l'Université d'État de Nijni Novgorod. N.I. Lobatchevski

7.1.Objectifs du travail

L'étude des paramètres morphologiques des structures biologiques est une tâche importante pour les biologistes, puisque la taille et la forme de certaines structures déterminent en grande partie leurs propriétés physiologiques. En comparant les données morphologiques avec les caractéristiques fonctionnelles, on peut obtenir des informations complètes sur la participation des cellules vivantes au maintien de l'équilibre physiologique du corps humain ou animal.

Auparavant, les biologistes et les médecins avaient la possibilité d'étudier leurs préparations uniquement à l'aide de microscopes optiques et électroniques. Ces études ont fourni un aperçu de la morphologie des cellules fixées, colorées et recouvertes de fines couches métalliques produites par pulvérisation cathodique. Il n'était pas possible d'étudier la morphologie des objets vivants et ses évolutions sous l'influence de divers facteurs, mais c'était très tentant.

La microscopie à sonde à balayage (SPM) a ouvert de nouvelles opportunités dans l'étude des cellules, des bactéries, des molécules biologiques et de l'ADN dans des conditions aussi proches que possible des conditions natives. SPM permet d'étudier des objets biologiques sans fixateurs ni colorants spéciaux, dans l'air ou même en milieu liquide.

Actuellement, la SPM est utilisée dans une grande variété de disciplines, tant dans la recherche scientifique fondamentale que dans les développements appliqués de haute technologie. De nombreux instituts de recherche du pays sont équipés d'équipements de microscopie à sonde. À cet égard, la demande de spécialistes hautement qualifiés ne cesse de croître. Pour répondre à cette exigence, la société NT-MDT (Zelenograd, Russie) a développé un laboratoire pédagogique et scientifique spécialisé en microscopie à sonde à balayage. NanoÉducateur.

SPM NanoÉducateur spécialement conçu pour les travaux de laboratoire des étudiants. Cet appareil s'adresse au public étudiant : il se pilote entièrement à l'aide d'un ordinateur, possède une interface simple et intuitive, un support d'animation, implique une évolution technique pas à pas, l'absence de réglages complexes et de consommables peu coûteux.

Dans ce travail de laboratoire, vous découvrirez la microscopie à sonde à balayage, vous familiariserez avec ses bases, étudierez la conception et les principes de fonctionnement du système éducatif. SPM NanoÉducateur, apprenez à préparer des préparations biologiques pour la recherche, obtenez votre première image SPM d'un complexe de bactéries lactiques et apprenez les bases du traitement et de la présentation des résultats de mesure.

7.2.Informations pour l'enseignant 1

Les travaux de laboratoire se déroulent en plusieurs étapes :

1. La préparation des échantillons est effectuée par chaque étudiant individuellement.

2. La première image est obtenue sur un appareil sous la supervision d'un enseignant, puis chaque élève examine son échantillon indépendamment.

3. Les données expérimentales sont traitées individuellement par chaque étudiant.

Échantillon pour la recherche : bactéries lactiques sur une lamelle.

Avant de commencer les travaux, il est nécessaire de sélectionner une sonde présentant la caractéristique amplitude-fréquence la plus caractéristique (un seul maximum symétrique) et d'obtenir une image de la surface de l'échantillon étudié.

Le rapport de laboratoire doit comprendre :

1. partie théorique (réponses aux questions de contrôle).

2. résultats de la partie expérimentale (description des recherches menées, résultats obtenus et conclusions tirées).

1. Méthodes d'étude de la morphologie des objets biologiques.

2. Microscope à sonde à balayage :

Conception GPS ;

types de SPM : STM, AFM ;

Format de données SPM, visualisation des données SPM.

3. Préparation des échantillons pour les études SPM :

morphologie et structure des cellules bactériennes ;

préparation de préparations pour l'étude de la morphologie à l'aide de SPM.

4. Introduction au programme de conception et de contrôle du NanoEducator SPM.

5. Obtention d'une image SPM.

6. Traitement et analyse des images obtenues. Caractérisation quantitative des images SPM.

Méthodes d'étude de la morphologie des objets biologiques

Le diamètre caractéristique des cellules est de 10  20 μm, des bactéries de 0,5 à 3  5 μm, ces valeurs sont 5 fois plus petites que la plus petite particule visible à l'œil nu. Par conséquent, la première étude des cellules n’est devenue possible qu’après l’avènement des microscopes optiques. Fin du XVIIe siècle. Antonio van Leeuwenhoek a fabriqué le premier microscope optique ; avant cela, les gens ne soupçonnaient même pas l'existence de microbes et de bactéries pathogènes [Lit. 7-1].

Microscopie optique

Les difficultés d'étude des cellules sont dues au fait qu'elles sont incolores et transparentes, de sorte que la découverte de leurs structures de base n'a eu lieu qu'après l'introduction des colorants dans la pratique. Les colorants fournissaient un contraste d'image suffisant. À l'aide d'un microscope optique, vous pouvez distinguer des objets espacés de 0,2 µm, c'est-à-dire Les plus petits objets encore visibles au microscope optique sont les bactéries et les mitochondries. Les images d’éléments cellulaires plus petits sont déformées par les effets provoqués par la nature ondulatoire de la lumière.

Pour préparer des préparations longue durée, les cellules sont traitées avec un agent fixateur pour les immobiliser et les préserver. De plus, la fixation augmente l’accessibilité des cellules aux colorants, car Les macromolécules cellulaires sont maintenues ensemble par des liaisons croisées, qui les stabilisent et les fixent dans une certaine position. Le plus souvent, les aldéhydes et les alcools agissent comme fixateurs (par exemple, le glutaraldéhyde ou le formaldéhyde forment des liaisons covalentes avec des groupes aminés libres de protéines et réticulent les molécules voisines). Une fois fixé, le tissu est généralement découpé en coupes très fines (1 à 10 µm d'épaisseur) à l'aide d'un microtome, qui sont ensuite placées sur une lame de verre. Cette méthode de préparation peut endommager la structure des cellules ou des macromolécules, c'est pourquoi la congélation rapide est la méthode préférée. Le tissu congelé est coupé avec un microtome installé dans une chambre froide. Après préparation des coupes, les cellules sont colorées. Les colorants organiques (vert malachite, noir soudan, etc.) sont principalement utilisés à cet effet. Chacun d'eux se caractérise par une certaine affinité pour les composants cellulaires, par exemple l'hématoxyline a une affinité pour les molécules chargées négativement, et permet donc de détecter l'ADN dans les cellules. Si une molécule particulière est présente dans une cellule en petites quantités, il est alors plus pratique d’utiliser la microscopie à fluorescence.

Microscopie à fluorescence

Les colorants fluorescents absorbent la lumière d’une longueur d’onde et émettent la lumière d’une autre longueur d’onde plus longue. Si une telle substance est irradiée avec une lumière dont la longueur d'onde correspond à la longueur d'onde de la lumière absorbée par le colorant, puis qu'un filtre est utilisé pour l'analyse qui transmet la lumière avec une longueur d'onde correspondant à la lumière émise par le colorant, la molécule fluorescente peut être détectée. en brillant dans le champ sombre. La forte intensité de la lumière émise est une caractéristique de ces molécules. L'utilisation de colorants fluorescents pour colorer les cellules implique l'utilisation d'un microscope fluorescent spécial. Ce microscope est similaire à un microscope optique classique, mais la lumière d'un puissant illuminateur passe à travers deux ensembles de filtres - l'un pour arrêter une partie du rayonnement de l'illuminateur. devant l’échantillon et l’autre pour filtrer la lumière reçue de l’échantillon. Le premier filtre est sélectionné de telle manière qu'il transmet uniquement la lumière de la longueur d'onde qui excite un colorant fluorescent particulier ; en même temps, un deuxième filtre bloque cette lumière incidente et transmet la lumière de la longueur d'onde émise par le colorant lorsqu'il devient fluorescent.

La microscopie à fluorescence est souvent utilisée pour identifier des protéines spécifiques ou d'autres molécules qui deviennent fluorescentes après avoir été liées de manière covalente à des colorants fluorescents. A cet effet, deux colorants sont généralement utilisés - la fluorescéine, qui produit une fluorescence jaune-vert intense lors d'une excitation avec une lumière bleu clair, et la rhodamine, provoquant une fluorescence rouge foncé après excitation par la lumière jaune-verte. En utilisant à la fois la fluorescéine et la rhodamine pour la coloration, il est possible d'obtenir la distribution de diverses molécules.

Microscopie à fond noir

Le moyen le plus simple de voir les détails de la structure d’une cellule est d’observer la lumière diffusée par les différents composants de la cellule. Dans un microscope à fond sombre, les rayons de l'illuminateur sont dirigés depuis le côté et seuls les rayons diffusés pénètrent dans la lentille du microscope. En conséquence, la cellule ressemble à un objet illuminé sur un champ sombre. L’un des principaux avantages de la microscopie à fond noir est la capacité d’observer le mouvement des cellules pendant le processus de division et de migration. Les mouvements cellulaires sont généralement très lents et difficiles à observer en temps réel. Dans ce cas, un micro-filmage ou un enregistrement vidéo image par image (time-lapse) est utilisé. Les images consécutives sont séparées dans le temps, mais lorsque l'enregistrement est lu à vitesse normale, l'image des événements réels est accélérée.

Ces dernières années, les caméras vidéo et les technologies de traitement d’images associées ont considérablement amélioré les capacités de la microscopie optique. Grâce à leur utilisation, il a été possible de surmonter les difficultés provoquées par les particularités de la physiologie humaine. Ce sont ça :

1. Dans des conditions normales, l’œil n’enregistre pas une lumière très faible.

2. L’œil est incapable de détecter de petites différences d’intensité lumineuse sur un fond clair.

Le premier de ces problèmes a été surmonté grâce à l’ajout de caméras vidéo à ultra-haute sensibilité au microscope. Cela a permis d’observer les cellules pendant de longues périodes dans des conditions de faible luminosité, éliminant ainsi une exposition prolongée à une lumière vive. Les systèmes d’imagerie sont particulièrement importants pour étudier les molécules fluorescentes dans les cellules vivantes. Puisque l’image est produite par la caméra vidéo sous forme de signaux électroniques, elle peut être convertie de manière appropriée en signaux numériques, envoyée à un ordinateur, puis traitée pour en extraire des informations cachées.

Le contraste élevé obtenu avec la microscopie interférentielle informatique permet d'observer même de très petits objets, tels que des microtubules individuels, dont le diamètre est inférieur au dixième de la longueur d'onde de la lumière (0,025 μm). Les microtubules individuels peuvent également être observés en microscopie à fluorescence. Cependant, dans les deux cas, des effets de diffraction sont inévitables, modifiant fortement l’image. Dans ce cas, le diamètre des microtubules est surestimé (0,2 µm), ce qui ne permet pas de distinguer les microtubules individuels d'un faisceau de plusieurs microtubules. Pour résoudre ce problème, il faut un microscope électronique dont la limite de résolution est décalée bien au-delà de la longueur d'onde de la lumière visible.

Microscopie électronique

La relation entre la longueur d’onde et la limite de résolution est également vraie pour les électrons. Cependant, pour un microscope électronique, la limite de résolution est nettement inférieure à la limite de diffraction. La longueur d’onde d’un électron diminue à mesure que sa vitesse augmente. Dans un microscope électronique avec une tension de 100 000 V, la longueur d'onde électronique est de 0,004 nm. Selon la théorie, la résolution d'un tel microscope est de 0,002 nm. Cependant, en réalité, en raison des petites ouvertures numériques des lentilles électroniques, la résolution des microscopes électroniques modernes est, au mieux, de 0,1 nm. Les difficultés de préparation des échantillons et les dommages causés par les radiations réduisent considérablement la résolution normale, qui pour les objets biologiques est de 2 nm (environ 100 fois supérieure à celle d'un microscope optique).

La source d'électrons dans microscope électronique à transmission (TEM) est un filament cathodique situé au sommet d'une colonne cylindrique d'environ deux mètres de haut. Pour éviter la diffusion des électrons lors d'une collision avec des molécules d'air, un vide est créé dans la colonne. Les électrons émis par le filament cathodique sont accélérés par une anode proche et traversent un petit trou, formant un faisceau d'électrons qui se déplace vers le bas de la colonne. Le long de la colonne, à une certaine distance, se trouvent des aimants annulaires qui focalisent le faisceau électronique, comme des lentilles de verre focalisant un faisceau de lumière dans un microscope optique. L'échantillon est placé à l'intérieur de la colonne à travers un sas, sur le trajet du faisceau d'électrons. Une partie des électrons au moment de traverser l'échantillon est dispersée en fonction de la densité de la substance dans cette zone, le reste des électrons est focalisé et forme une image (semblable à la formation d'une image dans un microscope optique) sur plaque photographique ou sur écran phosphorescent.

L’un des principaux inconvénients de la microscopie électronique est que les échantillons biologiques doivent être soumis à un traitement spécial. Tout d’abord, ils sont fixés d’abord avec du glutaraldéhyde puis avec de l’acide osmique, qui lie et stabilise la bicouche de lipides et de protéines. Deuxièmement, les électrons ont un faible pouvoir de pénétration, il faut donc réaliser des coupes ultra fines, et pour cela les échantillons sont déshydratés et imprégnés de résines. Troisièmement, pour améliorer le contraste, les échantillons sont traités avec des sels de métaux lourds tels que l'osmium, l'uranium et le plomb.

Afin d'obtenir une image tridimensionnelle de la surface, on utilise microscope électronique à balayage (MEB), qui utilise les électrons diffusés ou émis par la surface de l'échantillon. Dans ce cas, l’échantillon est fixé, séché et recouvert d’un mince film de métal lourd, puis scanné avec un faisceau étroit d’électrons. Dans ce cas, le nombre d'électrons diffusés lors de l'irradiation de la surface est estimé. La valeur obtenue est utilisée pour contrôler l'intensité du deuxième faisceau, qui se déplace de manière synchrone avec le premier et forme une image sur l'écran du moniteur. La résolution de la méthode est d’environ 10 nm et elle n’est pas applicable à l’étude des organites intracellulaires. L'épaisseur des échantillons étudiés par cette méthode est déterminée par la capacité de pénétration des électrons ou leur énergie.

Les inconvénients principaux et significatifs de toutes ces méthodes sont la durée, la complexité et le coût élevé de la préparation des échantillons.

Microscopie à sonde à balayage

Dans un microscope à sonde à balayage (SPM), au lieu d'un faisceau d'électrons ou d'un rayonnement optique, une sonde pointue, une aiguille, est utilisée pour scanner la surface de l'échantillon. Au sens figuré, nous pouvons dire que si un échantillon est examiné au microscope optique ou électronique, alors dans un SPM, il est ressenti. De ce fait, il est possible d'obtenir des images tridimensionnelles d'objets dans différents milieux : vide, air, liquide.

Les conceptions spéciales SPM, adaptées à la recherche biologique, permettent une observation optique simultanée pour scanner à la fois les cellules vivantes dans divers milieux liquides et les préparations fixes dans l'air.

Microscope à sonde à balayage

Le nom d'un microscope à sonde à balayage reflète le principe de son fonctionnement : un balayage de la surface d'un échantillon, au cours duquel une lecture point par point du degré d'interaction de la sonde avec la surface est effectuée. La taille de la zone de numérisation et le nombre de points qu'elle contient N X ·N Y peuvent être spécifiés. Plus le nombre de points spécifiés est élevé, plus la résolution de l'image de surface est élevée. La distance entre les points de lecture du signal est appelée pas de balayage. Le pas de numérisation doit être plus petit que les détails de la surface étudiée. La sonde se déplace pendant le processus de balayage (voir Fig. 7-1) linéairement dans le sens avant et arrière (dans le sens de balayage rapide), la transition vers la ligne suivante s'effectue dans le sens perpendiculaire (dans le sens de balayage lent). .

Riz. 7 1. Représentation schématique du processus de numérisation
(le signal est lu pendant la course avant du scanner)

Selon la nature du signal lu, les microscopes à balayage ont des noms et des objectifs différents :

au microscope à force atomique (AFM), les forces d'interaction interatomique entre les atomes de la sonde et les atomes de l'échantillon sont lues ;

le microscope à tunnel (STM) lit le courant tunnel circulant entre l'échantillon conducteur et la sonde conductrice ;

au microscope à force magnétique (MFM), les forces d'interaction entre une sonde recouverte d'un matériau magnétique et un échantillon détectant des propriétés magnétiques sont lues ;

Un microscope à force électrostatique (ESM) permet d'obtenir une image de la répartition du potentiel électrique à la surface d'un échantillon. On utilise des sondes dont la pointe est recouverte d'un mince film conducteur (or ou platine).

Conception GPS

Le SPM se compose des composants principaux suivants (Fig. 7-2) : une sonde, des actionneurs piézoélectriques pour déplacer la sonde en X, Y, Z sur la surface de l'échantillon étudié, un circuit de rétroaction et un ordinateur pour contrôler le balayage. processus et acquisition d’images.

Figure 7 2. Schéma d'un microscope à sonde à balayage

Capteur de sonde – un composant d’un microscope à sonde de force qui scanne l’échantillon. Le capteur de sonde contient un porte-à-faux (console à ressort) de type rectangulaire (en forme de I) ou triangulaire (en forme de V) (Fig. 7 -3), à l'extrémité duquel se trouve une sonde pointue (Fig. 7 -3) , ayant généralement une forme conique ou pyramidale . L'autre extrémité du cantilever est reliée au substrat (avec ce qu'on appelle la puce). Les capteurs de sonde sont en silicium ou en nitrure de silicium. La principale caractéristique d'un cantilever est la constante de force (constante de rigidité), elle varie de 0,01 N/m à 1020 N/m. Pour étudier les objets biologiques, des sondes « douces » d'une dureté de 0,01  0,06 N/m sont utilisées.

Riz. 7 3. Images de capteurs de sondes AFM pyramidales
obtenu au microscope électronique :
a – Type en forme de I, b – Type en forme de V, c – Pyramide à l'extrémité du porte-à-faux

Actionneurs piézoélectriques ou scanners - pour un mouvement contrôlé de la sonde sur l'échantillon ou de l'échantillon lui-même par rapport à la sonde à des distances ultra-courtes. Les actionneurs piézoélectriques utilisent des matériaux piézocéramiques qui changent de taille lorsqu'une tension électrique leur est appliquée. Le processus de modification des paramètres géométriques sous l’influence d’un champ électrique est appelé effet piézoélectrique inverse. Le piézomatériau le plus courant est le titanate de zirconate de plomb.

Le scanner est une structure piézocéramique qui permet un mouvement selon trois coordonnées : x, y (dans le plan latéral de l'échantillon) et z (verticalement). Il existe plusieurs types de scanners, les plus courants étant les scanners à trépied et à tube (Figure 7-4).

Riz. 7 4. Modèles de scanner : a) – trépied, b) – tubulaire

Dans un scanner trépied, les mouvements selon trois coordonnées sont assurés par trois tiges piézocéramiques indépendantes formant une structure orthogonale.

Dans un scanner tubulaire, un tube piézoélectrique creux se plie dans les plans XZ et ZY et se dilate ou se contracte le long de l'axe Z lorsque des tensions appropriées sont appliquées aux électrodes qui contrôlent les mouvements du tube. Les électrodes permettant de contrôler le mouvement dans le plan XY sont situées sur la surface extérieure du tube ; pour contrôler le mouvement dans Z, des tensions égales sont appliquées aux électrodes X et Y.

Circuit de rétroaction – un ensemble d'éléments SPM, à l'aide desquels, lors du balayage, la sonde est maintenue à une distance fixe de la surface de l'échantillon (Fig. 7 -5). Pendant le processus de balayage, la sonde peut être localisée sur des zones de la surface de l'échantillon présentant une topographie différente. Dans ce cas, la distance sonde-échantillon Z changera et l'ampleur de l'interaction pointe-échantillon changera en conséquence.

Riz. 7 5. Circuit de rétroaction du microscope à sonde à balayage

À mesure que la sonde s'approche de la surface, les forces d'interaction sonde-échantillon augmentent et le signal provenant de l'appareil d'enregistrement augmente également. V(t), lequel exprimé en unités de tension. Le comparateur compare le signal V(t) avec tension de référence V justificatif et génère un signal de correction V correspondant. Signal de correction V correspondant est introduit dans le scanner et la sonde est rétractée de l'échantillon. La tension de référence est la tension correspondant au signal provenant de l'appareil d'enregistrement lorsque la sonde est à une distance spécifiée de l'échantillon. En maintenant cette distance pointe-échantillon spécifiée pendant le processus de numérisation, le système de rétroaction maintient la force d'interaction pointe-échantillon spécifiée.

Riz. 7 6. Trajectoire du mouvement relatif de la sonde pendant le processus de maintien d'une force constante d'interaction pointe-échantillon par le système de rétroaction

Sur la fig. 7-6 montre la trajectoire de la sonde par rapport à l'échantillon tout en maintenant une force d'interaction sonde-échantillon constante. Si la sonde est au-dessus de la fosse, une tension est appliquée au scanner, ce qui provoque l'extension du scanner, abaissant la sonde.

La vitesse de réponse du circuit de rétroaction à un changement de la distance sonde-échantillon (interaction sonde-échantillon) est déterminée par la constante du circuit de rétroaction K. Valeurs K dépendent des caractéristiques de conception d'un SPM particulier (conception et caractéristiques du scanner, électronique), du mode de fonctionnement du SPM (taille de la zone de numérisation, vitesse de numérisation, etc.), ainsi que des caractéristiques de la surface étudiée (échelle des reliefs, dureté des matériaux, etc.).

Types de GPS

Microscope à effet tunnel

En STM, le dispositif d'enregistrement (Fig. 7-7) mesure le courant tunnel circulant entre la sonde métallique, qui varie en fonction du potentiel à la surface de l'échantillon et de la topographie de sa surface. La sonde est une aiguille aiguisée dont le rayon de la pointe peut atteindre plusieurs nanomètres. Des métaux à haute dureté et résistance chimique sont généralement utilisés comme matériaux de sonde : tungstène ou platine.

Riz. 7 7. Schéma d'un capteur à sonde tunnel

Une tension est appliquée entre la sonde conductrice et l'échantillon conducteur. Lorsque la pointe de la sonde est à environ 10 A de l'échantillon, les électrons de l'échantillon commencent à traverser l'espace jusqu'à la sonde ou vice versa, selon le signe de la tension (Fig. 7 - 8).

Riz. 7 8. Représentation schématique de l'interaction de la pointe de la sonde avec l'échantillon

Le courant tunnel résultant est mesuré par un appareil d'enregistrement. Sa taille je T proportionnel à la tension appliquée au contact tunnel V et dépend de manière exponentielle de la distance entre l'aiguille et l'échantillon d.

Ainsi, de petits changements dans la distance entre la pointe de la sonde et l'échantillon d correspondent à des changements exponentiels importants dans le courant tunnel je T(en supposant une tension V maintenu constant). De ce fait, la sensibilité du capteur de la sonde tunnel est suffisante pour détecter des changements de hauteur inférieurs à 0,1 nm et, par conséquent, obtenir une image des atomes à la surface d'un solide.

Microscope à force atomique

Le capteur de sonde le plus courant d'interaction de force atomique est un porte-à-faux à ressort (de l'anglais cantilever - console) avec une sonde située à son extrémité. La quantité de flexion en porte-à-faux résultant de l'interaction de force entre l'échantillon et la sonde (Figure 7 à 9) est mesurée à l'aide d'un circuit d'enregistrement optique.

Le principe de fonctionnement du capteur de force repose sur l'utilisation de forces atomiques agissant entre les atomes de la sonde et les atomes de l'échantillon. Lorsque la force sonde-échantillon change, la quantité de flexion en porte-à-faux change, et ce changement est mesuré par le système d'enregistrement optique. Ainsi, un capteur de force atomique est une sonde aux arêtes vives et à haute sensibilité, qui permet d'enregistrer les forces d'interaction entre les atomes individuels.

Pour les petites courbures, la relation entre la force sonde-échantillon F et déviation de la pointe en porte-à-faux x est déterminé par la loi de Hooke :

Où k – constante de force (constante de rigidité) du cantilever.

Par exemple, si un porte-à-faux avec une constante est utilisé k de l'ordre de 1 n/m, puis sous l'action d'une force d'interaction pointe-échantillon de l'ordre de 0,1 nanonewton, l'amplitude de la déflexion du porte-à-faux sera d'environ 0,1 nm.

Pour mesurer de si petits mouvements, un capteur de déplacement optique (Figure 7-9), composé d'un laser à semi-conducteur et d'une photodiode à quatre sections, est généralement utilisé. Lorsque le porte-à-faux se plie, le faisceau laser réfléchi par celui-ci se déplace par rapport au centre du photodétecteur. Ainsi, la courbure du porte-à-faux peut être déterminée par le changement relatif de l'éclairage des moitiés supérieure (T) et inférieure (B) du photodétecteur.

Figure 7 9. Schéma du capteur de puissance

Dépendance des forces d'interaction sonde-échantillon sur la distance sonde-échantillon

Lorsque la sonde s’approche de l’échantillon, elle est d’abord attirée vers la surface en raison de la présence de forces attractives (forces de Van der Waals). À mesure que la sonde s'approche de l'échantillon, les couches électroniques des atomes à l'extrémité de la sonde et les atomes à la surface de l'échantillon commencent à se chevaucher, ce qui conduit à l'apparition d'une force répulsive. À mesure que la distance diminue, la force répulsive devient dominante.

En général, la dépendance de la force de l'interaction interatomique F sur la distance entre les atomes R. a la forme :

.

Constantes un Et b et les exposants m Et n dépendent du type d’atomes et du type de liaisons chimiques. Pour les forces de Van der Waals m=7 et n=3. Qualitativement, la dépendance F(R) est représentée sur la figure. 7-10.

Riz. 7 10. Dépendance de la force d'interaction entre les atomes sur la distance

Format de données SPM, visualisation des données SPM

Les données sur la morphologie de la surface obtenues lors de l'examen au microscope optique sont présentées sous la forme d'une image agrandie d'une surface. Les informations obtenues à l'aide du SPM sont écrites sous la forme d'un tableau bidimensionnel d'entiers A ij . Chaque valeur ij correspond à un point de surface spécifique dans le champ de numérisation. La représentation graphique de ce tableau de nombres est appelée image numérisée SPM.

Les images numérisées peuvent être soit en deux dimensions (2D), soit en trois dimensions (3D). Avec visualisation 2D, chaque point de surface Z= f(x,y) se voit attribuer une certaine tonalité de couleur en fonction de la hauteur du point de surface (Fig. 7 -11 a). Avec visualisation 3D, image de surface Z= f(x,y) est construit dans une perspective axonométrique en utilisant une certaine manière de calculs de pixels ou de lignes de relief. Le moyen le plus efficace de coloriser des images 3D consiste à simuler les conditions d'éclairage de la surface avec une source ponctuelle située à un certain point de l'espace au-dessus de la surface (Fig. 7 -11 b). Dans le même temps, il est possible de souligner les petites caractéristiques individuelles du relief.

Riz. 7 11. Lymphocytes du sang humain :
a) Image 2D, b) Image 3D avec éclairage latéral

Préparation des échantillons pour l'examen SPM

Morphologie et structure des cellules bactériennes

Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires qui ont une forme diversifiée et une structure complexe, qui déterminent la diversité de leurs activités fonctionnelles. Les bactéries sont caractérisées par quatre formes principales : sphérique (sphérique), cylindrique (en forme de bâtonnet), alambiquée et filamenteuse [Réf. 7-2].

Cocci (bactéries sphériques) - selon le plan de division et l'emplacement des individus, ils sont divisés en microcoques (coques séparés), diplocoques (coques appariés), streptocoques (chaînes de coques), staphylocoques (en forme de raisin), tétracoques ( formations de quatre coques) et sarcina (paquets de 8 ou 16 coques).

En forme de tige – les bactéries se trouvent sous forme de cellules uniques, de diplo- ou de streptobactéries.

Tordu – vibrions, spirilles et spirochètes. Les vibrions ont l'apparence de bâtonnets légèrement incurvés, les spirilles ont une forme alambiquée avec plusieurs boucles en spirale.

La taille des bactéries varie de 0,1 à 10 microns. La composition d'une cellule bactérienne comprend une capsule, une paroi cellulaire, une membrane cytoplasmique et un cytoplasme. Le cytoplasme contient des nucléotides, des ribosomes et des inclusions. Certaines bactéries sont équipées de flagelles et de villosités. Un certain nombre de bactéries forment des spores. Dépassant la taille transversale initiale de la cellule, les spores lui donnent une forme fusiforme.

Pour étudier la morphologie des bactéries au microscope optique, on en prépare des préparations natives (intravitales) ou des frottis fixes colorés au colorant aniline. Il existe des méthodes de coloration spéciales pour identifier les flagelles, les parois cellulaires, les nucléotides et diverses inclusions cytoplasmiques.

L’examen SPM de la morphologie des cellules bactériennes ne nécessite pas de coloration de la préparation. SPM permet de déterminer la forme et la taille des bactéries avec un haut degré de résolution. Avec une préparation minutieuse du médicament et l'utilisation d'une sonde avec un petit rayon de courbure, il est possible d'identifier les flagelles. Dans le même temps, en raison de la grande rigidité de la paroi cellulaire bactérienne, il est impossible de « sonder » les structures intracellulaires, comme cela peut être fait dans certaines cellules animales.

Préparation des préparations pour l'étude SPM de la morphologie

Pour la première expérience de travail avec SPM, il est recommandé de choisir une préparation biologique qui ne nécessite pas de préparation complexe. Les bactéries lactiques facilement accessibles et non pathogènes provenant de la saumure de choucroute ou des produits laitiers fermentés conviennent tout à fait.

Pour la recherche SPM dans l'air, il est nécessaire de fixer fermement l'objet étudié sur la surface du substrat, par exemple sur une lamelle. De plus, la densité de bactéries dans la suspension doit être telle que les cellules ne collent pas entre elles lorsqu'elles sont déposées sur le substrat, et la distance entre elles ne doit pas être trop grande afin que lors du balayage il soit possible de prendre plusieurs objets dans un même cadre. . Ces conditions sont remplies si le mode de préparation des échantillons est choisi correctement. Si vous appliquez une goutte d'une solution contenant des bactéries sur un substrat, leur dépôt et leur adhésion progressifs se produiront. Les principaux paramètres doivent être pris en compte la concentration de cellules dans la solution et le temps de sédimentation. La concentration de bactéries dans la suspension est déterminée à l'aide d'un étalon optique de turbidité.

Dans notre cas, un seul paramètre jouera un rôle : le temps d'incubation. Plus la goutte reste longtemps sur le verre, plus la densité de cellules bactériennes est grande. Dans le même temps, si une goutte de liquide commence à sécher, la préparation sera trop fortement contaminée par les composants précipités de la solution. Une goutte d'une solution contenant des cellules bactériennes (saumure) est appliquée sur un verre de protection et laissée pendant 5 à 60 minutes (selon la composition de la solution). Puis, sans attendre que la goutte sèche, rincez abondamment à l'eau distillée (en trempant plusieurs fois la préparation dans un verre avec une pince à épiler). Après séchage, la préparation est prête à être mesurée à l'aide d'un SPM.

A titre d'exemple, nous avons préparé des préparations de bactéries lactiques à partir de saumure de choucroute. Le temps de maintien d'une goutte de saumure sur la lamelle a été choisi comme étant de 5 minutes, 20 minutes et 1 heure (la goutte avait déjà commencé à sécher). Les trames SPM sont illustrées à la Fig. 7-12, fig. 7-13,
Riz. 7-14.

Il ressort clairement des figures que pour cette solution, le temps d'incubation optimal est de 510 minutes. L'augmentation du temps de maintien de la goutte à la surface du substrat entraîne l'adhésion des cellules bactériennes. Lorsqu'une goutte de solution commence à sécher, des composants de la solution se déposent sur le verre et ne peuvent pas être lavés.

Riz. 7 12. Images de bactéries lactiques sur une lamelle,
obtenu à l’aide de SPM.

Riz. 7 13. Images de bactéries lactiques sur une lamelle,
obtenu à l’aide de SPM. Temps d'incubation de la solution 20 min

Riz. 7 14. Images de bactéries lactiques sur une lamelle,
obtenu à l’aide de SPM. Temps d'incubation de la solution 1 heure

À l'aide de l'une des préparations sélectionnées (Fig. 7-12), nous avons essayé de déterminer ce que sont les bactéries lactiques et quelle forme leur est typique dans ce cas. (Fig.7-15)

Riz. 7 15. Image AFM de bactéries lactiques sur une lamelle.
Temps d'incubation de la solution 5 min

Riz. 7 16. Image AFM d'une chaîne de bactéries lactiques sur une lamelle.
Temps d'incubation de la solution 5 min

La saumure est caractérisée par le fait que les bactéries sont en forme de bâtonnet et disposées en chaîne.

Riz. 7 17. Fenêtre du programme de contrôle du logiciel éducatif SPM NanoEducator.
Barre d'outils

À l’aide des outils du programme éducatif SPM NanoEducator, nous avons déterminé la taille des cellules bactériennes. Ils variaient d'environ 0,5 × 1,6 µm
jusqu'à 0,8 × 3,5 µm.

Les résultats obtenus sont comparés aux données fournies dans le déterminant bactérien de Bergey [Lit. 7-3].

Les bactéries lactiques sont classées comme lactobacilles (Lactobacillus). Les cellules ont l’apparence de bâtonnets, généralement de forme régulière. Les bâtonnets sont longs, parfois presque coccoïdes, généralement en chaînes courtes. Dimensions 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 microns. Ils ne forment pas de dispute ; dans de rares cas, ils sont mobiles en raison des flagelles péritritriches. Largement distribué dans l'environnement, particulièrement commun dans les produits alimentaires d'origine animale et végétale. Les bactéries lactiques font partie de la microflore normale du tube digestif. Tout le monde sait que la choucroute, en plus de contenir des vitamines, est utile pour améliorer la microflore intestinale.

Conception d'un microscope à sonde à balayage NanoÉducateur

Sur la fig. 7 -18 montre l'apparence de la tête de mesure SPM NanoÉducateur et les principaux éléments de l'appareil utilisés pendant le fonctionnement sont indiqués.

Riz. 7 18. Aspect de la tête de mesure NanoEducator SPM
1- base, 2- porte-échantillon, 3- capteur d'interaction, 4- vis de fixation du capteur,
5 vis pour la saisie manuelle, 6 vis pour déplacer le scanner avec l'échantillon dans le plan horizontal, 7 capots de protection avec caméra vidéo

Sur la fig. 7 -19 montre la conception de la tête de mesure. Sur la base 1 se trouve un scanner 8 avec un porte-échantillon 7 et un mécanisme d'alimentation en échantillon de la sonde 2 basé sur un moteur pas à pas. En éducation SPM NanoÉducateur l'échantillon est fixé au scanner et l'échantillon est scanné par rapport à une sonde fixe. La sonde 6, montée sur le capteur d'interaction de force 4, peut également être amenée sur l'échantillon à l'aide de la vis d'alimentation manuelle 3. La sélection préliminaire du lieu d'étude sur l'échantillon est réalisée à l'aide de la vis 9.

Riz. 7 19. Conception du SPM NanoEducator : 1 – base, 2 – mécanisme d'alimentation,
3 – vis d'alimentation manuelle, 4 – capteur d'interaction, 5 – vis de fixation du capteur, 6 – sonde,
7 – porte-échantillon, 8 – scanner, 9, 10 – vis pour déplacer le scanner avec l'échantillon

Entraînement SPM NanoÉducateur se compose d'une tête de mesure, d'un contrôleur SPM et d'un ordinateur de contrôle reliés par des câbles. Le microscope est équipé d'une caméra vidéo. Le signal du capteur d'interaction, après conversion dans le préamplificateur, entre dans le contrôleur SPM. Gestion des travaux SPM NanoÉducateur effectué depuis l'ordinateur via le contrôleur SPM.

Capteur et sonde d'interaction de force

Dans l'appareil NanoÉducateur le capteur est réalisé sous la forme d'un tube piézocéramique d'une longueur je=7 mm, diamètre d=1,2 mm et épaisseur de paroi h=0,25 mm, fixé rigidement à une extrémité. Une électrode conductrice est appliquée sur la surface interne du tube. Deux électrodes semi-cylindriques isolées électriquement sont appliquées sur la surface extérieure du tube. Un fil de tungstène d'un diamètre de
100 µm (Fig. 7-20).

Riz. 7 20. Conception du capteur universel du dispositif NanoEducator

L'extrémité libre du fil utilisé comme sonde est affûtée électrochimiquement, le rayon de courbure est de 0,2  0,05 µm. La sonde a un contact électrique avec l'électrode interne du tube, reliée au corps mis à la terre de l'appareil.

La présence de deux électrodes externes sur le tube piézoélectrique permet d'utiliser une partie du tube piézoélectrique (supérieure, conformément à la Fig. 7-21) comme capteur d'interaction de force (capteur de vibration mécanique), et l'autre partie d'être utilisée comme vibrateur piézo. Une tension électrique alternative est fournie au piézovibrateur avec une fréquence égale à la fréquence de résonance du capteur de force. L'amplitude des oscillations à une grande distance sonde-échantillon est maximale. Comme on peut le voir sur la Fig. 7 -22, au cours du processus d'oscillations, la sonde s'écarte de sa position d'équilibre d'une quantité A o égale à l'amplitude de ses oscillations mécaniques forcées (il s'agit de fractions de micromètre), tandis qu'une tension électrique alternative apparaît sur la deuxième partie du tube piézo (capteur d'oscillation), proportionnel au déplacement de la sonde, qui est mesuré par l'appareil.

À mesure que la sonde s'approche de la surface de l'échantillon, elle commence à toucher l'échantillon lors des vibrations. Cela entraîne un décalage de la réponse amplitude-fréquence (AFC) des oscillations du capteur vers la gauche par rapport à l'AFC mesurée loin de la surface (Fig. 7 -22). Puisque la fréquence des oscillations de forçage du piézotube est maintenue constante et égale à la fréquence d'oscillation  o à l'état libre, lorsque la sonde s'approche de la surface, l'amplitude de ses oscillations diminue et devient égale à A. Cette amplitude d'oscillation est enregistrée de la deuxième partie du piézotube.

Riz. 7 21. Le principe de fonctionnement d'un tube piézoélectrique
comme capteur d'interaction de force

Riz. 7 22. Modification de la fréquence d'oscillation du capteur de force
à l'approche de la surface de l'échantillon

Scanner

Méthode d'organisation des micro-mouvements utilisée dans l'appareil NanoÉducateur, repose sur l'utilisation d'une membrane métallique serrée sur le pourtour, à la surface de laquelle est collée une plaque piézoélectrique (Fig. 7 -23 a). Changer les dimensions de la plaque piézoélectrique sous l'influence de la tension de commande entraînera une flexion de la membrane. En plaçant de telles membranes sur trois côtés perpendiculaires du cube et en reliant leurs centres avec des poussoirs métalliques, vous pouvez obtenir un scanner à 3 coordonnées (Fig. 7 -23 b).

Riz. 7 23. Principe de fonctionnement (a) et conception (b) du scanner de l'appareil NanoEducator

Chaque élément piézoélectrique 1, fixé aux faces du cube 2, lorsqu'une tension électrique lui est appliquée, peut déplacer le poussoir 3 qui lui est fixé dans l'une des trois directions mutuellement perpendiculaires - X, Y ou Z. Comme on peut le voir sur le figure, les trois poussoirs sont connectés en un seul point 4 Avec une certaine approximation, nous pouvons supposer que ce point se déplace selon trois coordonnées X, Y, Z. Un support 5 avec un porte-échantillon 6 est fixé au même point. Ainsi, l'échantillon se déplace selon trois coordonnées sous l'influence de trois sources de tension indépendantes. Dans les appareils NanoÉducateur le mouvement maximum de l'échantillon est d'environ 5070 µm, ce qui détermine la zone de numérisation maximale.

Mécanisme d'approche automatisée de la sonde vers l'échantillon (capture de feedback)

La plage de mouvement du scanner le long de l'axe Z est d'environ 10 µm, donc avant de scanner, il est nécessaire de rapprocher la sonde de l'échantillon à cette distance. À cet effet, le mécanisme d'alimentation est conçu, dont le schéma est illustré à la Fig. 7-19. Le moteur pas à pas 1, lorsque des impulsions électriques lui sont appliquées, fait tourner la vis d'alimentation 2 et déplace la barre 3 avec la sonde 4, la rapprochant ou l'éloignant de l'échantillon 5 installé sur le scanner 6. La taille d'un pas est d'environ 2 µm.

Riz. 7 24. Schéma du mécanisme permettant d'amener la sonde à la surface de l'échantillon

Étant donné que le pas du mécanisme d'approche dépasse considérablement la distance sonde-échantillon requise pendant le processus de numérisation, afin d'éviter la déformation de la sonde, son approche est effectuée pendant que le moteur pas à pas fonctionne et que le scanner se déplace le long de l'axe Z selon à l'algorithme suivant :

1. Le système de rétroaction est désactivé et le scanner « se rétracte », c'est-à-dire abaisse l'échantillon jusqu'à la position extrême la plus basse.

2. Le mécanisme d'approche de la sonde fait un pas et s'arrête.

3. Le système de rétroaction s'allume et le scanner soulève l'échantillon en douceur, tout en analysant simultanément la présence d'une interaction pointe-échantillon.

4. S'il n'y a pas d'interaction, le processus est répété à partir de l'étape 1.

Si un signal non nul apparaît pendant que le scanner est relevé, le système de rétroaction arrêtera le mouvement ascendant du scanner et fixera le niveau d'interaction à un niveau donné. L'ampleur de l'interaction de force à laquelle l'alimentation de la sonde s'arrêtera et le processus de numérisation se produira dans l'appareil NanoÉducateur caractérisé par le paramètre Suppression d'amplitude (AmplitudeSuppression) :

A = A o . (1- Suppression d'amplitude)

Obtention d'une image SPM

Après avoir appelé le programme NanoÉducateur La fenêtre principale du programme apparaît sur l'écran de l'ordinateur (Fig. 7 -20). Le travail devrait commencer à partir de l'élément de menu Déposer et sélectionnez-le Ouvrir ou Nouveau ou les boutons correspondants sur la barre d'outils (, ).

Sélection de l'équipe Déposer Nouveau signifie le passage à la réalisation des mesures SPM et à la sélection de la commande Déposer Ouvrir désigne la transition vers la visualisation et le traitement des données précédemment reçues. Le programme vous permet de visualiser et de traiter les données en parallèle avec les mesures.

Riz. 7 25. Fenêtre principale du programme NanoEducator

Après avoir exécuté la commande Déposer Nouveau Une boîte de dialogue apparaît à l'écran, qui permet de sélectionner ou de créer un dossier de travail dans lequel les résultats de la mesure en cours seront écrits par défaut. Pendant le processus de mesure, toutes les données reçues sont enregistrées séquentiellement dans des fichiers nommés ScanData+i.spm, où indice je se remet à zéro au démarrage du programme et augmente à chaque nouvelle mesure. Fichiers ScanData+i.spm placé dans le dossier de travail, qui est installé avant de commencer les mesures. Il est possible de sélectionner un dossier de travail différent lors de la prise de mesures. Pour ce faire, vous devez appuyer sur le bouton , situé sur la barre d'outils de la fenêtre principale du programme et sélectionnez l'élément de menu Changer le dossier de travail.

Pour enregistrer les résultats de la mesure en cours, vous devez appuyer sur le bouton Enregistrer sous dans la fenêtre de numérisation dans la boîte de dialogue qui apparaît, sélectionnez un dossier et spécifiez le nom du fichier, ainsi que le fichier ScanData+i.spm, qui sert de fichier de stockage de données temporaire pendant la prise des mesures, sera renommé selon le nom de fichier que vous spécifiez. Par défaut, le fichier sera enregistré dans le dossier de travail attribué avant de démarrer les mesures. Si vous n'effectuez pas l'opération de sauvegarde des résultats de mesure, au prochain démarrage du programme, les résultats enregistrés dans des fichiers temporaires ScanData+i.spm, sera écrasé séquentiellement (sauf si le dossier de travail est modifié). Un avertissement concernant la présence de fichiers temporaires de résultats de mesure dans le dossier de travail est émis avant la fermeture et après le démarrage du programme. Changer le dossier de travail avant de commencer les mesures vous permet de protéger les résultats de l'expérience précédente contre la suppression. Nom standard Données de numérisation peut être modifié en le définissant dans la fenêtre de sélection du dossier de travail. La fenêtre de sélection d'un dossier de travail est appelée lorsque vous appuyez sur le bouton , situé sur la barre d'outils de la fenêtre principale du programme. Vous pouvez également enregistrer les résultats de mesure dans la fenêtre Navigateur de numérisation, en sélectionnant les fichiers nécessaires un par un et en les enregistrant dans le dossier sélectionné.

Il est possible d'exporter les résultats obtenus à l'aide du dispositif NanoEducator au format ASCII et au format Nova (NTMDT), qui peuvent être importés par le programme NT MDT Nova, Image Analysis et d'autres programmes. Les images des scans, les données de leurs coupes et les résultats des mesures de spectroscopie sont exportés au format ASCII. Pour exporter des données, cliquez sur le bouton Exporter situé dans la barre d'outils de la fenêtre principale du programme, ou sélectionnez Exporter dans l'élément de menu Déposer cette fenêtre et sélectionnez le format d'exportation approprié. Les données à traiter et à analyser peuvent être immédiatement envoyées au programme d'analyse d'images pré-lancé.

Après avoir fermé la fenêtre de dialogue, le panneau de commande de l'instrument apparaît à l'écran.
(Fig.7-26).

Riz. 7 26. Panneau de commande de l'appareil

Sur le côté gauche du panneau de commande de l'instrument se trouvent des boutons permettant de sélectionner la configuration SPM :

SMS– microscope à force de balayage (SFM)

STM– microscope à effet tunnel (STM).

Réaliser des mesures sur un SPM NanoEducator de formation consiste à réaliser les opérations suivantes :

1. Exemple d'installation

ATTENTION! Avant d'installer l'échantillon, il est nécessaire de retirer le capteur et la sonde pour éviter d'endommager la sonde.

Il existe deux manières de joindre l'échantillon :

sur platine magnétique (dans ce cas, l'échantillon doit être fixé sur un substrat magnétique) ;

sur ruban adhésif double face.

ATTENTION! Pour installer un échantillon sur du ruban adhésif double face, vous devez dévisser le support du support (afin de ne pas endommager le scanner), puis le revisser jusqu'à ce qu'il s'arrête légèrement.

Dans le cas d'une fixation magnétique, l'échantillon peut être remplacé sans dévisser le porte-échantillon.

2. Installation du capteur de sonde

ATTENTION! Installez toujours le capteur avec la sonde après avoir installé l'échantillon.

Après avoir sélectionné le capteur à sonde souhaité (tenir le capteur par les bords métalliques de la base) (voir Fig. 7 -27), desserrer la vis fixant le capteur à sonde 2 sur le couvercle de la tête de mesure, insérer le capteur dans la prise support jusqu'à ce qu'elle s'arrête, vissez la vis de fixation dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce qu'elle s'arrête légèrement .

Riz. 7 27. Installation du capteur sonde

3. Sélection de l'emplacement de numérisation

Lors de la sélection d'une zone à étudier sur un échantillon, utilisez les vis mobiles de la platine à deux coordonnées située au bas de l'appareil.

4. Approche préliminaire de la sonde à l'échantillon

L'opération d'approche préliminaire n'est pas obligatoire pour chaque mesure ; la nécessité de la réaliser dépend de la distance entre l'échantillon et la pointe de la sonde. Il est conseillé d'effectuer l'opération d'approche préliminaire si la distance entre la pointe de la sonde et la surface de l'échantillon dépasse 0,51 mm. Lors de l'utilisation d'une approche automatisée de la sonde vers l'échantillon à partir d'une grande distance entre eux, le processus d'approche prendra très longtemps.

Utilisez la vis manuelle pour abaisser la sonde, en vérifiant visuellement la distance entre elle et la surface de l'échantillon.

5. Tracer une courbe de résonance et régler la fréquence de fonctionnement

Cette opération doit être effectuée au début de chaque mesure et, jusqu'à ce qu'elle soit effectuée, la transition vers d'autres étapes de mesures est bloquée. De plus, au cours du processus de mesure, des situations surviennent parfois nécessitant de répéter cette opération (par exemple, en cas de perte de contact).

La fenêtre de recherche de résonance est appelée en appuyant sur le bouton du panneau de commande de l'instrument. Cette opération consiste à mesurer l'amplitude des oscillations de la sonde lorsque la fréquence des oscillations forcées réglée par le générateur change. Pour ce faire, vous devez appuyer sur le bouton COURIR(Fig.7-28).

Riz. 7 28. Fenêtre de recherche de résonance et de réglage de la fréquence de fonctionnement :
a) – mode automatique, b) – mode manuel

En mode Auto La fréquence du générateur est automatiquement réglée sur la fréquence à laquelle l'amplitude maximale des oscillations de la sonde a été observée. Un graphique montrant l'évolution de l'amplitude des vibrations de la sonde dans une gamme de fréquences donnée (Fig. 7 -28a) permet d'observer la forme du pic résonnant. Si le pic de résonance n'est pas suffisamment prononcé ou si l'amplitude à la fréquence de résonance est faible ( moins de 1V), il est alors nécessaire de modifier les paramètres de mesure et de redéterminer la fréquence de résonance.

Le mode est conçu pour cela Manuel. Lorsque vous sélectionnez ce mode dans la fenêtre Détermination de la fréquence de résonance un panneau supplémentaire apparaît
(Fig. 7 -28b), qui permet de régler les paramètres suivants :

Tension d'entraînement de la sonde, réglé par le générateur. Il est recommandé de régler cette valeur au minimum (jusqu'à zéro) et pas plus de 50 mV.

Gain d'amplitude ( Gain d'amplitude). Si l'amplitude d'oscillation de la sonde est insuffisante (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Gain d'amplitude.

Pour lancer l'opération de recherche de résonance, vous devez appuyer sur le bouton Commencer.

Mode Manuel vous permet de modifier manuellement la fréquence sélectionnée en déplaçant le curseur vert sur le graphique à l'aide de la souris, ainsi que de clarifier la nature du changement de l'amplitude des oscillations dans une plage étroite de valeurs autour de la fréquence sélectionnée (pour cela, vous il faut régler l'interrupteur Mode manuel positionner Exactement et appuyez sur le bouton Commencer).

6. Capture d'interactions

Pour capturer l'interaction, une approche contrôlée de la pointe et de l'échantillon est effectuée à l'aide d'un mécanisme d'approche automatisé. La fenêtre de contrôle de cette procédure est appelée en appuyant sur le bouton du panneau de commande des instruments. Lorsque vous travaillez avec SCM, ce bouton devient disponible après avoir effectué l'opération de recherche et réglé la fréquence de résonance. Fenêtre SSM, Approvisionnement(Fig. 7 -29) contient des commandes pour l'alimentation de la sonde, ainsi que des indications de paramètres qui permettent d'analyser le déroulement de la procédure.

Riz. 7 29. Fenêtre d'approche de la sonde

Dans la fenêtre Fournir l'utilisateur a la possibilité d'observer les quantités suivantes :

en étendant le scanner ( ScannerZ) le long de l'axe Z par rapport au maximum possible, pris comme unité. La valeur de l'allongement relatif du scanner est caractérisée par le niveau de remplissage de l'indicateur gauche avec une couleur correspondant à la zone dans laquelle se trouve actuellement le scanner : vert - zone de travail, bleu - hors de la zone de travail, rouge - la Le scanner s'est approché trop près de la surface de l'échantillon, ce qui peut entraîner une déformation de la sonde. Dans ce dernier cas, le programme émet un avertissement sonore ;

amplitude d'oscillation de la sonde par rapport à l'amplitude de ses oscillations en l'absence d'interaction de force, prise comme unité. L'amplitude relative des oscillations de la sonde est indiquée sur l'indicateur de droite par son niveau de remplissage bordeaux. Marque horizontale sur l'indicateur Amplitude d'oscillation de la sonde indique un niveau au passage duquel l'état du scanner est analysé et il est automatiquement mis en position de travail ;

nombre d'étapes ( ChOuais), passé dans une direction donnée : Approche - approche, Rétraction - retrait.

Avant de commencer le processus de descente de la sonde, vous devez :

Vérifiez que les paramètres d'approche sont correctement définis :

Gain de rétroaction Renforcement du système d'exploitation mettre à la valeur 3 ,

Assurez-vous que le paramètre Suppressionamplitude (force) a une magnitude d'environ 0,2 (voir Fig. 7-29). Sinon, appuyez sur le bouton Force et dans la fenêtre Définition des paramètres d'interaction(Fig. 7 -30) valeur définie Suppressionamplitudeségal 0.2. Pour une saisie plus délicate, la valeur du paramètre Suppressionamplitudes peut-être moins .

Vérifiez que les paramètres sont corrects dans la fenêtre des paramètres Possibilités, page Paramètres d'approche.

S'il y a une interaction ou non, cela peut être déterminé par l'indicateur de gauche ScannerZ. Extension complète du scanner (indicateur entier ScannerZ peint en bleu), ainsi qu'un clignotant entièrement peint en bordeaux Amplitude d'oscillation de la sonde(Figure 7-29) n’indiquent aucune interaction. Après avoir recherché la résonance et réglé la fréquence de fonctionnement, l'amplitude des oscillations libres de la sonde est prise comme unité.

Si le scanner n'est pas complètement déployé avant ou pendant l'approche, ou si le programme affiche le message : « Erreur ! Sonde trop près de l'échantillon. Vérifiez les paramètres de connexion ou l'assemblage physique. Si vous souhaitez vous déplacer vers un endroit sûr", il est recommandé de suspendre la procédure d'approche et de :

un. modifier un des paramètres :

augmenter l'ampleur de l'interaction, paramètre Suppressionamplitudes, ou

augmenter la valeur Renforcement du système d'exploitation, ou

augmenter le temps de retard entre les étapes d'approche (paramètre Temps d'intégration sur la page Paramètres d'approche fenêtres Possibilités).

b. augmenter la distance entre la pointe de la sonde et l'échantillon (pour cela, suivre les étapes décrites au paragraphe et effectuer l'opération Résonance, puis revenez à la procédure Fournir.

Riz. 7 30. Fenêtre de réglage du degré d'interaction entre la sonde et l'échantillon

Après avoir capturé une interaction, le message « La livraison est terminée. ».

Si vous devez vous rapprocher d'un pas, appuyez sur le bouton. Dans ce cas, l'étape est exécutée en premier puis les critères de capture d'interaction sont vérifiés. Pour arrêter le mouvement, appuyez sur le bouton. Pour effectuer une opération de rétraction, vous devez appuyer sur le bouton de rétraction rapide

ou appuyez sur le bouton pour une rétraction lente. Si vous devez reculer d'un pas, appuyez sur le bouton. Dans ce cas, l'étape est exécutée en premier, puis les critères de capture d'interaction sont vérifiés

7. Numériser

Après avoir terminé la procédure d'approche ( Fournir) et capturez l'interaction, le scanning devient disponible (bouton dans la fenêtre du panneau de commande de l'instrument).

En cliquant sur ce bouton (la fenêtre de numérisation est illustrée sur la Fig. 7-31), l'utilisateur passe directement à la prise de mesures et à l'obtention des résultats de mesure.

Avant d'effectuer le processus de numérisation, vous devez définir les paramètres de numérisation. Ces options sont regroupées sur le côté droit du panneau supérieur de la fenêtre. Balayage.

La première fois après le démarrage du programme, ils sont installés par défaut :

Zone de numérisation - Région (Xnm*Ouin.m.): 5000*5000nm;

Nombre de pointsmesures d'axe-X,Y : NX=100, New York=100;

Chemin de numérisation - Direction détermine la direction de numérisation. Le programme vous permet de sélectionner la direction de l'axe de balayage rapide (X ou Y). Lorsque vous démarrez le programme, il est installé Direction

Après avoir défini les paramètres de numérisation, vous devez appuyer sur le bouton Appliquer pour confirmer les paramètres saisis et le bouton Commencer pour lancer la numérisation.

Riz. 7 31. Fenêtre de contrôle du processus et d'affichage des résultats de l'analyse SCM

7.4. Instructions méthodologiques

Avant de commencer à travailler sur le microscope à sonde à balayage NanoEducator, vous devez étudier le manuel d'utilisation de l'appareil [Réf. 7-4].

7.5.Sécurité

L'appareil est alimenté par une tension de 220 V. Le microscope à sonde à balayage NanoEducator fonctionne conformément aux PTE et PTB des installations électriques grand public avec des tensions allant jusqu'à 1 000 V.

7.6.Tâche

1. Préparez vos propres échantillons biologiques pour les études SPM.

2. Étudier en pratique la conception générale du dispositif NanoEducator.

3. Familiarisez-vous avec le programme de contrôle des appareils NanoEducator.

4. Prenez la première image SPM sous la supervision d'un enseignant.

5. Traitez et analysez l'image résultante. Quelles formes de bactéries sont typiques de votre solution ? Qu’est-ce qui détermine la forme et la taille des cellules bactériennes ?

6. Prenez le déterminant des bactéries Bergey et comparez les résultats obtenus avec ceux qui y sont décrits.

7.7.Questions de sécurité

1. Quelles méthodes existent pour étudier les objets biologiques ?

2. Qu'est-ce que la microscopie à sonde à balayage ? Quel est le principe qui le sous-tend ?

3. Nommez les principaux composants du SPM et leur objectif.

4. Qu'est-ce que l'effet piézoélectrique et comment est-il utilisé dans SPM. Décrire les différentes conceptions de scanners.

5. Décrivez la conception globale du NanoEducator.

6. Décrire le capteur de force et son principe de fonctionnement.

7. Décrivez le mécanisme permettant d'amener la sonde à l'échantillon dans le dispositif NanoEducator. Expliquer les paramètres qui déterminent la force d'interaction entre la sonde et l'échantillon.

8. Expliquer le principe du scanning et le fonctionnement du système de feedback. Parlez-nous des critères de choix des paramètres de numérisation.

7.8.Littérature

Allumé. 7 1.Paul de Cruy. Chasseurs de microbes. M. Terra. 2001.

Allumé. 7 2. Guide des cours pratiques de microbiologie. Edité par Egorova N.S. M. : Nauka, 1995.

Allumé. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Identificateur de la bactérie Bergey. M. : Mir, 1997. T. n° 2. P. 574.

Allumé. 7 4. Manuel d'utilisation de l'appareil NanoÉducateur.. Nijni Novgorod. Centre scientifique et pédagogique...

Introduction

Actuellement, l'orientation scientifique et technique de la nanotechnologie se développe rapidement et couvre un large éventail de recherches fondamentales et appliquées. Il s'agit d'une technologie fondamentalement nouvelle, capable de résoudre des problèmes dans des domaines aussi divers que les communications, la biotechnologie, la microélectronique et l'énergie. Aujourd'hui, plus d'une centaine de jeunes entreprises développent des produits nanotechnologiques qui arriveront sur le marché d'ici deux à trois ans.

Les nanotechnologies deviendront les technologies de pointe du 21e siècle et contribueront au développement de l'économie et de la sphère sociale de la société ; elles peuvent devenir une condition préalable à une nouvelle révolution industrielle. Au cours des deux cents années précédentes, les progrès de la révolution industrielle ont été réalisés au prix d'environ 80 % des ressources de la Terre. Les nanotechnologies réduiront considérablement la consommation de ressources et n'exerceront pas de pression sur l'environnement ; elles joueront un rôle de premier plan dans la vie de l'humanité, tout comme, par exemple, l'ordinateur est devenu partie intégrante de la vie des gens.

Les progrès de la nanotechnologie ont été stimulés par le développement de méthodes de recherche expérimentales, dont les plus informatives sont les méthodes de microscopie à sonde à balayage, dont le monde doit l'invention et surtout la diffusion aux lauréats du prix Nobel 1986 - le professeur Heinrich Rohrer et le Dr Gerd Binnig.

Le monde était fasciné par la découverte de méthodes aussi simples de visualisation des atomes, et même par la possibilité de les manipuler. De nombreux groupes de recherche ont commencé à construire des appareils faits maison et à expérimenter dans cette direction. En conséquence, un certain nombre de conceptions de dispositifs pratiques sont nées et diverses méthodes ont été proposées pour visualiser les résultats de l'interaction sonde-surface, telles que : la microscopie à force latérale, la microscopie à force magnétique, la microscopie pour l'enregistrement des interactions magnétiques, électrostatiques et électromagnétiques. Les méthodes de microscopie optique en champ proche ont fait l'objet d'un développement intensif. Des méthodes d'influence dirigée et contrôlée dans le système sonde-surface ont été développées, par exemple la nanolithographie - des changements se produisent sur la surface sous l'influence d'influences électriques et magnétiques, de déformations plastiques et de lumière dans le système sonde-surface. Des technologies ont été créées pour la production de sondes avec des paramètres géométriques spécifiés, avec des revêtements et des structures spéciaux pour visualiser diverses propriétés de surface.

La microscopie à sonde à balayage (SPM) est l'une des méthodes modernes et puissantes pour étudier la morphologie et les propriétés locales d'une surface solide avec une haute résolution spatiale. Au cours des dix dernières années, la microscopie à sonde à balayage est passée d'une technique exotique disponible uniquement à un nombre limité de groupes de recherche à un outil répandu et efficace pour étudier les propriétés de surface. Actuellement, presque aucune recherche dans le domaine de la physique des surfaces et des technologies des couches minces n’est complète sans l’utilisation des méthodes SPM. Le développement de la microscopie à sonde à balayage a également servi de base au développement de nouvelles méthodes en nanotechnologie - une technologie permettant de créer des structures à l'échelle nanométrique.

1. Contexte historique

Pour observer de petits objets, le Néerlandais Antonie van Leeuwenhoek a inventé le microscope au XVIIe siècle, ouvrant ainsi le monde des microbes. Ses microscopes étaient imparfaits et offraient un grossissement de 150 à 300 fois. Mais ses disciples ont amélioré ce dispositif optique, jetant ainsi les bases de nombreuses découvertes en biologie, géologie et physique. Cependant, à la fin du XIXe siècle (1872), l'opticien allemand Ernst Karl Abbe montra qu'en raison de la diffraction de la lumière, le pouvoir de résolution d'un microscope (c'est-à-dire la distance minimale entre les objets lorsqu'ils n'ont pas encore fusionné en une image) est limitée par la longueur d’onde de la lumière (0,4 - 0,8 µm). Ainsi, il a épargné beaucoup d'efforts aux opticiens qui essayaient de fabriquer des microscopes plus avancés, mais a déçu les biologistes et les géologues, qui ont perdu l'espoir d'obtenir un instrument avec un grossissement supérieur à 1500x.

L'histoire de la création du microscope électronique est un merveilleux exemple de la façon dont des domaines scientifiques et technologiques en développement indépendant peuvent, en échangeant les informations reçues et en unissant leurs forces, créer un nouvel outil puissant pour la recherche scientifique. Le summum de la physique classique était la théorie du champ électromagnétique, qui expliquait la propagation de la lumière, l'émergence de champs électriques et magnétiques et le mouvement des particules chargées dans ces champs par la propagation des ondes électromagnétiques. L'optique ondulatoire a mis en évidence le phénomène de diffraction, le mécanisme de formation de l'image et le jeu des facteurs qui déterminent la résolution au microscope optique. Nous devons les progrès dans le domaine de la physique théorique et expérimentale à la découverte de l’électron et de ses propriétés spécifiques. Ces voies de développement distinctes et apparemment indépendantes ont conduit aux fondements de l’optique électronique, dont l’une des applications les plus importantes a été l’invention de l’EM dans les années 1930. Un indice direct de cette possibilité peut être considéré comme l'hypothèse sur la nature ondulatoire de l'électron, avancée en 1924 par Louis de Broglie et confirmée expérimentalement en 1927 par K. Davisson et L. Germer aux États-Unis et J. Thomson en Angleterre. Cela suggérait une analogie qui permettait de construire un EM selon les lois de l'optique ondulatoire. H. Bush a découvert qu'en utilisant des champs électriques et magnétiques, il est possible de former des images électroniques. Dans les deux premières décennies du XXe siècle. les conditions techniques nécessaires ont également été créées. Les laboratoires industriels travaillant sur l'oscilloscope à faisceau électronique ont produit une technologie du vide, des sources stables de haute tension et de courant et de bons émetteurs d'électrons.

En 1931, R. Rudenberg déposa une demande de brevet pour un microscope électronique à transmission, et en 1932, M. Knoll et E. Ruska construisirent le premier microscope de ce type, utilisant des lentilles magnétiques pour focaliser les électrons. Cet instrument était le prédécesseur du microscope électronique à transmission optique (OTEM) moderne. (Ruska a été récompensé pour ses efforts en remportant le prix Nobel de physique en 1986.) En 1938, Ruska et B. von Borries ont construit un prototype d'OPEM industriel pour Siemens-Halske en Allemagne ; cet instrument a finalement permis d'atteindre une résolution de 100 nm. Quelques années plus tard, A. Prebus et J. Hiller construisent le premier OPEM haute résolution à l'Université de Toronto (Canada).

Les vastes possibilités de l'OPEM sont devenues presque immédiatement évidentes. Sa production industrielle a été lancée simultanément par Siemens-Halske en Allemagne et RCA Corporation aux États-Unis. À la fin des années 40, d’autres sociétés ont commencé à produire de tels appareils.

Le SEM dans sa forme actuelle a été inventé en 1952 par Charles Otley. Certes, des versions préliminaires d'un tel appareil ont été construites par Knoll en Allemagne dans les années 1930 et par Zworykin et ses collègues de la RCA Corporation dans les années 1940, mais seul l'appareil d'Otley a pu servir de base à un certain nombre d'améliorations techniques, aboutissant à la introduction d'une version industrielle du SEM en production au milieu des années 1960. La gamme de consommateurs d'un appareil aussi simple à utiliser avec une image tridimensionnelle et un signal de sortie électronique s'est élargie de façon exponentielle. Il existe actuellement une douzaine de fabricants industriels de SEM sur trois continents et des dizaines de milliers d'appareils de ce type sont utilisés dans les laboratoires du monde entier. Dans les années 1960, des microscopes à ultra haute tension ont été développés pour étudier des échantillons plus épais. Le développement a été réalisé par G. Dupuy en France, où en 1970 un appareil avec une tension accélératrice de 3,5 millions de volts a été introduit par G. Binnig et G. Rohrer en 1979 à Zurich. Cet appareil, très simple. conception, fournit une résolution atomique des surfaces Binnig et Rohrer (en même temps que Ruska) ont reçu le prix Nobel pour la création du RTM.

En 1986, le microscope à sonde à balayage a été inventé par Rohrer et Binnig. Depuis son invention, la STM a été largement utilisée par les scientifiques dans diverses spécialités, couvrant presque toutes les disciplines des sciences naturelles, depuis la recherche fondamentale en physique, chimie, biologie jusqu'aux applications technologiques spécifiques. Le principe de fonctionnement du STM est si simple et les possibilités potentielles sont si grandes qu'il est impossible de prédire son impact sur la science et la technologie, même dans un avenir proche.

Comme il s'est avéré plus tard, presque toutes les interactions de la sonde avec la surface (mécaniques, magnétiques) peuvent être converties à l'aide d'instruments et de programmes informatiques appropriés en une image de la surface.

L'installation du microscope à sonde à balayage se compose de plusieurs blocs fonctionnels illustrés à la Fig. 1. Il s'agit d'abord du microscope lui-même avec un piézomanipulateur pour contrôler la sonde, un convertisseur courant-tension tunnel et un moteur pas à pas pour alimenter l'échantillon ; bloc de convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique et d'amplificateurs haute tension ; unité de commande de moteur pas à pas ; une carte avec un processeur de signal qui calcule le signal de retour ; un ordinateur qui collecte des informations et fournit une interface à l'utilisateur. Structurellement, l'unité DAC et ADC est installée dans le même boîtier que l'unité de commande du moteur pas à pas. Une carte avec un processeur de signal (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 d'Analog Devices est installée dans le connecteur d'extension ISA d'un ordinateur personnel.

Une vue générale du système mécanique du microscope est présentée sur la Fig. 2. Le système mécanique comprend une base avec un manipulateur piézo et un système d'alimentation en échantillon fluide sur un moteur pas à pas avec une boîte de vitesses et deux têtes de mesure amovibles pour un fonctionnement en mode tunnel à balayage et microscopie à force atomique. Le microscope permet d'obtenir une résolution atomique stable sur les surfaces d'essai traditionnelles sans utiliser de filtres sismiques et acoustiques supplémentaires.

2. Principes de fonctionnement des microscopes à sonde à balayage

Dans les microscopes à sonde à balayage, l'étude du microrelief de surface et de ses propriétés locales est réalisée à l'aide de sondes spécialement préparées sous forme d'aiguilles. La partie active de ces sondes (la pointe) a des dimensions d'une dizaine de nanomètres. La distance caractéristique entre la sonde et la surface des échantillons dans les microscopes à sonde est de l'ordre de 0,1 à 10 nm. Le fonctionnement des microscopes à sonde repose sur différents types d’interactions entre la sonde et la surface. Ainsi, le fonctionnement d'un microscope à effet tunnel repose sur le phénomène de courant tunnel circulant entre une aiguille métallique et un échantillon conducteur ; Différents types d’interactions de force sont à la base du fonctionnement des microscopes à force atomique, à force magnétique et à force électrique. Considérons les caractéristiques communes inhérentes aux différents microscopes à sonde. Laissez l'interaction de la sonde avec la surface être caractérisée par un certain paramètre P. S'il existe une dépendance suffisamment nette et univoque du paramètre P sur la distance sonde-échantillon, alors ce paramètre peut être utilisé pour organiser un système de rétroaction (FS) qui contrôle la distance entre la sonde et l’échantillon. Sur la fig. La figure 3 montre schématiquement le principe général d’organisation du feedback GPS.

Le système de rétroaction maintient la valeur du paramètre P constante, égale à la valeur spécifiée par l'opérateur. Si la distance sonde-surface change, alors le paramètre P change. Un signal de différence est généré dans le système OS, proportionnel à la valeur ΔP = P - P, qui est amplifié à la valeur requise et transmis à l'élément actionneur IE. L'actionneur traite ce signal de différence, rapprochant la sonde de la surface ou l'éloignant jusqu'à ce que le signal de différence devienne nul. De cette manière, la distance sonde-échantillon peut être maintenue avec une grande précision. Lorsque la sonde se déplace le long de la surface de l’échantillon, le paramètre d’interaction P change en raison de la topographie de la surface. Le système OS traite ces changements, de sorte que lorsque la sonde se déplace dans le plan X, Y, le signal sur l'actionneur s'avère proportionnel à la topographie de la surface. Pour obtenir une image SPM, un processus spécialement organisé de numérisation de l'échantillon est effectué. Lors du balayage, la sonde se déplace d'abord sur l'échantillon le long d'une certaine ligne (balayage linéaire), tandis que la valeur du signal sur l'actionneur, proportionnelle à la topographie de la surface, est enregistrée dans la mémoire de l'ordinateur. La sonde revient ensuite au point de départ et passe à la ligne de balayage suivante (balayage d'images), et le processus se répète. Le signal de retour ainsi enregistré lors du balayage est traité par un ordinateur, puis une image SPM du relief de surface est construite à l'aide d'outils d'infographie. En plus d'étudier la topographie de la surface, les microscopes à sonde permettent d'étudier diverses propriétés de surface : mécaniques, électriques, magnétiques, optiques et autres.

3. Éléments de balayage (scanners) des microscopes à sonde

3.1 Éléments de numérisation

Pour faire fonctionner des microscopes à sonde, il est nécessaire de contrôler la distance de travail sonde-échantillon et de déplacer la sonde dans le plan de l'échantillon avec une grande précision (au niveau des fractions d'angström). Ce problème est résolu à l'aide de manipulateurs spéciaux - éléments de numérisation (scanners). Les éléments de balayage des microscopes à sonde sont constitués de piézoélectriques, des matériaux dotés de propriétés piézoélectriques. Les piézoélectriques changent de dimensions dans un champ électrique externe. L’équation de l’effet piézoélectrique inverse pour les cristaux s’écrit :

où u est le tenseur de déformation, E sont les composantes du champ électrique, d sont les composantes du tenseur du coefficient piézoélectrique. La forme du tenseur du coefficient piézoélectrique est déterminée par le type de symétrie des cristaux.

Les transducteurs en matériaux piézocéramiques se sont répandus dans diverses applications techniques. La piézocéramique est un matériau polycristallin polarisé obtenu par frittage de poudres à partir de ferroélectriques cristallins. La polarisation des céramiques s'effectue comme suit. Les céramiques sont chauffées au-dessus de la température de Curie (pour la plupart des piézocéramiques, cette température est inférieure à 300 °C), puis refroidies lentement dans un champ électrique puissant (environ 3 kV/cm). Après refroidissement, la piézocéramique a induit une polarisation et acquiert la capacité de changer de taille (augmenter ou diminuer en fonction de la direction mutuelle du vecteur de polarisation et du vecteur du champ électrique externe).

Les piézoéléments tubulaires se sont répandus en microscopie à sonde à balayage (Fig. 4). Ils permettent d'obtenir des mouvements d'objets assez importants avec des tensions de commande relativement faibles. Les piézoéléments tubulaires sont des cylindres creux à parois minces constitués de matériaux piézocéramiques. Généralement, des électrodes sous forme de fines couches de métal sont appliquées sur les surfaces externe et interne du tube, tandis que les extrémités du tube restent découvertes.

Sous l'influence de la différence de potentiel entre les électrodes interne et externe, le tube modifie ses dimensions longitudinales. Dans ce cas, la déformation longitudinale sous l’action d’un champ électrique radial peut s’écrire :

où l est la longueur du tube dans un état indéformable. L'allongement absolu du tube piézo est égal à

où h est l'épaisseur de paroi du piézotube, V est la différence de potentiel entre les électrodes interne et externe. Ainsi, à une même tension V, l'allongement du tube sera d'autant plus grand que sa longueur sera grande et que sa paroi aura une épaisseur faible.

La connexion de trois tubes en une seule unité vous permet d'organiser des mouvements précis de la sonde du microscope dans trois directions mutuellement perpendiculaires. Cet élément de numérisation est appelé trépied.

Les inconvénients d'un tel scanner sont la complexité de fabrication et la forte asymétrie de conception. Aujourd'hui, les scanners basés sur un seul élément tubulaire sont les plus largement utilisés en microscopie à sonde à balayage. La vue générale du scanner tubulaire et la disposition des électrodes sont présentées sur la Fig. 5. Le matériau du tube a une direction radiale du vecteur de polarisation.

L'électrode interne est généralement solide. L'électrode externe du scanner est divisée le long du cylindre en quatre sections. Lorsque des tensions antiphases sont appliquées aux sections opposées de l'électrode externe (par rapport à l'électrode interne), la section du tube se contracte à l'endroit où la direction du champ coïncide avec la direction de polarisation et s'allonge là où elle est dirigée en sens opposé. instructions. Cela fait plier le tube dans la direction appropriée. De cette manière, le balayage est effectué dans le plan X, Y. La modification du potentiel de l'électrode interne par rapport à toutes les sections externes entraîne un allongement ou un raccourcissement du tube le long de l'axe Z. Ainsi, il est possible d'organiser un trois-. scanner de coordonnées basé sur un seul tube piézo. Les véritables éléments de numérisation ont souvent une conception plus complexe, mais les principes de leur fonctionnement restent les mêmes.

Les scanners basés sur des piézoéléments bimorphes se sont également répandus. Le bimorphe est constitué de deux plaques piézoélectriques collées ensemble de telle manière que les vecteurs de polarisation de chacune d'elles soient dirigés dans des directions opposées (Fig. 6). Si une tension est appliquée aux électrodes bimorphes, comme le montre la Fig. 6, alors l'une des plaques se dilatera et l'autre se contractera, ce qui entraînera une flexion de l'ensemble de l'élément. Dans les conceptions réelles d'éléments bimorphes, une différence de potentiel est créée entre les électrodes communes internes et externes de sorte que dans un élément, le champ coïncide avec la direction du vecteur de polarisation et dans l'autre, il est dirigé dans la direction opposée.

La courbure d'un bimorphe sous l'influence de champs électriques est à la base du fonctionnement des piézoscanneurs bimorphes. En combinant trois éléments bimorphes en une seule conception, il est possible de réaliser un trépied sur des éléments bimorphes.

Si les électrodes externes de l'élément bimorphe sont divisées en quatre secteurs, alors il est possible d'organiser le mouvement de la sonde le long de l'axe Z et dans le plan X, Y sur un élément bimorphe (Fig. 7).

En effet, en appliquant des tensions antiphases à des paires opposées de sections d'électrodes externes, il est possible de plier le bimorphe pour que la sonde se déplace dans le plan X, Y (Fig. 7 (a, b)). Et en modifiant le potentiel de l'électrode interne par rapport à toutes les sections des électrodes externes, il est possible de plier le bimorphe en déplaçant la sonde dans la direction Z (Fig. 7 (c, d)).

3.2 Non-linéarité des piézocéramiques

Malgré un certain nombre d'avantages technologiques par rapport aux cristaux, les piézocéramiques présentent certains inconvénients qui affectent négativement le fonctionnement des éléments de balayage. L'un de ces inconvénients est la non-linéarité des propriétés piézoélectriques. Sur la fig. A titre d'exemple, la figure 8 montre la dépendance de l'amplitude du déplacement du tube piézoélectrique dans la direction Z sur l'amplitude du champ appliqué. Dans le cas général (notamment avec de grands champs de commande), les piézocéramiques se caractérisent par une dépendance non linéaire des déformations au champ (ou à la tension de commande).

Ainsi, la déformation des piézocéramiques est une fonction complexe du champ électrique externe :

Pour les petits champs de contrôle, cette dépendance peut être présentée sous la forme suivante :

u = d* E+ α* E*E+…

où d et α sont les modules linéaires et quadratiques de l'effet piézoélectrique.

Les valeurs typiques du champ E, auxquelles les effets non linéaires commencent à apparaître, sont de l'ordre de 100 V/mm. Par conséquent, pour le bon fonctionnement des éléments de balayage, contrôler les champs dans la région de linéarité de la céramique (E< Е) .

microscope électronique à sonde à balayage

3.3 Fluage des piézocéramiques et hystérésis des piézocéramiques

Un autre inconvénient des piézocéramiques est ce qu'on appelle le fluage (fluage) - une réponse retardée à un changement de la valeur du champ électrique de commande.

Le fluage entraîne des distorsions géométriques associées à cet effet observées dans les images SPM. Le fluage a un effet particulièrement fort lorsqu'on amène les scanners à un point donné pour effectuer des mesures locales et lors des premières étapes du processus de numérisation. Pour réduire l'influence du fluage de la céramique, des temporisations sont utilisées dans ces processus, qui permettent de compenser partiellement le décalage du scanner.

Un autre inconvénient des piézocéramiques est l'ambiguïté de la dépendance de l'allongement à la direction du changement du champ électrique (hystérésis).

Ceci conduit au fait que, aux mêmes tensions de commande, les piézocéramiques apparaissent à différents points de la trajectoire en fonction de la direction du mouvement. Pour éliminer les distorsions des images SPM causées par l'hystérésis des piézocéramiques, les informations sont enregistrées lors de l'analyse des échantillons uniquement sur l'une des branches de la dépendance.

4. Dispositifs pour les mouvements de précision de la sonde et de l'échantillon

4.1 Réducteurs mécaniques

L'un des problèmes techniques importants de la microscopie à sonde à balayage est la nécessité d'un mouvement précis de la sonde et de l'échantillon afin de former l'espace de travail du microscope et de sélectionner la surface à étudier. Pour résoudre ce problème, différents types de dispositifs sont utilisés pour déplacer des objets avec une grande précision. Diverses boîtes de vitesses mécaniques se sont répandues, dans lesquelles le mouvement brutal du moteur d'origine correspond au mouvement fin de l'objet déplacé. Les méthodes pour réduire les mouvements peuvent être différentes. Les dispositifs à levier sont largement utilisés, dans lesquels la réduction de l'ampleur du mouvement est réalisée en raison de la différence de longueur des bras des leviers. Le schéma de la boîte de vitesses à levier est présenté sur la Fig. 9.

Le levier mécanique permet d'obtenir une réduction de mouvement avec un coefficient

Ainsi, plus le rapport entre le bras L et le bras l est grand, plus le processus d'approche de la sonde et de l'échantillon peut être contrôlé avec précision.

Également dans la conception des microscopes, les boîtes de vitesses mécaniques sont largement utilisées, dans lesquelles la réduction des mouvements est obtenue grâce à la différence des coefficients de rigidité de deux éléments élastiques connectés en série (Fig. 10). La structure est constituée d'une base rigide, d'un ressort et d'une poutre élastique. La raideur du ressort k et de la poutre élastique K sont choisies de telle sorte que la condition soit satisfaite : k< K .

Le coefficient de réduction est égal au rapport des coefficients de raideur des éléments élastiques :

Ainsi, plus le rapport entre la rigidité du faisceau et la rigidité du ressort est élevé, plus le déplacement de l'élément de travail du microscope peut être contrôlé avec précision.

4.2 Moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas (SEM) sont des dispositifs électromécaniques qui convertissent les impulsions électriques en mouvements mécaniques discrets. Un avantage important des moteurs pas à pas est qu'ils assurent une dépendance sans ambiguïté de la position du rotor sur les impulsions de courant d'entrée, de sorte que l'angle de rotation du rotor soit déterminé par le nombre d'impulsions de commande. Dans SHED, le couple est généré par les flux magnétiques générés par les pôles du stator et du rotor, qui sont convenablement orientés les uns par rapport aux autres.

La conception la plus simple concerne les moteurs à aimants permanents. Ils se composent d’un stator doté d’enroulements et d’un rotor contenant des aimants permanents. Sur la fig. La figure 11 montre une conception simplifiée d'un moteur pas à pas.

Les pôles alternés du rotor ont une forme rectiligne et sont situés parallèlement à l'axe du moteur. Le moteur représenté sur la figure comporte 3 paires de pôles de rotor et 2 paires de pôles de stator. Le moteur comporte 2 enroulements indépendants, chacun étant enroulé sur deux pôles opposés du stator. Le moteur illustré a un pas de 30 degrés. Lorsque le courant est activé dans l'un des enroulements, le rotor a tendance à prendre une position dans laquelle les pôles opposés du rotor et du stator sont opposés. Pour obtenir une rotation continue, vous devez activer les enroulements en alternance.

Dans la pratique, on utilise des moteurs pas à pas qui ont une conception plus complexe et fournissent de 100 à 400 pas par tour de rotor. Si un tel moteur est associé à une connexion filetée, alors avec un pas de filetage d'environ 0,1 mm, une précision de positionnement de l'objet d'environ 0,25 à 1 micron est assurée. Pour augmenter la précision, des réducteurs mécaniques supplémentaires sont utilisés. La possibilité de contrôle électrique permet d'utiliser efficacement ShED dans des systèmes automatisés d'approche de la sonde et de l'échantillon des microscopes à sonde à balayage.

4.3 Moteurs pas à pas piézo

Les exigences d'une bonne isolation des instruments contre les vibrations externes et la nécessité de faire fonctionner les microscopes à sonde dans des conditions de vide imposent de sérieuses restrictions à l'utilisation de dispositifs purement mécaniques pour déplacer la sonde et l'échantillon. À cet égard, les dispositifs basés sur des transducteurs piézoélectriques, qui permettent de contrôler à distance le mouvement des objets, se sont généralisés dans les microscopes à sonde.

L'une des conceptions d'un moteur piézo inertiel pas à pas est illustrée à la Fig. 12. Cet appareil contient un socle (1) sur lequel est fixé un tube piézoélectrique (2). Le tube comporte des électrodes (3) sur les surfaces externe et interne. À l'extrémité du tube se trouve un ressort fendu (4), qui est un cylindre avec des pétales de ressort séparés. Un porte-objet (5) est installé dans le ressort - un cylindre assez massif avec une surface polie. L'objet déplacé peut être fixé au support à l'aide d'un ressort ou d'un écrou-raccord, ce qui permet à l'appareil de fonctionner dans n'importe quelle orientation dans l'espace.

L'appareil fonctionne comme suit. Pour déplacer le porte-objet dans la direction de l'axe Z, une tension d'impulsion en dents de scie est appliquée aux électrodes du tube piézo (Fig. 13).

Sur le devant plat de la tension en dents de scie, le tube s'allonge ou se contracte doucement en fonction de la polarité de la tension, et son extrémité, ainsi que le ressort et le porte-objet, se déplacent de la distance :

Au moment où la tension en dents de scie est relâchée, le tube revient à sa position initiale avec une accélération a, qui a initialement une valeur maximale :

où ω est la fréquence de résonance des vibrations longitudinales du tube. Lorsque la condition F est satisfaite< 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. Protection des microscopes à sonde contre les influences extérieures

5.1 Protection contre les vibrations

Pour protéger les appareils des vibrations externes, différents types de systèmes d'isolation des vibrations sont utilisés. Classiquement, ils peuvent être divisés en passifs et actifs. L’idée principale des systèmes passifs d’isolation des vibrations est la suivante. L'amplitude des oscillations forcées d'un système mécanique diminue rapidement à mesure que la différence entre la fréquence de la force d'excitation et la fréquence de résonance naturelle du système augmente (une réponse amplitude-fréquence (AFC) typique d'un système oscillatoire est illustrée à la Fig. 14. ).

Par conséquent, les influences externes avec des fréquences ω > ω n'ont pratiquement aucun effet notable sur le système oscillatoire. Par conséquent, si vous placez la tête de mesure d'un microscope à sonde sur une plate-forme anti-vibratoire ou sur une suspension élastique (Fig. 15), seules les vibrations externes de fréquences proches de la fréquence de résonance du système anti-vibration passeront à travers le corps de microscope. Étant donné que les fréquences naturelles des têtes SPM sont comprises entre 10 et 100 kHz, en choisissant la fréquence de résonance du système d'isolation des vibrations assez basse (environ 5 à 10 Hz), vous pouvez protéger très efficacement l'appareil des vibrations externes. Afin d'amortir les vibrations aux fréquences de résonance naturelles, des éléments dissipatifs à friction visqueuse sont introduits dans les systèmes d'isolation des vibrations.

Ainsi, pour assurer une protection efficace, il est nécessaire que la fréquence de résonance du système d'isolation vibratoire soit la plus basse possible. Cependant, les très basses fréquences sont difficiles à réaliser en pratique.

Pour protéger les têtes SPM, des systèmes actifs de suppression des vibrations externes sont utilisés avec succès. De tels dispositifs sont des systèmes électromécaniques à rétroaction négative, qui assurent une position stable de la plate-forme isolant les vibrations dans l'espace (Fig. 16).

5.2 Protection contre le bruit acoustique

Une autre source de vibrations dans les éléments de conception des microscopes à sonde est le bruit acoustique de diverses natures.

Une caractéristique des interférences acoustiques est que les ondes acoustiques affectent directement les éléments structurels des têtes SPM, ce qui entraîne des oscillations de la sonde par rapport à la surface de l'échantillon étudié. Pour protéger les SPM des interférences acoustiques, divers capuchons de protection sont utilisés, ce qui peut réduire considérablement le niveau d'interférence acoustique dans la zone de l'espace de travail du microscope. La protection la plus efficace contre les interférences acoustiques consiste à placer la tête de mesure du microscope à sonde dans une chambre à vide (Fig. 17).

5.3 Stabilisation de la dérive thermique de la position de la sonde au-dessus de la surface

L'un des problèmes importants du SPM est la tâche de stabilisation de la position de la sonde au-dessus de la surface de l'échantillon étudié. La principale source d'instabilité de la position de la sonde est un changement de température ambiante ou un échauffement des éléments structurels du microscope à sonde pendant son fonctionnement. Un changement de température d'un solide entraîne l'apparition de déformations thermoélastiques. De telles déformations ont un effet très significatif sur le fonctionnement des microscopes à sonde. Pour réduire la dérive thermique, la thermostatisation des têtes de mesure SPM est utilisée ou des éléments de compensation thermique sont introduits dans la conception des têtes. L'idée de la compensation thermique est la suivante. Toute conception SPM peut être représentée comme un ensemble d'éléments avec différents coefficients de dilatation thermique (Fig. 18 (a)).

Pour compenser la dérive thermique, des éléments de compensation avec différents coefficients de dilatation sont introduits dans la conception des têtes de mesure SPM, de sorte que la condition selon laquelle la somme des dilatations thermiques dans les différents bras de la structure soit égale à zéro soit satisfaite :

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Le moyen le plus simple de réduire la dérive thermique de la position de la sonde le long de l'axe Z est d'introduire dans la conception du SPM des éléments de compensation constitués du même matériau et ayant les mêmes dimensions caractéristiques que les principaux éléments structurels (Fig. 18 (b)). Lorsque la température de cette conception change, le déplacement de la sonde dans la direction Z sera minime. Pour stabiliser la position de la sonde dans le plan X, Y, les têtes de mesure des microscopes sont fabriquées sous la forme de structures à symétrie axiale.

6. Formation et traitement des images SPM

6.1 Processus de numérisation

Le processus de balayage d’une surface dans un microscope à sonde à balayage est similaire au mouvement d’un faisceau d’électrons à travers l’écran d’un tube cathodique de télévision. La sonde se déplace le long de la ligne (ligne), d'abord dans le sens avant, puis dans le sens inverse (balayage de ligne), puis passe à la ligne suivante (balayage de trame) (Fig. 19). La sonde se déplace à l'aide d'un scanner par petits pas sous l'action de tensions en dents de scie générées par des convertisseurs numérique-analogique. L'enregistrement des informations sur la topographie de la surface s'effectue, en règle générale, par passage direct.

Les informations obtenues à l'aide d'un microscope à sonde à balayage sont stockées sous la forme d'une trame SPM - un tableau bidimensionnel d'entiers a (matrice). La signification physique de ces chiffres est déterminée par la valeur numérisée lors du processus de numérisation. Chaque valeur d'une paire d'indices ij correspond à un point de surface spécifique dans le champ de balayage. Les coordonnées des points de surface sont calculées en multipliant simplement l'indice correspondant par la distance entre les points où l'information a été enregistrée.

En règle générale, les trames SPM sont des matrices carrées de taille 2 (principalement des éléments de 256x256 et 512x512). La visualisation des images SPM est réalisée à l'aide d'infographies, principalement sous forme d'images tridimensionnelles (3D) et bidimensionnelles (2D). En visualisation 3D, une image d'une surface est construite dans une perspective axonométrique à l'aide de pixels ou de lignes. En plus de cela, diverses méthodes sont utilisées pour mettre en évidence des pixels correspondant à différentes hauteurs de relief de surface. Le moyen le plus efficace de coloriser des images 3D consiste à simuler les conditions d'éclairage de la surface avec une source ponctuelle située à un certain point de l'espace au-dessus de la surface (Fig. 20). Dans le même temps, il est possible de souligner les petites irrégularités du relief. En outre, à l'aide d'un traitement informatique et de graphiques, la mise à l'échelle et la rotation des images SPM 3D sont réalisées. Avec la visualisation 2D, chaque point de la surface se voit attribuer une couleur. Les plus largement utilisées sont les palettes de dégradés, dans lesquelles l'image est colorée dans un ton d'une certaine couleur en fonction de la hauteur d'un point sur la surface.

En règle générale, les mesures SPM locales impliquent l'enregistrement des dépendances des quantités étudiées sur divers paramètres. Par exemple, il s'agit des dépendances de l'amplitude du courant électrique traversant le contact sonde-surface sur la tension appliquée, des dépendances de divers paramètres de l'interaction de force entre la sonde et la surface sur la distance sonde-échantillon, etc. les informations sont stockées sous forme de tableaux vectoriels ou sous forme de matrices 2 x N. Pour leur visualisation, le logiciel du microscope fournit un ensemble d'outils standards pour afficher des graphiques de fonctions.

6.2 Méthodes de construction et de traitement des images

Lors de l'étude des propriétés d'objets à l'aide de méthodes de microscopie à sonde à balayage, le principal résultat de la recherche scientifique est, en règle générale, des images tridimensionnelles de la surface de ces objets. L'adéquation de l'interprétation des images dépend des qualifications du spécialiste. Dans le même temps, lors du traitement et de la construction d'images, un certain nombre de techniques traditionnelles sont utilisées, dont vous devez être conscient lors de l'analyse d'images. Le microscope à sonde à balayage est apparu à une époque de développement intensif de la technologie informatique. Par conséquent, lors de l’enregistrement d’images tridimensionnelles, il a utilisé des méthodes de stockage numérique développées pour les ordinateurs. Cela a conduit à une commodité considérable dans l'analyse et le traitement des images, mais il a fallu sacrifier la qualité photographique inhérente aux méthodes de microscopie électronique. Les informations obtenues à l’aide d’un microscope à sonde sont représentées dans un ordinateur sous la forme d’une matrice bidimensionnelle d’entiers. Chaque nombre de cette matrice, selon le mode de balayage, peut être une valeur de courant tunnel, une valeur d'écart ou la valeur d'une fonction plus complexe. Si vous montrez cette matrice à une personne, elle ne pourra alors pas se faire une idée cohérente de la surface étudiée. Le premier problème est donc de convertir les nombres sous une forme facile à comprendre. Cela se fait comme suit. Les nombres dans la matrice d'origine se situent dans une certaine plage ; il existe des valeurs minimales et maximales. Cette plage d’entiers se voit attribuer une palette de couleurs. Ainsi, chaque valeur de la matrice est mappée à un point d'une couleur spécifique sur l'image rectangulaire. La ligne et la colonne dans lesquelles se trouve cette valeur deviennent les coordonnées du point. En conséquence, nous obtenons une image dans laquelle, par exemple, la hauteur de la surface est véhiculée par la couleur, comme sur une carte géographique. Mais sur une carte, seules des dizaines de couleurs sont généralement utilisées, alors que sur notre image, il y en a des centaines et des milliers. Pour faciliter la perception, les points proches en hauteur doivent être rendus dans des couleurs similaires. Il peut s'avérer, et en règle générale, cela arrive toujours, que la plage des valeurs initiales soit supérieure au nombre de couleurs possibles. Dans ce cas, des informations sont perdues et augmenter le nombre de couleurs n’est pas une solution, car les capacités de l’œil humain sont limitées. Un traitement d'informations supplémentaire est nécessaire et le traitement doit être différent selon les tâches. Certaines personnes ont besoin d’avoir une vue d’ensemble, tandis que d’autres souhaitent examiner les détails. Diverses méthodes sont utilisées pour cela.

6.3 Soustraire une pente constante

Les images de surface obtenues avec des microscopes à sonde ont généralement une pente globale. Cela peut être dû à plusieurs raisons. Premièrement, une inclinaison peut apparaître en raison d'un placement imprécis de l'échantillon par rapport à la sonde ; d'autre part, elle peut être associée à une dérive de température, qui conduit à un déplacement de la sonde par rapport à l'échantillon ; troisièmement, cela peut être dû à la non-linéarité des mouvements du piézoscanner. L'affichage de l'inclinaison consomme une grande quantité d'espace utilisable dans le cadre SPM, de sorte que les petits détails de l'image deviennent invisibles. Pour éliminer cet inconvénient, on effectue l'opération de soustraction d'une pente constante. Pour ce faire, dans un premier temps, le plan d'approximation est trouvé par la méthode des moindres carrés

P(x,y), qui présente des écarts minimes par rapport à la topographie de la surface Z = f(x,y), alors ce plan est soustrait de l'image SPM. Il est conseillé d'effectuer la soustraction de différentes manières selon la nature de la pente.

Si l'inclinaison de l'image SPM est due à l'inclinaison de l'échantillon par rapport à l'échantillon de la sonde, alors il est conseillé de faire pivoter le plan d'un angle correspondant à l'angle entre la normale au plan et l'axe Z ; dans ce cas, les coordonnées de surface Z = f(x,y) sont transformées conformément aux transformations de rotation spatiale. Cependant, avec cette transformation, il est possible d'obtenir une image de la surface sous la forme d'une fonction à valeurs multiples Z = f(x,y). Si l'inclinaison est due à une dérive thermique, alors la procédure de soustraction de l'inclinaison se réduit à soustraire les coordonnées Z du plan des coordonnées Z de l'image SPM :

Le résultat est un tableau avec une plage de valeurs plus petite, et les détails fins de l'image seront reflétés dans plus de couleurs, devenant ainsi plus visibles.

6.4 Élimination des distorsions associées aux imperfections du scanner

L'imperfection des propriétés du scanner conduit au fait que l'image SPM contient un certain nombre de distorsions spécifiques. Les imperfections partielles du scanner, telles que l'inégalité des courses avant et arrière du scanner (hystérésis), le fluage et la non-linéarité des piézocéramiques, sont compensées par le matériel et le choix des modes de numérisation optimaux. Cependant, malgré cela, les images SPM contiennent des distorsions difficiles à éliminer au niveau matériel. En particulier, étant donné que le mouvement du scanner dans le plan de l'échantillon affecte la position de la sonde au-dessus de la surface, les images SPM sont une superposition du relief réel et d'une surface du deuxième ordre (et souvent supérieur).

Pour éliminer ce type de distorsion, la méthode des moindres carrés est utilisée pour trouver une surface d'approximation du second ordre P(x,y), qui présente des écarts minimes par rapport à la fonction d'origine Z = f(x,y), puis cette surface est soustrait de l'image SPM originale :

Un autre type de distorsion est associé à la non-linéarité et à la non-orthogonalité des mouvements du scanner dans le plan X, Y. Cela conduit à une distorsion des proportions géométriques dans diverses parties de l'image SPM de la surface. Pour éliminer de telles distorsions, une procédure est effectuée pour corriger les images SPM à l'aide d'un fichier de coefficients de correction, créé lorsqu'un scanner spécifique scanne des structures de test avec un relief bien connu.

6.5 Filtrage des images SPM

Le bruit de l'équipement (principalement le bruit des amplificateurs d'entrée très sensibles), l'instabilité du contact sonde-échantillon lors du balayage, le bruit acoustique externe et les vibrations conduisent au fait que les images SPM, ainsi que les informations utiles, comportent une composante de bruit. Le bruit partiel dans les images SPM peut être supprimé à l’aide d’un logiciel.

6.6 Filtrage médian

Le filtrage médian donne de bons résultats lors de la suppression du bruit aléatoire haute fréquence dans les trames SPM. Il s'agit d'une méthode de traitement d'image non linéaire dont l'essence peut être expliquée comme suit. Une fenêtre de filtre de travail est sélectionnée, composée de nxn points (pour plus de précision, prenons une fenêtre 3 x 3, c'est-à-dire contenant 9 points (Fig. 24)).

Pendant le processus de filtrage, cette fenêtre se déplace à travers le cadre d'un point à l'autre et la procédure suivante est exécutée. Les valeurs d'amplitude de l'image SPM aux points de cette fenêtre sont classées par ordre croissant, et la valeur située au centre de la ligne triée est saisie au point central de la fenêtre. La fenêtre est ensuite déplacée vers le point suivant et la procédure de tri est répétée. Ainsi, les valeurs aberrantes aléatoires puissantes et les échecs lors d'un tel tri finissent toujours au bord du tableau trié et ne seront pas inclus dans l'image finale (filtrée). Avec ce traitement, des zones non filtrées restent sur les bords du cadre, qui sont supprimées dans l'image finale.

6.7 Méthodes de reconstruction d'une surface à partir de son image SPM

L'un des inconvénients inhérents à toutes les méthodes de microscopie à sonde à balayage est la taille limitée de la partie active des sondes utilisées. Cela conduit à une détérioration significative de la résolution spatiale des microscopes et à des distorsions importantes des images SPM lors du balayage de surfaces présentant des irrégularités de relief comparables aux dimensions caractéristiques de la partie active de la sonde.

En fait, l’image obtenue dans le SPM est une « convolution » de la sonde et de la surface étudiée. Le processus de « convolution » de la forme de la sonde avec le relief de la surface est illustré dans le cas unidimensionnel de la Fig. 25.

Ce problème peut être partiellement résolu par des méthodes récemment développées pour reconstruire les images SPM, basées sur un traitement informatique des données SPM prenant en compte la forme spécifique des sondes. La méthode la plus efficace pour la restauration de surfaces est la méthode de déconvolution numérique, qui utilise la forme de la sonde obtenue expérimentalement par balayage de structures d'essai (avec une topographie de surface bien connue).

Il convient de noter que la restauration complète de la surface de l'échantillon n'est possible que si deux conditions sont remplies : la sonde a touché tous les points de la surface pendant le processus de numérisation, et à chaque instant la sonde n'a touché qu'un seul point de la surface. Si la sonde ne peut pas atteindre certaines zones de la surface lors du balayage (par exemple, si l'échantillon présente des zones de relief en surplomb), alors seule une restauration partielle du relief se produit. De plus, plus la sonde a touché de points sur la surface pendant le balayage, plus la surface peut être reconstruite de manière fiable.

En pratique, l'image SPM et la forme de la sonde déterminée expérimentalement sont des tableaux bidimensionnels de valeurs discrètes pour lesquelles la dérivée est une quantité mal définie. Ainsi, au lieu de calculer en pratique la dérivée de fonctions discrètes, lors de la déconvolution numérique des images SPM, la condition de distance minimale entre la sonde et la surface est utilisée lors d'un balayage avec une hauteur moyenne constante.

Dans ce cas, la hauteur du relief de la surface en un point donné peut être prise comme la distance minimale entre le point du palpeur et le point de la surface correspondant pour une position donnée du palpeur par rapport à la surface. Dans son sens physique, cette condition est équivalente à la condition d'égalité des dérivées, cependant, elle permet de rechercher les points de contact de la sonde avec la surface par une méthode plus adéquate, ce qui réduit considérablement le temps de reconstruction du relief.

Pour calibrer et déterminer la forme de la partie active des sondes, des structures de test spéciales avec des paramètres de relief de surface connus sont utilisées. Les types de structures de test les plus courantes et leurs images caractéristiques obtenues à l'aide d'un microscope à force atomique sont présentés dans la Fig. 26 et fig. 27.

La grille d'étalonnage en forme de pointes pointues permet de définir avec précision la pointe de la sonde, tandis que la grille rectangulaire permet de restituer la forme de la surface latérale. En combinant les résultats du scan de ces réseaux, il est possible de restituer complètement la forme de la partie travaillante des sondes.

7. GPS moderne

1) Microscope à sonde à balayage SM-300

Conçu pour étudier les caractéristiques morphologiques et la structure de l'espace poreux. Le SM-300 (Figure 28) dispose d'un microscope de positionnement optique intégré qui élimine le besoin de rechercher sans fin une zone d'intérêt. Une image optique couleur de l’échantillon, légèrement agrandie, est affichée sur un écran d’ordinateur. Le réticule sur l’image optique correspond à la position du faisceau électronique. À l'aide du réticule, vous pouvez rapidement vous positionner pour définir une zone d'intérêt pour l'analyse raster.

Riz. 28. Microscope électronique SPM SM-300. L'unité de positionnement optique est équipée d'un ordinateur séparé, qui garantit son indépendance matérielle par rapport au microscope à balayage.

CAPACITÉS SM-300

Résolution garantie de 4 nm

· Microscope de positionnement optique unique (en option)

· Logiciel Windows® intuitif

Microscope à balayage et imagerie entièrement contrôlés par ordinateur

Sortie TV standard avec traitement du signal numérique

· Contrôle informatique du système de vide faible (en option)

· Toutes les études sont réalisées sur la même position de l'axe d'application (12 mm)

Microanalyse aux rayons X élémentaires en modes vide faible et poussé (facultatif)

Capacité à travailler dans des conditions normales d’éclairage ambiant

· Etude d'échantillons non conducteurs sans leur préparation préalable

Résolution 5,5 nm en mode faible vide

· Contrôle logiciel de la commutation de mode

Plage de vide de chambre sélectionnable 1,3 – 260 Pa

· Afficher des images sur un écran d'ordinateur

· Capteur Robinson à rétrodiffusion série V

2) Microscope à sonde à balayage haute résolution Supra50VP avec système de microanalyse INCA Energy+Oxford.

L'appareil (Fig. 29) est destiné à la recherche dans tous les domaines de la science des matériaux, dans le domaine des nano et biotechnologies. L'appareil vous permet de travailler avec de gros échantillons et prend également en charge le mode pression variable pour étudier des échantillons non conducteurs sans préparation. Riz. 29. SPM Supra50VP

PARAMÈTRES :

Tension d'accélération 100 V – 30 kV (cathode à émission de champ)

Max. augmenter à x 900000

Ultra haute résolution – jusqu'à 1 nm (à 20 kV)

Mode vide avec pression variable de 2 à 133 Pa

Tension accélératrice – de 0,1 à 30 kV

Table motorisée à cinq degrés de liberté

Résolution du détecteur EDX 129 eV sur la ligne Ka(Mn), taux de comptage jusqu'à 100 000 comptes/s

3) Microscope modernisé LEO SUPRA 25 avec colonne « GEMINI » et émission de champ (Fig. 30).

– Conçu pour la recherche en nanoanalyse

– Peut connecter les systèmes EDX et WDX pour la microanalyse

– Résolution 1,5 nm à 20 kV, 2 nm à 1 kV.

Conclusion

Au cours des dernières années, l’utilisation de la microscopie à sonde a permis d’obtenir des résultats scientifiques uniques dans divers domaines de la physique, de la chimie et de la biologie.

Si les premiers microscopes à sonde à balayage étaient des indicateurs pour la recherche qualitative, un microscope à sonde à balayage moderne est un appareil qui intègre jusqu'à 50 techniques de recherche différentes. Il est capable d'effectuer des mouvements spécifiés dans le système sonde-échantillon avec une précision de 0,1%, de calculer le facteur de forme de la sonde et d'effectuer des mesures précises de tailles assez grandes (jusqu'à 200 µm dans le plan de balayage et 15 à 20 µm en hauteur). ) et, en même temps, fournissent une résolution submoléculaire.

Les microscopes à sonde à balayage sont devenus l'une des classes d'instruments de recherche scientifique les plus populaires sur le marché mondial. De nouveaux modèles d'appareils sont constamment créés, spécialisés pour diverses applications.

Le développement dynamique des nanotechnologies nécessite une expansion toujours plus grande des capacités de la technologie de recherche. Les entreprises de haute technologie du monde entier travaillent à la création de nanocomplexes de recherche et technologiques qui combinent des groupes entiers de méthodes analytiques, telles que : la spectroscopie Raman, la spectroscopie de luminescence, la spectroscopie des rayons X pour l'analyse élémentaire, la microscopie optique à haute résolution, la microscopie électronique. , faisceaux de techniques d'ions focalisés. Les systèmes acquièrent de puissantes capacités intellectuelles : la capacité de reconnaître et de classer les images, de mettre en évidence les contrastes requis, sont dotés de la capacité de simuler les résultats, et la puissance de calcul est assurée par l'utilisation de supercalculateurs.

La technologie développée possède des capacités puissantes, mais le but ultime de son utilisation est d'obtenir des résultats scientifiques. Maîtriser les capacités de cette technologie en soi est une tâche d'une grande complexité, nécessitant la formation de spécialistes hautement qualifiés capables d'utiliser efficacement ces appareils et systèmes.

Références

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2. Koulakov Yu. A. Microscopie électronique / Yu A. Koulakov, – M. : Znanie, 1981, – 64 p.

3. Volodine A.P. Microscopie à balayage / A. P. Volodine, – M. : Nauka, 1998, – 114 p.

4. Microscopie à sonde à balayage des biopolymères / Edité par I. V. Yaminsky, - M. : Monde scientifique, 1997, - 86 p.

5. Mironov V. Fondamentaux de la microscopie à sonde à balayage / V. Mironov, – M. : Tekhnosphere, 2004, – 143 p.

6. Rykov S. A. Microscopie à sonde à balayage des matériaux semi-conducteurs / S. A. Rykov, – Saint-Pétersbourg : Nauka, 2001, – 53 p.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Microscopie à sonde à balayage pour la science et l'industrie / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Electronique : science, technologie, affaires, – 1997, – n° 5, – Avec. 7 – 14.

Les premiers appareils avec lesquels il est devenu possible d'observer des nanoobjets et de les déplacer ont été des microscopes à sonde à balayage - un microscope à force atomique et un microscope à tunnel à balayage fonctionnant selon un principe similaire. La microscopie à force atomique (AFM) a été développée par G. Binnig et G. Rohrer, qui ont reçu le prix Nobel pour ces recherches en 1986. La création d'un microscope à force atomique, capable de ressentir les forces d'attraction et de répulsion apparaissant entre les atomes individuels, a permis enfin de « toucher et voir » des nanoobjets.

Figure 9. Principe de fonctionnement d'un microscope à sonde à balayage (extrait de http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). La ligne pointillée montre le trajet du faisceau laser. D'autres explications sont dans le texte.

La base de l'AFM (voir Fig. 9) est une sonde, généralement en silicium et représentant une fine plaque en porte-à-faux (elle est appelée cantilever, du mot anglais « cantilever » - console, poutre). À l'extrémité du porte-à-faux (longueur » 500 µm, largeur » 50 µm, épaisseur » 1 µm) se trouve une pointe très pointue (longueur » 10 µm, rayon de courbure de 1 à 10 nm), se terminant par un groupe d'un ou plusieurs atomes (voir Fig. 10).

Figure 10. Microphotos électroniques de la même sonde prises à faible (en haut) et à fort grossissement.

Lorsque la microsonde se déplace le long de la surface de l'échantillon, la pointe de la pointe monte et descend, soulignant le microrelief de la surface, tout comme un stylet de gramophone glisse le long d'un disque de gramophone. À l'extrémité saillante du cantilever (au-dessus de la pointe, voir fig. 9) se trouve une zone de miroir sur laquelle le faisceau laser tombe et est réfléchi. Lorsque la pointe s'abaisse et monte sur des irrégularités de surface, le faisceau réfléchi est dévié et cette déviation est enregistrée par un photodétecteur, et la force avec laquelle la pointe est attirée vers les atomes proches est enregistrée par un capteur piézoélectrique.

Les données du photodétecteur et du capteur piézoélectrique sont utilisées dans un système de rétroaction qui peut fournir, par exemple, une valeur constante de la force d'interaction entre la microsonde et la surface de l'échantillon. Il est ainsi possible de construire en temps réel un relief volumétrique de la surface de l’échantillon. La résolution de la méthode AFM est d'environ 0,1 à 1 nm horizontalement et 0,01 nm verticalement. Une image de la bactérie Escherichia coli obtenue à l'aide d'un microscope à sonde à balayage est présentée sur la Fig. 11.

Figure 11. Bactérie Escherichia coli ( Escherichia coli). L'image a été obtenue à l'aide d'un microscope à sonde à balayage. La longueur de la bactérie est de 1,9 microns, la largeur est de 1 microns. L'épaisseur des flagelles et des cils est respectivement de 30 nm et 20 nm.

Un autre groupe de microscopes à sonde à balayage utilise ce que l'on appelle « l'effet tunnel » de la mécanique quantique pour construire le relief de la surface. L'essence de l'effet tunnel est que le courant électrique entre une aiguille métallique pointue et une surface située à une distance d'environ 1 nm commence à dépendre de cette distance - plus la distance est petite, plus le courant est important. Si une tension de 10 V est appliquée entre l’aiguille et la surface, alors ce courant « tunnel » peut aller de 10 pA à 10 nA. En mesurant ce courant et en le maintenant constant, la distance entre l’aiguille et la surface peut également rester constante. Cela vous permet de construire un profil volumétrique de la surface (voir Fig. 12). Contrairement à un microscope à force atomique, un microscope à effet tunnel ne peut étudier que les surfaces des métaux ou des semi-conducteurs.

Figure 12. L'aiguille d'un microscope à effet tunnel située à une distance constante (voir flèches) au-dessus des couches d'atomes de la surface étudiée.

Un microscope à effet tunnel peut également être utilisé pour déplacer un atome vers un point choisi par l'opérateur. Par exemple, si la tension entre l'aiguille du microscope et la surface de l'échantillon est légèrement supérieure à celle nécessaire pour étudier cette surface, alors l'atome de l'échantillon le plus proche se transforme en ion et « saute » vers l'aiguille. Après cela, en déplaçant légèrement l’aiguille et en modifiant la tension, vous pouvez forcer l’atome échappé à « sauter » à la surface de l’échantillon. De cette manière, il est possible de manipuler des atomes et de créer des nanostructures, c'est-à-dire structures en surface dont les dimensions sont de l’ordre du nanomètre. En 1990 déjà, les employés d'IBM ont montré que cela était possible en combinant le nom de leur entreprise composé de 35 atomes de xénon sur une plaque de nickel (voir fig. 13).

Figure 13. Le nom de la société IBM composé de 35 atomes de xénon sur une plaque de nickel, réalisé par des employés de cette société à l'aide d'un microscope à sonde à balayage en 1990.

À l'aide d'un microscope à sonde, vous pouvez non seulement déplacer des atomes, mais également créer les conditions préalables à leur auto-organisation. Par exemple, s’il y a une goutte d’eau contenant des ions thiol sur une plaque métallique, alors la sonde du microscope aidera à orienter ces molécules de manière à ce que leurs deux queues d’hydrocarbures soient tournées vers l’opposé de la plaque. En conséquence, il est possible de construire une monocouche de molécules de thiol adhérant à une plaque métallique (voir Fig. 14). Cette méthode de création d’une monocouche de molécules sur une surface métallique est appelée « nanolithographie au stylo ».

Figure 14. En haut à gauche – porte-à-faux (gris acier) d'un microscope à sonde à balayage au-dessus d'une plaque métallique. À droite, une vue agrandie de la zone (délimitée en blanc sur la figure de gauche) sous la pointe en porte-à-faux, qui montre schématiquement des molécules de thiol avec des queues d'hydrocarbures violettes disposées en monocouche à la pointe de la sonde. Adapté de Scientific American, 2001, septembre, p. 44.

(Anglais) Microscope Electronique à Balayage (MEB) est un appareil qui permet d'obtenir des images de la surface d'un échantillon avec une haute résolution (inférieure au micromètre). Les images obtenues à l'aide d'un microscope électronique à balayage sont tridimensionnelles et pratiques pour étudier la structure de la surface numérisée. Un certain nombre de méthodes supplémentaires (méthodes EDX, WDX) permettent d'obtenir des informations sur la composition chimique des couches proches de la surface.

Principe de fonctionnement

L'échantillon étudié est scanné dans des conditions de vide industriel avec un faisceau d'électrons focalisé d'énergie moyenne. Selon le mécanisme d'enregistrement du signal, il existe plusieurs modes de fonctionnement d'un microscope électronique à balayage : mode électrons réfléchis, mode électrons secondaires, mode cathodoluminescence, etc. Les techniques développées permettent d'étudier non seulement les propriétés de la surface de l'échantillon , mais aussi de visualiser et d'obtenir des informations sur les propriétés des structures souterraines, situées à plusieurs microns de profondeur de la surface scannée.

Modes de fonctionnement

Détection d'électrons secondaires

Le rayonnement qui forme l'image de la surface de l'échantillon dans la plupart des modèles d'appareils est précisément des électrons secondaires qui pénètrent dans le détecteur de type Everhart-Thornley, où se forme l'image primaire qui, après traitement logiciel, se retrouve sur l'écran du moniteur. Comme dans les microscopes électroniques à transmission, le film était auparavant utilisé pour la photographie. La caméra a capturé des images sur un écran à tube cathodique noir et blanc haute définition. Désormais, l’image générée est simplement affichée dans la fenêtre d’interface du programme informatique contrôlant le microscope et, après mise au point par l’opérateur, peut être enregistrée sur le disque dur de l’ordinateur. L'image formée à l'aide de microscopes à balayage se distingue par un contraste et une profondeur de champ élevés. Dans certains modèles d'appareils modernes, grâce à l'utilisation de la technologie multifaisceau et à l'utilisation d'un logiciel spécial, il est possible d'obtenir une image 3D de la surface de l'objet étudié. Par exemple, ces microscopes sont produits par la société japonaise JEOL.

autorisation

La résolution spatiale d'un microscope électronique à balayage dépend de la taille transversale du faisceau électronique, qui à son tour dépend des caractéristiques du système électro-optique qui focalise le faisceau. La résolution est également limitée par la taille de la zone d'interaction entre la sonde électronique et l'échantillon, c'est-à-dire par le matériau cible. La taille de la sonde électronique et la taille de la région d'interaction sonde-échantillon sont beaucoup plus grandes que les distances entre les atomes cibles, de sorte que la résolution d'un microscope électronique à balayage n'est pas suffisamment grande pour afficher les échelles atomiques, comme c'est possible, par exemple, dans un microscope électronique à transmission. Cependant, le microscope électronique à balayage présente des avantages, notamment la capacité d'imager une zone relativement grande d'un échantillon, la capacité d'examiner des cibles massives (pas seulement des films minces) et une variété de techniques analytiques qui permettent d'examiner le caractéristiques fondamentales du matériau cible. En fonction de l'appareil spécifique et des paramètres expérimentaux, des valeurs de résolution allant de plusieurs dizaines à plusieurs nanomètres peuvent être atteintes.

Application

Les microscopes à balayage sont principalement utilisés comme outil de recherche en physique, science des matériaux, électronique et biologie. Principalement pour obtenir une image de l'échantillon examiné, qui peut varier considérablement selon le type de détecteur utilisé. Ces différences dans les images obtenues nous permettent de tirer des conclusions sur les propriétés physiques de la surface et de mener des études sur la topographie de la surface. Le microscope électronique est pratiquement le seul instrument capable d’imager la surface d’un microcircuit moderne ou une étape intermédiaire du processus de photolithographie.