Kursinis darbas: Skenuojančio zondo mikroskopija. Zondinių mikroskopų erdvinė skiriamoji geba

7.Skenuojančio zondo mikroskopo panaudojimas biologiniams objektams tirti

7. Skenuojančio zondo mikroskopo taikymas biologiniams objektams tirti 1

7.1. Darbo tikslai 2

7.2. Mokytojo informacija 3

7.4. 31 gairės

7.5. Sauga 32

7.6. 32 užduotis

7.7. Testo klausimai 32

7.8. Literatūra 32

Laboratorinį darbą sukūrė Nižnij Novgorodo valstybinis universitetas. N.I. Lobačevskis

7.1.Darbo tikslai

Biologinių struktūrų morfologinių parametrų tyrimas yra svarbi biologų užduotis, nes kai kurių struktūrų dydis ir forma daugiausia lemia jų fiziologines savybes. Lyginant morfologinius duomenis su funkcinėmis savybėmis, galima gauti išsamios informacijos apie gyvų ląstelių dalyvavimą palaikant žmogaus ar gyvūno organizmo fiziologinę pusiausvyrą.

Anksčiau biologai ir medikai turėjo galimybę tirti savo preparatus tik naudojant optinius ir elektroninius mikroskopus. Šie tyrimai suteikė šiek tiek įžvalgos apie ląstelių, fiksuotų, nudažytų ir padengtų plonomis metalinėmis dangomis, pagamintomis purškiant, morfologiją. Nebuvo įmanoma ištirti gyvų objektų morfologijos ir jos pokyčių veikiant įvairiems veiksniams, tačiau tai labai viliojo.

Skenuojančio zondo mikroskopija (SPM) atvėrė naujas galimybes tiriant ląsteles, bakterijas, biologines molekules ir DNR kuo artimesnėmis vietinėms sąlygomis. SPM leidžia tirti biologinius objektus be specialių fiksatorių ir dažiklių, ore ar net skystoje terpėje.

Šiuo metu SPM naudojamas įvairiose disciplinose tiek fundamentiniams moksliniams tyrimams, tiek taikomųjų aukštųjų technologijų plėtrai. Daugelis šalies mokslinių tyrimų institutų aprūpinti zondine mikroskopine įranga. Šiuo atžvilgiu aukštos kvalifikacijos specialistų paklausa nuolat auga. Siekdama patenkinti šį reikalavimą, NT-MDT įmonė (Zelenogradas, Rusija) sukūrė specializuotą edukacinę ir mokslinę laboratoriją, skirtą skenuojančio zondo mikroskopijai. NanoEducator.

SPM NanoEducator specialiai sukurta studentų laboratoriniams darbams. Šis įrenginys yra skirtas studentų auditorijai: jis visiškai valdomas kompiuteriu, turi paprastą ir intuityvią sąsają, animacijos palaikymą, apima laipsnišką technikos kūrimą, sudėtingų nustatymų ir nebrangių eksploatacinių medžiagų nebuvimą.

Šiame laboratoriniame darbe sužinosite apie skenuojamojo zondo mikroskopiją, susipažinsite su jos pagrindais, išstudijausite edukacinės programos dizainą ir veikimo principus. SPM NanoEducator, išmokti ruošti biologinius preparatus tyrimams, gauti pirmąjį pieno rūgšties bakterijų komplekso SPM vaizdą bei išmokti matavimo rezultatų apdorojimo ir pateikimo pagrindų.

7.2.Informacija mokytojui 1

Laboratoriniai darbai atliekami keliais etapais:

1. Mėginio paruošimą kiekvienas mokinys atlieka individualiai.

2. Pirmas vaizdas gaunamas vienu įrenginiu, prižiūrint mokytojui, tada kiekvienas mokinys savarankiškai tiria savo pavyzdį.

3. Eksperimentinius duomenis kiekvienas mokinys apdoroja individualiai.

Mėginys tyrimams: pieno rūgšties bakterijos ant dengiamojo stiklo.

Prieš pradedant darbą, reikia parinkti zondą, kurio amplitudinė-dažnė charakteristika yra būdingiausia (viengubas simetriškas maksimumas) ir gauti tiriamo mėginio paviršiaus vaizdą.

Laboratorijos ataskaitoje turėtų būti:

1. teorinė dalis (atsakymai į kontrolinius klausimus).

2. eksperimentinės dalies rezultatai (atlikto tyrimo aprašymas, gauti rezultatai ir padarytos išvados).

1. Biologinių objektų morfologijos tyrimo metodai.

2. Nuskaitymo zondo mikroskopas:

SPM dizainas;

SPM tipai: STM, AFM;

SPM duomenų formatas, SPM duomenų vizualizacija.

3. Mėginių paruošimas SPM tyrimams:

bakterijų ląstelių morfologija ir struktūra;

preparatų ruošimas morfologijos studijoms naudojant SPM.

4. NanoEducator SPM projektavimo ir valdymo programos įvadas.

5. SPM vaizdo gavimas.

6. Gautų vaizdų apdorojimas ir analizė. SPM vaizdų kiekybinis apibūdinimas.

Biologinių objektų morfologijos tyrimo metodai

Būdingas ląstelių skersmuo yra 10  20 μm, bakterijos nuo 0,5 iki 3  5 μm, šios reikšmės yra 5 kartus mažesnės už mažiausią plika akimi matomą dalelę. Todėl pirmasis ląstelių tyrimas tapo įmanomas tik atsiradus optiniams mikroskopams. XVII amžiaus pabaigoje. Antonio van Leeuwenhoekas padarė pirmąjį optinį mikroskopą, žmonės net neįtarė, kad egzistuoja patogeniniai mikrobai ir bakterijos [Lit. 7-1].

Optinė mikroskopija

Sunkumų tiriant ląsteles kyla dėl to, kad jos yra bespalvės ir skaidrios, todėl jų pagrindinės struktūros buvo atrastos tik praktiškai pradėjus naudoti dažus. Dažai suteikė pakankamai vaizdo kontrasto. Naudodami optinį mikroskopą galite atskirti objektus, esančius 0,2 µm atstumu, t.y. Mažiausi objektai, kuriuos dar galima atskirti optiniame mikroskope, yra bakterijos ir mitochondrijos. Mažesnių ląstelių elementų vaizdai yra iškraipomi dėl šviesos banginio pobūdžio efektų.

Norint paruošti ilgalaikius preparatus, ląstelės apdorojamos fiksuojančia priemone, kad jos būtų imobilizuotos ir išsaugotos. Be to, fiksacija padidina ląstelių prieinamumą dažams, nes Ląstelių makromolekules laiko kryžminiai ryšiai, kurie jas stabilizuoja ir fiksuoja tam tikroje padėtyje. Dažniausiai aldehidai ir alkoholiai veikia kaip fiksatoriai (pavyzdžiui, glutaraldehidas arba formaldehidas sudaro kovalentinius ryšius su laisvomis baltymų amino grupėmis ir kryžminiu ryšiu susieja kaimynines molekules). Fiksuotas audinys paprastai mikrotomu supjaustomas į labai plonas dalis (1–10 µm storio), kurios dedamos ant stiklelio. Šis paruošimo būdas gali pažeisti ląstelių ar makromolekulių struktūrą, todėl pageidautinas greitas užšaldymas. Sušaldyti audiniai pjaunami mikrotomu, įtaisytu šaltoje kameroje. Paruošus pjūvius ląstelės nudažomos. Tam daugiausia naudojami organiniai dažai (malachito žalieji, juodieji sudanai ir kt.). Kiekvienam iš jų būdingas tam tikras afinitetas ląstelių komponentams, pavyzdžiui, hematoksilinas turi afinitetą neigiamai įkrautoms molekulėms, todėl leidžia aptikti DNR ląstelėse. Jei tam tikros molekulės ląstelėje yra nedideliais kiekiais, tuomet patogiausia naudoti fluorescencinę mikroskopiją.

Fluorescencinė mikroskopija

Fluorescenciniai dažai sugeria vieno bangos ilgio šviesą ir skleidžia kito, ilgesnio bangos ilgio šviesą. Jei tokia medžiaga apšvitinama šviesa, kurios bangos ilgis atitinka dažų sugertos šviesos bangos ilgį, o tada analizei naudojamas filtras, kuris praleidžia šviesą, kurios bangos ilgis atitinka dažų skleidžiamą šviesą, galima aptikti fluorescencinę molekulę. šviečiant tamsiame lauke. Didelis skleidžiamos šviesos intensyvumas yra būdingas tokių molekulių bruožas. Naudojant fluorescencinius dažus ląstelėms nudažyti, naudojamas specialus fluorescencinis mikroskopas. Šis mikroskopas panašus į įprastą optinį mikroskopą, tačiau galingo iliuminatoriaus šviesa praeina per du filtrų rinkinius – vieną sustabdo dalį iliuminatoriaus spinduliuotės. mėginio priekyje, o kitas – iš mėginio gaunamai šviesai filtruoti. Pirmasis filtras parenkamas taip, kad jis praleistų tik bangos ilgio šviesą, kuri sužadina tam tikrą fluorescencinį dažą; tuo pačiu metu antrasis filtras blokuoja šią krintančią šviesą ir perduoda dažo skleidžiamo bangos ilgio šviesą, kai jis fluorescuoja.

Fluorescencinė mikroskopija dažnai naudojama identifikuoti specifinius baltymus ar kitas molekules, kurios tampa fluorescuojančios po to, kai yra kovalentiškai surištos su fluorescenciniais dažais. Šiuo tikslu paprastai naudojami du dažai - fluoresceinas, kuri sukuria intensyvią geltonai žalią fluorescenciją sužadinant šviesiai mėlyna šviesa ir rodaminas, sukelia tamsiai raudoną fluorescenciją po sužadinimo geltonai žalia šviesa. Dažymui naudojant ir fluoresceiną, ir rodaminą, galima gauti įvairių molekulių pasiskirstymą.

Tamsiojo lauko mikroskopija

Lengviausias būdas pamatyti ląstelės struktūros detales – stebėti šviesą, kurią išsklaido įvairūs ląstelės komponentai. Tamsaus lauko mikroskope spinduliai iš iliuminatoriaus nukreipiami iš šono, o į mikroskopo objektyvą patenka tik išsklaidyti spinduliai. Atitinkamai ląstelė atrodo kaip apšviestas objektas tamsiame lauke. Vienas iš pagrindinių tamsaus lauko mikroskopijos privalumų yra galimybė stebėti ląstelių judėjimą dalijimosi ir migracijos proceso metu. Ląstelių judesiai paprastai yra labai lėti ir sunkiai stebimi realiu laiku. Šiuo atveju naudojamas mikrofilmavimas po kadro (time-lapse) arba vaizdo įrašymas. Iš eilės einantys kadrai yra atskiriami laike, tačiau įrašą atkuriant įprastu greičiu, tikrų įvykių vaizdas paspartėja.

Pastaraisiais metais vaizdo kameros ir susijusios vaizdo apdorojimo technologijos labai pagerino optinės mikroskopijos galimybes. Jų panaudojimo dėka buvo galima įveikti sunkumus, kylančius dėl žmogaus fiziologijos ypatumų. Jie yra tokie:

1. Akys normaliomis sąlygomis nefiksuoja labai silpnos šviesos.

2. Akis negali aptikti nedidelių šviesos intensyvumo skirtumų šviesiame fone.

Pirmoji iš šių problemų buvo įveikta prie mikroskopo pridėjus itin jautrias vaizdo kameras. Tai leido ilgą laiką stebėti ląsteles esant silpnam apšvietimui, pašalinant ilgalaikį ryškios šviesos poveikį. Vaizdo gavimo sistemos yra ypač svarbios tiriant fluorescencines molekules gyvose ląstelėse. Kadangi vaizdas vaizdo kamera sukuriamas elektroninių signalų pavidalu, jį galima tinkamai konvertuoti į skaitmeninius signalus, nusiųsti į kompiuterį, o vėliau apdoroti, kad būtų išgaunama paslėpta informacija.

Didelis kontrastas, pasiekiamas naudojant kompiuterinę interferencinę mikroskopiją, leidžia stebėti net labai mažus objektus, pavyzdžiui, atskirus mikrovamzdelius, kurių skersmuo yra mažesnis nei viena dešimtoji šviesos bangos ilgio (0,025 μm). Atskiri mikrovamzdeliai taip pat gali būti matomi naudojant fluorescencinę mikroskopiją. Tačiau abiem atvejais difrakcijos efektai yra neišvengiami, labai pakeičiantys vaizdą. Šiuo atveju mikrovamzdelių skersmuo yra pervertintas (0,2 μm), o tai neleidžia atskirti atskirų mikrovamzdelių nuo kelių mikrovamzdelių pluošto. Šiai problemai išspręsti reikalingas elektroninis mikroskopas, kurio skiriamoji geba pasislenka toli už matomos šviesos bangos ilgio.

Elektroninė mikroskopija

Ryšys tarp bangos ilgio ir skiriamosios gebos ribos taip pat galioja elektronams. Tačiau elektroninio mikroskopo skiriamoji geba yra žymiai mažesnė nei difrakcijos riba. Didėjant jo greičiui, elektrono bangos ilgis mažėja. Elektroniniame mikroskope, kurio įtampa yra 100 000 V, elektronų bangos ilgis yra 0,004 nm. Remiantis teorija, tokio mikroskopo skiriamoji geba yra 0,002 nm. Tačiau iš tikrųjų dėl mažų elektroninių lęšių skaitmeninių apertūrų šiuolaikinių elektroninių mikroskopų skiriamoji geba geriausiu atveju siekia 0,1 nm. Mėginio paruošimo sunkumai ir radiacinė žala žymiai sumažina normalią skiriamąją gebą, kuri biologiniams objektams yra 2 nm (apie 100 kartų didesnė nei šviesos mikroskopo).

Elektronų šaltinis perdavimo elektronų mikroskopas (TEM) yra katodinis siūlas, esantis maždaug dviejų metrų aukščio cilindrinės kolonos viršuje. Siekiant išvengti elektronų sklaidos susidūrus su oro molekulėmis, kolonėlėje sukuriamas vakuumas. Elektronai, skleidžiami iš katodo gijos, yra pagreitinami šalia esančio anodo ir praeina per mažą skylutę, sudarydami elektronų pluoštą, kuris keliauja į kolonėlės apačią. Išilgai kolonos tam tikru atstumu yra žiediniai magnetai, fokusuojantys elektronų spindulį, kaip stikliniai lęšiai, fokusuojantys šviesos spindulį optiniame mikroskope. Mėginys dedamas į kolonėlės vidų per oro užraktą, elektronų pluošto kelyje. Dalis elektronų praėjimo pro mėginį momentu yra išsibarstę pagal medžiagos tankį šioje srityje, likusieji elektronai yra sufokusuoti ir sudaro vaizdą (panašiai kaip susidaro vaizdas optiniame mikroskope) ant fotografinės plokštelės arba ant fosforescencinio ekrano.

Vienas didžiausių elektroninės mikroskopijos trūkumų yra tai, kad biologiniai mėginiai turi būti specialiai apdorojami. Pirma, jie pirmiausia fiksuojami glutaraldehidu, o paskui osmine rūgštimi, kuri suriša ir stabilizuoja lipidų ir baltymų dvisluoksnį. Antra, elektronai turi mažą prasiskverbimo galią, todėl reikia daryti itin plonas pjūvius, o tam mėginiai dehidratuojami ir impregnuojami dervomis. Trečia, siekiant padidinti kontrastą, mėginiai apdorojami sunkiųjų metalų druskomis, tokiomis kaip osmis, uranas ir švinas.

Norint gauti trimatį paviršiaus vaizdą, jis naudojamas skenuojantis elektroninis mikroskopas (SEM), kuriame naudojami mėginio paviršiaus išsklaidyti arba išspinduliuoti elektronai. Šiuo atveju mėginys fiksuojamas, išdžiovinamas ir padengiamas plona sunkiojo metalo plėvele, o po to nuskaitomas siauru elektronų pluoštu. Šiuo atveju įvertinamas elektronų, išsibarsčiusių apšvitinant paviršių, skaičius. Gauta reikšmė naudojama antrojo spindulio, kuris sinchroniškai juda su pirmuoju ir formuoja vaizdą monitoriaus ekrane, intensyvumui valdyti. Metodo skiriamoji geba yra apie 10 nm ir jis netaikomas tarpląsteliniams organoidams tirti. Šiuo metodu tiriamų mėginių storis nustatomas pagal elektronų įsiskverbimo gebą arba jų energiją.

Pagrindiniai ir reikšmingi visų šių metodų trūkumai yra mėginio paruošimo trukmė, sudėtingumas ir didelės kainos.

Skenuojančio zondo mikroskopija

Skenuojančiame zondo mikroskope (SPM) mėginio paviršiui nuskaityti vietoj elektronų pluošto ar optinės spinduliuotės naudojamas aštrus zondas – adata. Vaizdžiai tariant, galime pasakyti, kad jei mėginys tiriamas optiniu ar elektroniniu mikroskopu, tai SPM jis jaučiamas. Dėl to galima gauti trimačius objektų vaizdus įvairiose terpėse: vakuume, ore, skystyje.

Specialios SPM konstrukcijos, pritaikytos biologiniams tyrimams, leidžia vienu metu optiškai stebėti tiek gyvas ląsteles įvairiose skystose terpėse, tiek fiksuotus preparatus ore.

Skenuojantis zondo mikroskopas

Skenuojančio zondo mikroskopo pavadinimas atspindi jo veikimo principą – mėginio paviršiaus skenavimą, kurio metu taškas po taško nuskaitomas zondo sąveikos su paviršiumi laipsnis. Galima nurodyti nuskaitymo srities dydį ir taškų skaičių joje N X ·N Y. Kuo daugiau taškų nurodyta, tuo didesnė paviršiaus raiška gaunama. Atstumas tarp signalo skaitymo taškų vadinamas nuskaitymo žingsniu. Nuskaitymo žingsnis turėtų būti mažesnis nei tiriamos paviršiaus detalės. Zondas skenavimo proceso metu juda (žr. 7 -1 pav.) tiesiškai pirmyn ir atgal (greito nuskaitymo kryptimi), perėjimas į kitą eilutę vykdomas statmena kryptimi (lėto kryptimi). nuskaitymas).

Ryžiai. 7 1. Scheminis skenavimo proceso pavaizdavimas
(signalas nuskaitomas skaitytuvo judesio metu į priekį)

Priklausomai nuo skaitomo signalo pobūdžio, skenuojantys mikroskopai turi skirtingus pavadinimus ir paskirtį:

atominės jėgos mikroskopu (AFM), nuskaitomos zondo atomų ir mėginio atomų tarpatominės sąveikos jėgos;

tunelinis mikroskopas (STM), nuskaito tunelio srovę, tekančią tarp laidžiojo mėginio ir laidžiojo zondo;

magnetinės jėgos mikroskopas (MFM), nuskaitomos sąveikos jėgos tarp zondo, padengto magnetine medžiaga, ir mėginio, aptinkančio magnetines savybes;

Elektrostatinės jėgos mikroskopas (ESM) leidžia gauti vaizdą apie elektrinio potencialo pasiskirstymą mėginio paviršiuje. Naudojami zondai, kurių galas yra padengtas plona laidžia plėvele (aukso arba platinos).

SPM dizainas

SPM sudaro šie pagrindiniai komponentai (7 -2 pav.): zondas, pjezoelektrinės pavaros, skirtos zondui perkelti X, Y, Z kryptimis tiriamo mėginio paviršiumi, grįžtamojo ryšio grandinė ir kompiuteris skenavimui valdyti. procesas ir vaizdo gavimas.

7 pav. 2. Skenuojančio zondo mikroskopo diagrama

Zondas jutiklis – jėgos zondo mikroskopo komponentas, nuskaitantis mėginį. Zondo jutiklyje yra stačiakampio (I formos) arba trikampio (V formos) tipo konsolė (spyruoklinė konsolė) (7 -3 pav.), kurios gale yra smailus zondas (7 -3 pav.) , dažniausiai kūgio arba piramidės formos . Kitas konsolės galas yra prijungtas prie pagrindo (vadinamuoju lustu). Zondų jutikliai pagaminti iš silicio arba silicio nitrido. Pagrindinė konsolės charakteristika yra jėgos konstanta (standumo konstanta), ji svyruoja nuo 0,01 N/m iki 1020 N/m. Biologiniams objektams tirti naudojami „minkštieji“ zondai, kurių kietumas 0,01  0,06 N/m.

Ryžiai. 7 3. Piramidinių AFM zondo jutiklių vaizdai
Gauta naudojant elektroninį mikroskopą:
a – I formos tipas, b – V formos tipas, c – piramidė konsolės smaigalyje

Pjezoelektrinės pavaros arba skaitytuvai – kontroliuojamam zondo judėjimui virš mėginio arba paties mėginio zondo atžvilgiu itin nedideliais atstumais. Pjezoelektrinėse pavarose naudojamos pjezokeraminės medžiagos, kurios keičia dydį, kai joms tiekiama elektros įtampa. Geometrinių parametrų keitimo procesas veikiant elektriniam laukui vadinamas atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu. Labiausiai paplitusi pjezomedžiaga yra švino cirkonato titanatas.

Skaitytuvas yra pjezokeraminė struktūra, kuri užtikrina judėjimą trimis koordinatėmis: x, y (šoninėje mėginio plokštumoje) ir z (vertikaliai). Egzistuoja kelių tipų skaitytuvai, iš kurių dažniausiai naudojami trikojis ir vamzdelis (7-4 pav.).

Ryžiai. 7 4. Skaitytuvų konstrukcijos: a) – trikojis, b) – vamzdinis

Trikojų skeneryje judesius pagal tris koordinates užtikrina trys nepriklausomi pjezokeraminiai strypai, sudarantys stačiakampę struktūrą.

Vamzdiniame skeneryje tuščiaviduris pjezoelektrinis vamzdis lenkiasi XZ ir ZY plokštumose ir plečiasi arba susitraukia išilgai Z ašies, kai elektrodams, kontroliuojantiems vamzdžio judesius, yra prijungta atitinkama įtampa. Elektrodai, skirti valdyti judėjimą XY plokštumoje, yra išoriniame vamzdžio paviršiuje, kad būtų galima valdyti judėjimą Z, X ir Y elektrodams taikoma vienoda įtampa.

Grįžtamojo ryšio grandinė – SPM elementų rinkinys, kurio pagalba skenuojant zondas laikomas fiksuotu atstumu nuo mėginio paviršiaus (7 -5 pav.). Skenavimo proceso metu zondas gali būti skirtingo topografinio mėginio paviršiaus srityse, tokiu atveju pasikeis zondo ir mėginio atstumas Z ir atitinkamai pasikeis antgalio ir mėginio sąveikos dydis.

Ryžiai. 7 5. Nuskaitymo zondo mikroskopo grįžtamojo ryšio grandinė

Kai zondas artėja prie paviršiaus, didėja zondo ir mėginio sąveikos jėgos, o signalas iš įrašymo įrenginio taip pat didėja. V(t), kurios išreikštas įtampos vienetais. Komparatorius lygina signalą V(t) su etalonine įtampa V palaikantis ir generuoja korekcijos signalą V korespondentas. Koregavimo signalas V korespondentas tiekiamas į skaitytuvą ir zondas ištraukiamas iš mėginio. Etaloninė įtampa yra įtampa, atitinkanti įrašymo įrenginio signalą, kai zondas yra tam tikru atstumu nuo mėginio. Išlaikydama šį nurodytą antgalio ir mėginio atstumą nuskaitymo proceso metu, grįžtamojo ryšio sistema palaiko nurodytą antgalio ir mėginio sąveikos jėgą.

Ryžiai. 7 6. Santykinio zondo judėjimo trajektorija palaikant pastovią galiuko ir mėginio sąveikos jėgą grįžtamojo ryšio sistema

Fig. 7–6 parodyta zondo trajektorija mėginio atžvilgiu, išlaikant pastovią zondo ir mėginio sąveikos jėgą. Jei zondas yra virš duobės, skaitytuvui įjungiama įtampa, dėl kurios skaitytuvas išsitiesia, zondas nuleidžiamas.

Grįžtamojo ryšio grandinės reakcijos į zondo ir mėginio atstumo pasikeitimą greitis (zondo ir mėginio sąveika) nustatomas pagal grįžtamojo ryšio grandinės konstantą K. Vertybės K priklauso nuo konkretaus SPM projektavimo ypatybių (skaitiklio dizainas ir charakteristikos, elektronika), SPM veikimo režimo (skenavimo ploto dydis, skenavimo greitis ir kt.), taip pat tiriamo paviršiaus ypatybių. (reljefo savybių skalė, medžiagos kietumas ir kt.).

SPM tipai

Skenuojantis tunelinis mikroskopas

STM registravimo įtaisas (7 -7 pav.) matuoja tarp metalinio zondo tekančią tunelinę srovę, kuri kinta priklausomai nuo potencialo bandinio paviršiuje ir jo paviršiaus topografijos. Zondas yra smarkiai pagaląsta adata, kurios galiuko spindulys gali siekti kelis nanometrus. Kaip zondo medžiaga dažniausiai naudojami metalai, turintys didelį kietumą ir atsparumą cheminiam poveikiui: volframas arba platina.

Ryžiai. 7 7. Tunelinio zondo jutiklio schema

Tarp laidžiojo zondo ir laidžiojo mėginio įvedama įtampa. Kai zondo galas nuo mėginio yra nutolęs apie 10A, elektronai iš mėginio pradeda tuneliu per tarpą į zondą arba atvirkščiai, priklausomai nuo įtampos ženklo (7 - 8 pav.).

Ryžiai. 7 8. Scheminis zondo galo sąveikos su mėginiu pavaizdavimas

Gauta tunelio srovė matuojama įrašymo įtaisu. Jo dydis aš T proporcingas tunelio kontakto įtampai V ir eksponentiškai priklauso nuo atstumo nuo adatos iki mėginio d.

Taigi nedideli atstumo nuo zondo galo iki mėginio pokyčiai d atitinka eksponentiškai didelius tunelio srovės pokyčius aš T(darant prielaidą, kad įtampa V palaikoma pastovi). Dėl šios priežasties tunelinio zondo jutiklio jautrumas yra pakankamas, kad būtų galima aptikti mažesnius nei 0,1 nm aukščio pokyčius ir gauti atomų vaizdą kietosios medžiagos paviršiuje.

Atominės jėgos mikroskopas

Dažniausias atominės jėgos sąveikos zondas yra spyruoklinė konsolė (iš anglų kalbos konsolė - konsolė), kurios gale yra zondas. Konsolės lenkimo dydis, atsirandantis dėl jėgos sąveikos tarp mėginio ir zondo (7-9 pav.), matuojamas naudojant optinio įrašymo grandinę.

Jėgos jutiklio veikimo principas pagrįstas atominių jėgų, veikiančių tarp zondo atomų ir mėginio atomų, panaudojimu. Pasikeitus zondo mėginio jėgai, keičiasi konsolės lenkimo dydis, o šis pokytis matuojamas optinio įrašymo sistema. Taigi atominės jėgos jutiklis yra didelio jautrumo aštriabriaunis zondas, leidžiantis fiksuoti atskirų atomų sąveikos jėgas.

Mažiems posūkiams – zondo ir mėginio jėgos santykis F ir konsolės galo įlinkį x nustatoma pagal Huko dėsnį:

Kur k – konsolės jėgos konstanta (standumo konstanta).

Pavyzdžiui, jei naudojama konsolė su konstanta k maždaug 1 n/m, tada, veikiant 0,1 nanoniutono laipsnio antgalio ir mėginio sąveikos jėgai, konsolės įlinkio dydis bus maždaug 0,1 nm.

Tokiems mažiems judesiams matuoti dažniausiai naudojamas optinis poslinkio jutiklis (7-9 pav.), susidedantis iš puslaidininkinio lazerio ir keturių sekcijų fotodiodo. Kai konsolė pasilenkia, nuo jos atsispindėjęs lazerio spindulys juda fotodetektoriaus centro atžvilgiu. Taigi, konsolės lenkimą galima nustatyti pagal santykinį fotodetektoriaus viršutinės (T) ir apatinės (B) pusės apšvietimo pokytį.

7 pav. 9. Galios jutiklio schema

Zodo ir mėginio sąveikos jėgų priklausomybė nuo zondo ir mėginio atstumo

Kai zondas artėja prie mėginio, jis pirmiausia patraukiamas į paviršių dėl patrauklių jėgų (van der Waals jėgų). Kai zondas toliau artėja prie mėginio, zondo gale esančių atomų elektroniniai apvalkalai ir mėginio paviršiuje esantys atomai pradeda persidengti, o tai lemia atstumiančios jėgos atsiradimą. Toliau mažėjant atstumui, atstumiamoji jėga tampa dominuojančia.

Apskritai, tarpatominės sąveikos stiprumo priklausomybė F apie atstumą tarp atomų R turi formą:

.

Konstantos a Ir b ir eksponentus m Ir n priklauso nuo atomų tipo ir cheminių jungčių tipo. Van der Waalso pajėgoms m=7 ir n=3. Kokybiškai priklausomybė F(R) parodyta fig. 7-10.

Ryžiai. 7 10. Atomų sąveikos jėgos priklausomybė nuo atstumo

SPM duomenų formatas, SPM duomenų vizualizacija

Paviršiaus morfologijos duomenys, gauti tiriant optiniu mikroskopu, pateikiami padidinto paviršiaus ploto vaizdo pavidalu. Informacija, gauta naudojant SPM, rašoma dvimačio sveikųjų skaičių masyvo A ij forma. Kiekviena reikšmė ij atitinka konkretų paviršiaus tašką nuskaitymo lauke. Grafinis šio skaičių masyvo vaizdas vadinamas SPM nuskaitytu vaizdu.

Nuskaityti vaizdai gali būti dvimačiai (2D) arba trimačiai (3D). Naudojant 2D vizualizaciją, kiekvienas paviršiaus taškas Z= f(x,y) pagal paviršiaus taško aukštį priskiriamas tam tikras spalvos tonas (7 -11 a pav.). 3D vizualizacijoje paviršiaus vaizdas Z= f(x,y) yra sukurtas aksonometrine perspektyva, naudojant tam tikrą pikselių arba reljefo linijų skaičiavimo būdą. Veiksmingiausias būdas nuspalvinti 3D vaizdus – imituoti paviršiaus apšvietimo sąlygas taškiniu šaltiniu, esančiu tam tikrame erdvės taške virš paviršiaus (7 -11 pav. b). Kartu galima pabrėžti atskirus smulkius reljefo bruožus.

Ryžiai. 7 11. Žmogaus kraujo limfocitai:
a) 2D vaizdas, b) 3D vaizdas su šoniniu apšvietimu

Mėginių paruošimas SPM tyrimui

Bakterijų ląstelių morfologija ir struktūra

Bakterijos yra vienaląsčiai mikroorganizmai, turintys įvairią formą ir sudėtingą struktūrą, kuri lemia jų funkcinės veiklos įvairovę. Bakterijoms būdingos keturios pagrindinės formos: sferinės (sferinės), cilindrinės (lazdelės formos), vingiuotos ir siūlinės [Nuor. 7-2].

Cocci (sferinės bakterijos) - priklausomai nuo dalijimosi plokštumos ir atskirų individų vietos, jos skirstomos į mikrokokus (atskirus kokos), diplokokus (suporuotus kokos), streptokokus (kokkų grandinės), stafilokokus (vynuogės formos), tetrakokus ( keturių kokosų dariniai) ir sarcina (8 arba 16 kokosų paketai).

strypo formos – bakterijos yra pavienių ląstelių, diplo- arba streptobakterijų, pavidalu.

Susuktas – vibrios, spirilės ir spirochetos. Vibrijos atrodo šiek tiek išlenktos lazdelės, spirilė turi vingiuotą formą su keliomis spiralinėmis garbanomis.

Bakterijų dydis svyruoja nuo 0,1 iki 10 mikronų. Bakterijos ląstelės sudėtis apima kapsulę, ląstelės sienelę, citoplazminę membraną ir citoplazmą. Citoplazmoje yra nukleotidų, ribosomų ir inkliuzų. Kai kuriose bakterijose yra žvynelių ir gaurelių. Nemažai bakterijų sudaro sporas. Sporos, viršijančios pradinį skersinį ląstelės dydį, suteikia jai verpstės formą.

Norint ištirti bakterijų morfologiją optiniu mikroskopu, iš jų ruošiami natūralūs (intravitaliniai) preparatai arba fiksuoti tepinėliai, nudažyti anilino dažais. Yra specialūs dažymo metodai, skirti identifikuoti žvynelius, ląstelių sieneles, nukleotidus ir įvairius citoplazminius inkliuzus.

SPM tiriant bakterijų ląstelių morfologiją preparato dažyti nereikia. SPM leidžia labai tiksliai nustatyti bakterijų formą ir dydį. Kruopščiai paruošus vaistą ir naudojant zondą su nedideliu kreivio spinduliu, galima nustatyti žvynelius. Tuo pačiu metu dėl didelio bakterijų ląstelės sienelės standumo neįmanoma „ištirti“ tarpląstelinių struktūrų, kaip tai galima padaryti kai kuriose gyvūnų ląstelėse.

Preparatų SPM morfologijos tyrimui paruošimas

Pirmajai darbo su SPM patirtimi rekomenduojama rinktis kompleksinio paruošimo nereikalaujantį biologinį preparatą. Gana tinka lengvai prieinamos ir nepatogeniškos pieno rūgšties bakterijos iš raugintų kopūstų sūrymo ar rauginto pieno produktų.

Atliekant SPM tyrimą ore, tiriamą objektą būtina tvirtai pritvirtinti prie pagrindo paviršiaus, pavyzdžiui, ant dengiamojo stiklo. Be to, bakterijų tankis suspensijoje turi būti toks, kad nusėdusios ant pagrindo ląstelės nesuliptų, o atstumas tarp jų neturėtų būti per didelis, kad skenuojant būtų galima į vieną kadrą paimti kelis objektus. . Šios sąlygos yra įvykdytos, jei mėginio paruošimo režimas pasirinktas teisingai. Jei ant substrato užlašinsite lašą tirpalo, kuriame yra bakterijų, jų laipsniškas nusėdimas ir sukibimas. Pagrindiniai parametrai turėtų būti ląstelių koncentracija tirpale ir sedimentacijos laikas. Bakterijų koncentracija suspensijoje nustatoma naudojant optinį drumstumo standartą.

Mūsų atveju vaidmenį vaidins tik vienas parametras – inkubacijos laikas. Kuo ilgiau lašelis paliekamas ant stiklo, tuo didesnis bakterijų ląstelių tankis. Tuo pačiu metu, jei skysčio lašas pradės išdžiūti, preparatas bus per daug užterštas nusodintais tirpalo komponentais. Lašelis tirpalo, kuriame yra bakterijų ląstelių (sūrymo), užlašinamas ant dengiamojo stiklo ir paliekamas 5-60 minučių (priklausomai nuo tirpalo sudėties). Tada, nelaukdami, kol lašelis išdžius, kruopščiai nuplaukite distiliuotu vandeniu (kelis kartus pincetu panardinkite preparatą į stiklinę). Po džiovinimo preparatas yra paruoštas matavimui naudojant SPM.

Kaip pavyzdį paruošėme pieno rūgšties bakterijų preparatus iš raugintų kopūstų sūrymo. Sūrymo lašo laikymo laikas ant dengiančio stiklo buvo pasirinktas 5 minutės, 20 minučių ir 1 valanda (lašas jau buvo pradėjęs džiūti). SPM rėmeliai parodyti Fig. 7 -12, pav. 7-13,
Ryžiai. 7-14.

Iš paveikslų aišku, kad optimalus šio tirpalo inkubacijos laikas yra 510 minučių. Pailginus lašelio laikymo laiką ant substrato paviršiaus, bakterijų ląstelės prilimpa. Kai tirpalo lašas pradeda džiūti, tirpalo komponentai nusėda ant stiklo ir jų negalima nuplauti.

Ryžiai. 7 12. Pieno rūgšties bakterijų vaizdai ant dengiamojo stiklo,
gautas naudojant SPM.

Ryžiai. 7 13. Pieno rūgšties bakterijų vaizdai ant dengiamojo stiklo,
gautas naudojant SPM. Tirpalo inkubacijos laikas 20 min

Ryžiai. 7 14. Pieno rūgšties bakterijų vaizdai ant dengiamojo stiklo,
gautas naudojant SPM. Tirpalo inkubacijos laikas 1 valanda

Naudodami vieną iš pasirinktų preparatų (7-12 pav.) bandėme apsvarstyti, kas yra pieno rūgšties bakterijos ir kokia forma joms šiuo atveju būdinga. (7 -15 pav.)

Ryžiai. 7 15. Pieno rūgšties bakterijų AFM vaizdas ant dengiamojo stiklo.
Tirpalo inkubacijos laikas 5 min

Ryžiai. 7 16. Pieno rūgšties bakterijų grandinės AFM vaizdas ant dengiamojo stiklo.
Tirpalo inkubacijos laikas 5 min

Sūrymas pasižymi tuo, kad bakterijos yra lazdelės formos ir išsidėsčiusios grandinėje.

Ryžiai. 7 17. Mokomojo SPM NanoEducator valdymo programos langas.
Įrankių juosta

Naudodami edukacinės SPM programos NanoEducator priemones nustatėme bakterijų ląstelių dydžius. Jie svyravo nuo maždaug 0, 5 × 1, 6 µm
iki 0,8 × 3,5 µm.

Gauti rezultatai lyginami su duomenimis, pateiktais Bergey bakterijų determinante [Lit. 7-3].

Pieno rūgšties bakterijos klasifikuojamos kaip laktobacilos (Lactobacillus). Ląstelės atrodo kaip lazdelės, dažniausiai taisyklingos formos. Strypai ilgi, kartais beveik kokosiški, dažniausiai trumpomis grandinėmis. Matmenys 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikronų. Jie nesudaro ginčo; retais atvejais jie yra judrūs dėl peritrichinių žvynelių. Plačiai paplitęs aplinkoje, ypač paplitęs gyvūninės ir augalinės kilmės maisto produktuose. Pieno rūgšties bakterijos yra normalios virškinamojo trakto mikrofloros dalis. Visi žino, kad rauginti kopūstai, be vitaminų, naudingi žarnyno mikroflorai gerinti.

Skenuojančio zondo mikroskopo projektavimas NanoEducator

Fig. 7 -18 parodyta matavimo galvutės išvaizda SPM NanoEducator ir nurodyti pagrindiniai eksploatacijos metu naudojamo įrenginio elementai.

Ryžiai. 7 18. NanoEducator SPM matavimo galvutės išvaizda
1 - pagrindas, 2 - mėginių laikiklis, 3 - sąveikos jutiklis, 4 - jutiklio tvirtinimo varžtas,
5 varžtai rankiniam įvedimui, 6 varžtai skaitytuvui perkelti su mėginiu horizontalioje plokštumoje, 7 apsauginis dangtelis su vaizdo kamera

Fig. 7 -19 parodyta matavimo galvutės konstrukcija. Ant pagrindo 1 yra skaitytuvas 8 su mėginio laikikliu 7 ir mėginio tiekimo į zondą 2 mechanizmas, pagrįstas žingsniniu varikliu. Švietimo srityje SPM NanoEducator mėginys pritvirtinamas prie skaitytuvo, o mėginys nuskaitomas stacionaraus zondo atžvilgiu. Zondas 6, sumontuotas ant jėgos sąveikos jutiklio 4, taip pat gali būti prijungtas prie mėginio naudojant rankinį tiekimo varžtą 3. Preliminarus tyrimo vietos parinkimas mėginyje atliekamas naudojant varžtą 9.

Ryžiai. 7 19. SPM NanoEducator konstrukcija: 1 – bazė, 2 – tiekimo mechanizmas,
3 – rankinis tiekimo varžtas, 4 – sąveikos jutiklis, 5 – jutiklio tvirtinimo varžtas, 6 – zondas,
7 – mėginio laikiklis, 8 – skaitytuvas, 9, 10 – varžtai skaitytuvui su pavyzdžiu perkelti

Treniruotės SPM NanoEducator susideda iš matavimo galvutės, SPM valdiklio ir valdymo kompiuterio, sujungto kabeliais. Mikroskopas aprūpintas vaizdo kamera. Sąveikos jutiklio signalas po konvertavimo pirminiame stiprintuve patenka į SPM valdiklį. Darbo valdymas SPM NanoEducator atliekama iš kompiuterio per SPM valdiklį.

Jėgos sąveikos jutiklis ir zondas

Įrenginyje NanoEducator jutiklis pagamintas iš pjezokeraminio vamzdžio, kurio ilgis l=7 mm, skersmuo d=1,2 mm ir sienelės storis h=0,25 mm, viename gale tvirtai pritvirtintas. Ant vamzdžio vidinio paviršiaus uždedamas laidus elektrodas. Ant išorinio vamzdžio paviršiaus uždedami du elektra izoliuoti pusiau cilindriniai elektrodai. Volframo viela, kurios skersmuo
100 µm (7 -20 pav.).

Ryžiai. 7 20. NanoEducator įrenginio universalaus jutiklio projektavimas

Laisvas vielos galas, naudojamas kaip zondas, yra elektrochemiškai pagaląstas, kreivio spindulys yra 0,2  0,05 µm. Zondas turi elektrinį kontaktą su vidiniu vamzdžio elektrodu, prijungtu prie įžeminto prietaiso korpuso.

Dviejų išorinių elektrodų buvimas ant pjezoelektrinio vamzdžio leidžia vieną pjezo vamzdžio dalį (viršutinę, pagal 7-21 pav.) naudoti kaip jėgos sąveikos jutiklį (mechaninį vibracijos jutiklį), o kitą dalį naudoti. kaip pjezo vibratorius. Į pjezovibratorių tiekiama kintamoji elektros įtampa, kurios dažnis lygus jėgos jutiklio rezonansiniam dažniui. Virpesių amplitudė esant dideliam zondo ir mėginio atstumui yra didžiausia. Kaip matyti iš fig. 7 -22, svyravimų metu zondas nukrypsta nuo pusiausvyros padėties dydžiu A o, lygiu jo priverstinių mechaninių virpesių amplitudei (tai mikrometro dalis), o antroje atsiranda kintamoji elektros įtampa. pjezovamzdžio dalis (svyravimo jutiklis), proporcinga zondo poslinkiui, kurį ir matuoja prietaisas.

Kai zondas artėja prie mėginio paviršiaus, vibracijos metu zondas pradeda liesti mėginį. Tai lemia jutiklio virpesių amplitudės-dažnio atsako (AFC) poslinkį į kairę, palyginti su AFC, išmatuotu toli nuo paviršiaus (7 -22 pav.). Kadangi laisvojoje būsenoje pjezovamzdžio priverstinių virpesių dažnis išlaikomas pastovus ir lygus virpesių dažniui  o, zondui artėjant prie paviršiaus, jo virpesių amplitudė sumažėja ir tampa lygi A. Ši virpesių amplitudė registruojama. iš antrosios pjezovamzdžio dalies.

Ryžiai. 7 21. Pjezoelektrinio vamzdžio veikimo principas
kaip jėgos sąveikos jutiklis

Ryžiai. 7 22. Jėgos jutiklio virpesių dažnio keitimas
artėjant prie mėginio paviršiaus

Skaitytuvas

Prietaise naudojamas mikrojudesių organizavimo būdas NanoEducator, remiasi perimetru prispaustos metalinės membranos panaudojimu, prie kurios paviršiaus priklijuota pjezoelektrinė plokštė (7 -23 pav. a). Pakeitus pjezoelektrinės plokštės matmenis, veikiant valdymo įtampai, membrana sulenks. Tokias membranas pastačius ant trijų statmenų kubo kraštų ir sujungus jų centrus metaliniais stūmikliais, galima gauti 3 koordinačių skaitytuvą (7 -23 b pav.).

Ryžiai. 7 23. NanoEducator įrenginio skaitytuvo veikimo principas (a) ir konstrukcija (b)

Kiekvienas pjezoelektrinis elementas 1, pritvirtintas prie kubo 2 paviršių, kai jam yra prijungta elektros įtampa, gali judinti prie jo pritvirtintą stūmiklį 3 viena iš trijų viena kitai statmenų krypčių – X, Y arba Z. Kaip matyti iš Paveikslėlyje visi trys stūmikliai yra sujungti viename taške 4 Su tam tikru apytiksliu būdu galime manyti, kad šis taškas juda išilgai trijų koordinačių X, Y, Z. Stovas 5 su mėginio laikikliu 6 yra pritvirtintas prie to paties taško. Taigi mėginys juda trimis koordinatėmis veikiamas trijų nepriklausomų įtampos šaltinių. Įrenginiuose NanoEducator maksimalus mėginio judėjimas yra apie 5070 µm, o tai lemia didžiausią skenavimo plotą.

Automatinio zondo priartėjimo prie mėginio mechanizmas (grįžtamojo ryšio fiksavimas)

Skaitytuvo judėjimo diapazonas išilgai Z ašies yra apie 10 μm, todėl prieš skenuojant būtina tokiu atstumu priartinti zondą prie mėginio. Tam skirtas tiekimo mechanizmas, kurio schema parodyta fig. 7-19. Žingsninis variklis 1, kai į jį nukreipiami elektros impulsai, sukasi padavimo varžtą 2 ir perkelia strypą 3 su zondu 4, priartindamas arba toliau nuo 5 mėginio, sumontuoto ant skaitytuvo 6. Vieno žingsnio dydis yra apie 2 μm.

Ryžiai. 7 24. Zodo iškėlimo į mėginio paviršių mechanizmo schema

Kadangi nuskaitymo metu artėjimo mechanizmo žingsnis gerokai viršija reikiamą zondo ir mėginio atstumą, siekiant išvengti zondo deformacijos, jo priartėjimas vykdomas veikiant žingsniniam varikliui ir skaitytuvui judant išilgai Z ašies. pagal šį algoritmą:

1. Grįžtamojo ryšio sistema išjungiama ir skaitytuvas "atsitraukia", t.y. nuleidžia mėginį į žemiausią kraštutinę padėtį.

2. Zondo priartėjimo mechanizmas daro vieną žingsnį ir sustoja.

3. Įsijungia grįžtamojo ryšio sistema, o skaitytuvas sklandžiai pakelia mėginį, tuo pačiu metu analizuodamas galiuko ir mėginio sąveikos buvimą.

4. Jei sąveikos nėra, procesas kartojamas nuo 1 veiksmo.

Jei traukiant skaitytuvą pasirodo ne nulis signalas, grįžtamojo ryšio sistema sustabdys skaitytuvo judėjimą aukštyn ir fiksuos sąveikos mastą tam tikrame lygyje. Jėgos sąveikos, kuriai esant zondo tiekimas sustos ir įrenginyje vyks nuskaitymo procesas, dydis NanoEducator apibūdinamas parametru Amplitudės slopinimas (AmplitudėSlopinimas) :

A = A o . (1 – amplitudės slopinimas)

SPM vaizdo gavimas

Paskambinus programai NanoEducator Kompiuterio ekrane pasirodo pagrindinis programos langas (7 -20 pav.). Darbas turėtų prasidėti nuo meniu punkto Failas ir pasirinkite jį Atidaryti arba Nauja arba atitinkamus mygtukus įrankių juostoje (, ).

Komandos atranka Failas Nauja reiškia perėjimą prie SPM matavimų atlikimo ir komandos pasirinkimo Failas Atidaryti reiškia perėjimą prie anksčiau gautų duomenų peržiūros ir apdorojimo. Programa leidžia peržiūrėti ir apdoroti duomenis lygiagrečiai su matavimais.

Ryžiai. 7 25. Pagrindinis NanoEducator programos langas

Įvykdžius komandą Failas Nauja Ekrane pasirodo dialogo langas, kuriame galima pasirinkti arba sukurti darbo aplanką, kuriame pagal numatytuosius nustatymus bus įrašyti esamo matavimo rezultatai. Matavimo proceso metu visi gauti duomenys nuosekliai įrašomi į failus, pavadintus ScanData+i.spm, kur indeksas i prasidėjus programai nustatomas į nulį ir didėja su kiekvienu nauju matavimu. Failai ScanData+i.spm dedamas į darbo aplanką, kuris yra įdiegtas prieš pradedant matavimus. Atliekant matavimus galima pasirinkti kitą darbo aplanką. Norėdami tai padaryti, turite paspausti mygtuką , esančią pagrindinio programos lango įrankių juostoje ir pasirinkite meniu elementą Pakeiskite darbo aplanką.

Norėdami išsaugoti dabartinio matavimo rezultatus, turite paspausti mygtuką Išsaugoti kaip pasirodžiusiame dialogo lange nuskaitymo lange pasirinkite aplanką ir nurodykite failo pavadinimą bei failą ScanData+i.spm, kuris naudojamas kaip laikinas duomenų saugojimo failas atliekant matavimus, bus pervadintas į jūsų nurodytą failo pavadinimą. Pagal numatytuosius nustatymus failas bus išsaugotas darbo aplanke, priskirtame prieš pradedant matavimus. Jei neatliksite matavimo rezultatų išsaugojimo operacijos, kitą kartą paleidus programą rezultatai įrašomi į laikinuosius failus ScanData+i.spm, bus nuosekliai perrašytas (nebent bus pakeistas darbinis aplankas). Įspėjimas apie laikinų matavimo rezultatų failų buvimą darbo aplanke išduodamas prieš uždarant ir paleidus programą. Prieš pradedant matavimus pakeitus darbo aplanką, ankstesnio eksperimento rezultatai bus apsaugoti nuo ištrynimo. Standartinis pavadinimas ScanData galima pakeisti nustatant jį darbo aplanko pasirinkimo lange. Darbinio aplanko pasirinkimo langas iškviečiamas paspaudus mygtuką , esančiame pagrindinio programos lango įrankių juostoje. Matavimo rezultatus taip pat galite išsaugoti lange Nuskaitykite naršyklę, po vieną pasirinkdami reikiamus failus ir išsaugodami juos pasirinktame aplanke.

Naudojant NanoEducator įrenginį gautus rezultatus galima eksportuoti ASCII formatu ir Nova formatu (NTMDT), kuriuos gali importuoti NT MDT Nova programa, Image Analysis ir kitos programos. Nuskaitymų vaizdai, jų pjūvių duomenys ir spektroskopijos matavimų rezultatai eksportuojami į ASCII formatą. Norėdami eksportuoti duomenis, spustelėkite mygtuką Eksportuoti esančią pagrindinio programos lango įrankių juostoje arba pasirinkite Eksportuoti meniu punkte Failasšį langą ir pasirinkite tinkamą eksporto formatą. Duomenys apdorojimui ir analizei gali būti nedelsiant siunčiami į iš anksto paleistą vaizdų analizės programą.

Uždarius dialogo langą, ekrane pasirodo prietaisų valdymo skydelis.
(7 -26 pav.).

Ryžiai. 7 26. Prietaiso valdymo pultas

Prietaisų valdymo skydelio kairėje pusėje yra mygtukai, skirti pasirinkti SPM konfigūraciją:

SSM- nuskaitymo jėgos mikroskopas (SFM)

STM– skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM).

Treniruočių SPM NanoEducator matavimų atlikimas susideda iš šių operacijų:

1. Pavyzdinis montavimas

DĖMESIO! Prieš montuodami mėginį, būtina nuimti jutiklį ir zondą, kad nepažeistumėte zondo.

Yra du būdai, kaip pritvirtinti pavyzdį:

ant magnetinės scenos (šiuo atveju mėginys turi būti pritvirtintas prie magnetinio pagrindo);

ant dvipusės lipnios juostos.

DĖMESIO! Norėdami pritvirtinti pavyzdį ant dvipusės lipnios juostos, turite atsukti laikiklį nuo stovo (kad nepažeistumėte skaitytuvo), tada įsukite jį atgal, kol jis šiek tiek sustos.

Magnetinio tvirtinimo atveju pavyzdį galima pakeisti neatsukant mėginio laikiklio.

2. Zondo jutiklio montavimas

DĖMESIO! Sumontavę pavyzdį, visada sumontuokite jutiklį su zondu.

Pasirinkę norimą zondo jutiklį (laikydami jutiklį už metalinių pagrindo kraštų) (žr. 7 -27 pav.), atlaisvinkite varžtą, fiksuojantį zondo jutiklį 2 ant matavimo galvutės dangtelio, įkiškite jutiklį į laikiklio lizdą. kol sustos, susukite tvirtinimo varžtą pagal laikrodžio rodyklę, kol jis šiek tiek sustos .

Ryžiai. 7 27. Zondo jutiklio montavimas

3. Nuskaitymo vietos pasirinkimas

Renkantis sritį, kurią norite tirti pagal pavyzdį, naudokite judančius dviejų koordinačių etapo varžtus, esančius įrenginio apačioje.

4. Preliminarus zondo priartėjimas prie mėginio

Išankstinė artėjimo operacija nėra privaloma kiekvienam matavimui, jos atlikimo poreikis priklauso nuo atstumo tarp mėginio ir zondo galo. Patartina atlikti išankstinį priartėjimą, jei atstumas tarp zondo galo ir mėginio paviršiaus viršija 0,51 mm. Naudojant automatinį zondo priartėjimą prie mėginio iš didelio atstumo tarp jų, artėjimo procesas užtruks labai ilgai.

Rankiniu varžtu nuleiskite zondą ir vizualiai patikrinkite atstumą tarp jo ir mėginio paviršiaus.

5. Rezonanso kreivės nubrėžimas ir veikimo dažnio nustatymas

Ši operacija turi būti atliekama kiekvieno matavimo pradžioje ir, kol ji nebus atlikta, perėjimas į tolesnius matavimo etapus yra blokuojamas. Be to, matavimo metu kartais susidaro situacijos, kai reikia pakartoti šią operaciją (pavyzdžiui, nutrūkus ryšiui).

Rezonanso paieškos langas iškviečiamas paspaudus mygtuką prietaisų valdymo skydelyje. Ši operacija apima zondo svyravimų amplitudės matavimą, kai keičiasi generatoriaus nustatytas priverstinių virpesių dažnis. Norėdami tai padaryti, turite paspausti mygtuką BĖGTI(7 -28 pav.).

Ryžiai. 7 28. Rezonanso paieškos ir veikimo dažnio nustatymo langas:
a) – automatinis režimas, b) – rankinis režimas

Režimu Auto Generatoriaus dažnis automatiškai nustatomas lygus dažniui, kuriuo buvo stebima didžiausia zondo virpesių amplitudė. Grafikas, rodantis zondo virpesių amplitudės kitimą tam tikrame dažnių diapazone (7 -28a pav.), leidžia stebėti rezonansinės smailės formą. Jei rezonanso smailė nėra pakankamai ryški arba rezonanso dažnio amplitudė yra maža ( mažiau nei 1V), tuomet reikia keisti matavimo parametrus ir iš naujo nustatyti rezonansinį dažnį.

Režimas tam skirtas vadovas. Kai pasirenkate šį režimą lange Rezonansinio dažnio nustatymas pasirodo papildomas skydelis
(7 -28b pav.), kuri leidžia reguliuoti šiuos parametrus:

Zondo pavaros įtampa, nustatytas generatoriaus. Šią vertę rekomenduojama nustatyti iki minimumo (iki nulio) ir ne daugiau kaip 50 mV.

Amplitudės padidėjimas ( Amplitudės padidėjimas). Jei zondo virpesių amplitudė yra nepakankama (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Amplitudės padidėjimas.

Norėdami pradėti rezonanso paieškos operaciją, turite paspausti mygtuką Pradėti.

Režimas vadovas leidžia rankiniu būdu pakeisti pasirinktą dažnį, perkeliant žalią žymeklį ant grafiko naudojant pelę, taip pat išsiaiškinti virpesių amplitudės pasikeitimo pobūdį siaurame verčių diapazone aplink pasirinktą dažnį (tam jūs reikia nustatyti jungiklį Rankinis režimasį poziciją Būtent ir paspauskite mygtuką Pradėti).

6. Sąveikos fiksavimas

Norint užfiksuoti sąveiką, kontroliuojamas antgalio ir mėginio priartėjimas atliekamas naudojant automatinio priartėjimo mechanizmą. Šios procedūros valdymo langas iškviečiamas paspaudus mygtuką prietaisų valdymo skydelyje. Dirbant su SCM, šis mygtukas tampa pasiekiamas atlikus paieškos operaciją ir nustačius rezonansinį dažnį. Langas SSM, tiekimas(7 -29 pav.) yra zondo tiekimo valdikliai, taip pat parametrų nuorodos, leidžiančios analizuoti procedūros eigą.

Ryžiai. 7 29. Zondas artėjimo langas

Lange Tiekimas vartotojas turi galimybę stebėti šiuos kiekius:

išplečiant skaitytuvą ( SkaitytuvasZ) išilgai Z ašies, atsižvelgiant į didžiausią galimą, imamą kaip vienetą. Santykinio skaitytuvo pailgėjimo vertė apibūdinama kairiojo indikatoriaus užpildymo spalva, atitinkančia zoną, kurioje šiuo metu yra skaitytuvas: žalia - darbo zona, mėlyna - už darbo zonos, raudona - skaitytuvas priartėjo per arti mėginio paviršiaus, todėl zondas gali deformuotis. Pastaruoju atveju programa skleidžia garsinį įspėjimą;

zondo virpesių amplitudė lyginant su jo svyravimų amplitudė nesant jėgos sąveikos, laikoma vienybe. Santykinė zondo svyravimų amplitudė rodoma dešiniajame indikatoriuje pagal jo bordo spalvos užpildymo lygį. Horizontalus ženklas ant indikatoriaus Zondo virpesių amplitudė nurodo lygį, kurį perėjus analizuojama skaitytuvo būsena ir jis automatiškai perkeliamas į darbinę padėtį;

žingsnių skaičius ( Shtaip), praėjo nurodyta kryptimi: Priartėjimas – artėjimas, Atitraukimas – pašalinimas.

Prieš pradėdami zondo nuleidimo procesą, turite:

Patikrinkite, ar teisingai nustatyti privažiavimo parametrai:

Atsiliepimų gavimas OS grūdinimas nustatyti į vertę 3 ,

Įsitikinkite, kad parametras Slopinimasamplitudė (stiprumas) turi apie 0,2 dydžio (žr. 7 -29 pav.). Kitu atveju paspauskite mygtuką Jėga ir lange Sąveikos parametrų nustatymas (7 -30 pav.) nustatyta vertė Slopinimasamplitudės lygus 0.2. Jei norite subtilesnės įvesties, parametro vertė Slopinimasamplitudės gal mažiau .

Patikrinkite, ar parametrų lange teisingi nustatymai Parinktys, puslapis Požiūrio parametrai.

Ar yra sąveika, ar ne, galima nustatyti kairiuoju indikatoriumi SkaitytuvasZ. Visas skaitytuvo išplėtimas (visas indikatorius SkaitytuvasZ nudažytas mėlynai), taip pat indikatorius, visiškai nudažytas bordo spalva Zondo virpesių amplitudė(7 -29 pav.) nerodo sąveikos. Paieškojus rezonanso ir nustačius veikimo dažnį, zondo laisvųjų virpesių amplitudė imama kaip vienybė.

Jei skaitytuvas nėra visiškai ištrauktas prieš artėjimą ar artėjimo metu arba programa rodo pranešimą: „Klaida! Zondas per arti mėginio. Patikrinkite ryšio parametrus arba fizinį surinkimą. Jei norite persikelti į saugią vietą“, rekomenduojama pristabdyti artėjimo procedūrą ir:

a. pakeisti vieną iš parametrų:

padidinti sąveikos dydį, parametrą Slopinimasamplitudės, arba

padidinti vertę OS grūdinimas, arba

padidinti delsos laiką tarp artėjimo žingsnių (parametras Integracijos laikas puslapyje Požiūrio parametrai langai Parinktys).

b. padidinkite atstumą tarp zondo galo ir mėginio (kad tai padarytumėte, atlikite pastraipoje aprašytus veiksmus ir atlikite operaciją Rezonansas, tada grįžkite į procedūrą Tiekimas.

Ryžiai. 7 30. Langas zondo ir mėginio sąveikos dydžiui nustatyti

Užfiksavus sąveiką, pranešimas „ Tiekimas baigtas“.

Jei reikia vienu žingsniu priartėti, paspauskite mygtuką. Tokiu atveju pirmiausia įvykdomas veiksmas, o tada tikrinami sąveikos fiksavimo kriterijai. Norėdami sustabdyti judėjimą, paspauskite mygtuką. Norėdami atlikti įtraukimo operaciją, turite paspausti greitojo įtraukimo mygtuką

arba paspauskite mygtuką, kad atitrauktumėte lėtai. Jei reikia atitraukti vieną žingsnį, paspauskite mygtuką. Tokiu atveju pirmiausia įvykdomas veiksmas, o tada tikrinami sąveikos fiksavimo kriterijai

7. Nuskaitymas

Baigę artėjimo procedūrą ( Tiekimas) ir užfiksuoti sąveiką, nuskaitymas tampa prieinamas (mygtukas prietaisų valdymo skydelio lange).

Spustelėjus šį mygtuką (nuskaitymo langas parodytas 7 -31 pav.), vartotojas tiesiogiai pereina prie matavimų ir matavimo rezultatų gavimo.

Prieš atlikdami nuskaitymo procesą, turite nustatyti nuskaitymo parametrus. Šios parinktys sugrupuotos dešinėje viršutinio lango skydelio pusėje. Nuskaitymas.

Pirmą kartą paleidus programą, jie įdiegiami pagal numatytuosius nustatymus:

Nuskaitymo sritis - Regionas (Xnm*Ynm): 5000*5000 nm;

Taškų skaičiusašies matavimai– X, Y: NX=100, NY=100;

Nuskaitymo kelias - Kryptis nustato skenavimo kryptį. Programa leidžia pasirinkti greitojo nuskaitymo ašies kryptį (X arba Y). Kai paleidžiate programą, ji įdiegiama Kryptis

Nustačius nuskaitymo parametrus, reikia paspausti mygtuką Taikyti norėdami patvirtinti įvestus parametrus ir mygtuką Pradėti norėdami pradėti nuskaityti.

Ryžiai. 7 31. Proceso valdymo ir SCM nuskaitymo rezultatų atvaizdavimo langas

7.4 Metodiniai nurodymai

Prieš pradėdami dirbti su NanoEducator skenuojančiu zondo mikroskopu, turėtumėte perskaityti įrenginio vartotojo vadovą [Nuor. 7-4].

7.5.Sauga

Įrenginys maitinamas 220 V įtampa. NanoEducator skenuojantis zondas mikroskopas veikia pagal vartotojų elektros instaliacijos iki 1000 V įtampą PTE ir PTB.

7.6.Užduotis

1. Paruoškite savo biologinius mėginius SPM tyrimams.

2. Praktiškai išstudijuoti bendrą NanoEducator įrenginio dizainą.

3. Susipažinkite su NanoEducator įrenginių valdymo programa.

4. Padarykite pirmąjį SPM vaizdą prižiūrint mokytojui.

5. Apdorokite ir išanalizuokite gautą vaizdą. Kokios bakterijų formos būdingos jūsų tirpalui? Kas lemia bakterijų ląstelių formą ir dydį?

6. Paimkite Bergey bakterijų determinantą ir palyginkite gautus rezultatus su ten aprašytais.

7.7.Saugumo klausimai

1. Kokie yra biologinių objektų tyrimo metodai?

2. Kas yra skenuojančio zondo mikroskopija? Kokiu principu jis grindžiamas?

3. Įvardykite pagrindinius SPM komponentus ir jų paskirtį.

4. Kas yra pjezoelektrinis efektas ir kaip jis naudojamas SPM. Apibūdinkite skirtingus skaitytuvų dizainus.

5. Apibūdinkite bendrą NanoEducator dizainą.

6. Apibūdinkite jėgos jutiklį ir jo veikimo principą.

7. Apibūdinkite zondo privedimo prie NanoEducator įrenginyje esančio mėginio mechanizmą. Paaiškinkite parametrus, lemiančius zondo ir mėginio sąveikos jėgą.

8. Paaiškinti skenavimo principą ir grįžtamojo ryšio sistemos veikimą. Papasakokite apie nuskaitymo parametrų pasirinkimo kriterijus.

7.8.Literatūra

Lit. 7 1. Paulas de Cruy. Mikrobų medžiotojai. M. Terra. 2001 m.

Lit. 7 2. Mikrobiologijos praktinių užsiėmimų vadovas. Redagavo Egorova N.S. M.: Nauka, 1995 m.

Lit. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Bakterijų identifikatorius Bergey. M.: Mir, 1997. T. Nr. 2. P. 574.

Lit. 7 4. Prietaiso vartotojo vadovas NanoEducator.. Nižnij Novgorodas. Mokslo ir mokymo centras...

Įvadas

Šiuo metu sparčiai vystosi mokslinė ir techninė nanotechnologijų kryptis, apimanti platų spektrą tiek fundamentinių, tiek taikomųjų tyrimų. Tai iš esmės nauja technologija, galinti išspręsti problemas tokiose įvairiose srityse kaip komunikacijos, biotechnologijos, mikroelektronika ir energetika. Šiandien daugiau nei šimtas jaunų įmonių kuria nanotechnologinius produktus, kurie į rinką pateks per artimiausius dvejus trejus metus.

Nanotechnologijos taps pirmaujančiomis technologijomis XXI amžiuje ir prisidės prie ekonomikos ir visuomenės socialinės sferos plėtros, jos gali tapti naujos pramonės revoliucijos prielaida. Per pastaruosius du šimtus metų pramonės revoliucijos pažanga buvo pasiekta maždaug 80% Žemės išteklių kaina. Nanotechnologijos žymiai sumažins išteklių suvartojimą ir nedarys spaudimo aplinkai, jos vaidins pagrindinį vaidmenį žmonijos gyvenime, kaip, pavyzdžiui, kompiuteris tapo neatsiejama žmonių gyvenimo dalimi.

Nanotechnologijų pažangą skatino sukurti eksperimentiniai tyrimo metodai, iš kurių informatyviausi yra skenuojančio zondo mikroskopijos metodai, kurių išradimą ir ypač sklaidą pasaulis skolingas 1986 metų Nobelio premijos laureatams – profesoriui Heinrichui Rohreriui ir daktarui Gerdui Binnigui.

Pasaulį sužavėjo tokių paprastų atomų vizualizavimo metodų atradimas ir netgi galimybė jais manipuliuoti. Daugelis tyrimų grupių pradėjo kurti naminius prietaisus ir eksperimentuoti šia kryptimi. Dėl to gimė daugybė patogių prietaisų schemų, buvo pasiūlyti įvairūs metodai zondo ir paviršiaus sąveikos rezultatams vizualizuoti, pavyzdžiui: šoninės jėgos mikroskopija, magnetinės jėgos mikroskopija, mikroskopija magnetinei, elektrostatinei ir elektromagnetinei sąveikai registruoti. Artimo lauko optinės mikroskopijos metodai buvo intensyviai tobulinami. Sukurti kryptingo, kontroliuojamo poveikio zondo-paviršiaus sistemoje metodai, pavyzdžiui, nanolitografija - zondo-paviršiaus sistemoje veikiant elektriniam, magnetiniam poveikiui, plastinių deformacijų, šviesos paviršiuje vyksta pokyčiai. Sukurtos technologijos zondams su nurodytais geometriniais parametrais, su specialiomis dangomis ir konstrukcijomis, skirtomis įvairioms paviršiaus savybėms vizualizuoti, gaminti.

Skenuojančio zondo mikroskopija (SPM) yra vienas iš galingų šiuolaikinių metodų tiriant kieto paviršiaus morfologiją ir vietines savybes, turinčią didelę erdvinę skiriamąją gebą. Per pastaruosius 10 metų skenuojančio zondo mikroskopija iš egzotiškos technikos, prieinamos tik ribotam skaičiui tyrimų grupių, tapo plačiai paplitusia ir sėkminga paviršiaus savybių tyrimo priemone. Šiuo metu beveik jokie paviršių fizikos ir plonasluoksnių technologijų tyrimai nėra baigti nenaudojant SPM metodų. Skenuojančio zondo mikroskopijos kūrimas taip pat buvo pagrindas kuriant naujus nanotechnologijų metodus - technologiją, skirtą struktūrų kūrimo nanometrų mastu.

1. Istorinis pagrindas

Norėdami stebėti mažus objektus, olandas Antonie van Leeuwenhoekas XVII amžiuje išrado mikroskopą, atverdamas mikrobų pasaulį. Jo mikroskopai buvo netobuli ir padidino nuo 150 iki 300 kartų. Tačiau jo pasekėjai patobulino šį optinį įrenginį, padėdami pagrindą daugeliui biologijos, geologijos ir fizikos atradimų. Tačiau XIX amžiaus pabaigoje (1872 m.) vokiečių optikas Ernstas Karlas Abbe parodė, kad dėl šviesos difrakcijos mikroskopo skiriamoji geba (tai yra minimalus atstumas tarp objektų, kai jie dar nesusiliejo į vieną vaizdą) riboja šviesos bangos ilgis (0,4–0,8 µm). Taip jis sutaupė daug pastangų optikams, kurie bandė gaminti pažangesnius mikroskopus, tačiau nuvylė biologus ir geologus, kurie prarado viltį gauti instrumentą, kurio didinimas didesnis nei 1500 kartų.

Elektroninio mikroskopo sukūrimo istorija yra puikus pavyzdys, kaip savarankiškai besivystančios mokslo ir technologijų sritys, keisdamosi gauta informacija ir sujungdamos jėgas, gali sukurti naują galingą mokslinių tyrimų įrankį. Klasikinės fizikos viršūnė buvo elektromagnetinio lauko teorija, kuri šviesos sklidimą, elektrinių ir magnetinių laukų atsiradimą bei įkrautų dalelių judėjimą šiuose laukuose aiškino kaip elektromagnetinių bangų sklidimą. Banginė optika aiškiai parodė difrakcijos reiškinį, vaizdo formavimosi mechanizmą ir faktorių, lemiančių skiriamąją gebą šviesos mikroskopu, žaismą. Mes skolingi pažangai teorinės ir eksperimentinės fizikos srityje, nes buvo atrastas elektronas su jo specifinėmis savybėmis. Šie atskiri ir iš pažiūros nepriklausomi vystymosi keliai atvedė prie elektroninės optikos pagrindų, kurių vienas svarbiausių pritaikymų buvo EM išradimas praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje. Tiesiogine šios galimybės užuomina galima laikyti hipotezę apie elektrono banginę prigimtį, kurią 1924 metais iškėlė Louis de Broglie ir 1927 metais eksperimentiškai patvirtino K. Davissonas ir L. Germeris JAV bei J. Thomsonas Anglijoje. Tai pasiūlė analogiją, kuri leido sukurti EM pagal bangų optikos dėsnius. H. Bushas atrado, kad naudojant elektrinius ir magnetinius laukus galima formuoti elektroninius vaizdus. Per pirmuosius du XX a. taip pat buvo sukurtos reikiamos techninės prielaidos. Pramoninės laboratorijos, dirbančios su elektronų pluošto osciloskopu, gamino vakuuminę technologiją, stabilius aukštos įtampos ir srovės šaltinius bei gerus elektronų emiterius.

1931 metais R. Rudenbergas pateikė patentinę paraišką perduoti transmisinį elektroninį mikroskopą, o 1932 metais M. Knollas ir E. Ruska sukonstravo pirmąjį tokį mikroskopą, panaudoję magnetinius lęšius elektronams fokusuoti. Šis instrumentas buvo šiuolaikinio optinio perdavimo elektroninio mikroskopo (OTEM) pirmtakas. (Ruska už pastangas buvo apdovanotas 1986 m. Nobelio fizikos premijos laureatu.) 1938 m. Ruska ir B. von Borries Vokietijoje „Siemens-Halske“ pastatė pramoninio OPEM prototipą; šis instrumentas galiausiai leido pasiekti 100 nm skiriamąją gebą. Po kelerių metų A. Prebusas ir J. Hilleris Toronto universitete (Kanada) pastatė pirmąjį didelės raiškos OPEM.

Plačios OPEM galimybės beveik iš karto tapo akivaizdžios. Jo pramoninę gamybą vienu metu pradėjo Siemens-Halske Vokietijoje ir RCA Corporation JAV. 1940-ųjų pabaigoje tokius prietaisus pradėjo gaminti kitos įmonės.

Dabartinės formos SEM 1952 m. išrado Charlesas Otley. Tiesa, preliminarias tokio prietaiso versijas XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje sukūrė Knoll Vokietijoje, o ketvirtajame dešimtmetyje Zworykinas ir jo kolegos iš RCA korporacijos, tačiau tik Otley įrenginys galėjo būti daugelio techninių patobulinimų, kurių kulminacija buvo septintojo dešimtmečio viduryje pradėta gaminti pramoninė SEM versija. Tokio gana lengvai naudojamo įrenginio su trimačiu vaizdu ir elektroniniu išvesties signalu vartotojų spektras eksponentiškai išsiplėtė. Šiuo metu trijuose žemynuose yra keliolika pramoninių SEM gamintojų ir dešimtys tūkstančių tokių prietaisų, naudojamų visame pasaulyje. 1960-aisiais buvo sukurti itin aukštos įtampos mikroskopai, skirti tirti storesnius pavyzdžius Sukūrimas buvo G. Dupuy Prancūzijoje, kur 1970 metais G. Binnig ir G. Rohrer 1979 metais Ciuriche pristatė įrenginį, kurio greitinimo įtampa yra 3,5 milijono voltų dizainas, suteikia paviršių atominę skiriamąją gebą Binnig ir Rohrer (tuo pačiu metu kaip ir Ruska) gavo Nobelio premiją už RTM sukūrimą.

1986 m. nuskaitymo zondo mikroskopą išrado Rohreris ir Binnigas. Nuo pat išradimo STM buvo plačiai naudojamas įvairių specialybių mokslininkų, apimančių beveik visas gamtos mokslų disciplinas – nuo ​​fundamentinių fizikos, chemijos, biologijos tyrimų iki specifinių technologinių pritaikymų. STM veikimo principas toks paprastas, o potencialios galimybės tokios didelės, kad net artimiausiu metu neįmanoma numatyti jo poveikio mokslui ir technologijoms.

Kaip vėliau paaiškėjo, beveik bet kokia antgalio zondo sąveika su paviršiumi (mechaninė, magnetinė) gali būti konvertuojama naudojant atitinkamus instrumentus ir kompiuterines programas į paviršiaus vaizdą.

Skenuojančio zondo mikroskopo įrengimas susideda iš kelių funkcinių blokų, parodytų Fig. 1. Tai, pirma, pats mikroskopas su pjezomanipuliatoriumi zondui valdyti, tuneliniu srovės-įtampos keitikliu ir žingsniniu varikliu mėginiui tiekti; analoginių-skaitmeninių ir skaitmeninių-analoginių keitiklių ir aukštos įtampos stiprintuvų blokas; žingsninio variklio valdymo blokas; plokštė su signalų procesoriumi, skaičiuojančiu grįžtamąjį signalą; kompiuteris, kuris renka informaciją ir suteikia vartotojui sąsają. Struktūriškai DAC ir ADC blokas sumontuotas tame pačiame korpuse su žingsninio variklio valdymo bloku. Asmeninio kompiuterio ISA išplėtimo lizde yra įdiegta plokštė su signalų procesoriumi (DSP - skaitmeninis signalo procesorius) ADSP 2171 iš Analog Devices.

Bendras mikroskopo mechaninės sistemos vaizdas parodytas Fig. 2. Mechaninė sistema apima pagrindą su pjezo manipuliatoriumi ir sklandžią mėginių padavimo sistemą ant žingsninio variklio su pavarų dėže ir dviem nuimamomis matavimo galvutėmis, skirtomis darbui skenuojančio tunelinio ir atominės jėgos mikroskopijos režimais. Mikroskopas leidžia gauti stabilią atominę skiriamąją gebą ant tradicinių bandomųjų paviršių, nenaudojant papildomų seisminių ir akustinių filtrų.

2. Skenuojamųjų zondinių mikroskopų veikimo principai

Skenuojančiuose zondų mikroskopuose paviršiaus mikroreljefo ir jo lokalinių savybių tyrimas atliekamas naudojant specialiai paruoštus adatų pavidalo zondus. Tokių zondų darbinės dalies (galiuko) matmenys yra apie dešimt nanometrų. Būdingas atstumas tarp zondo ir mėginių paviršiaus zondo mikroskopuose yra 0,1–10 nm dydžio. Zondinių mikroskopų veikimas pagrįstas įvairių tipų zondo ir paviršiaus sąveika. Taigi tunelinio mikroskopo veikimas pagrįstas tunelinės srovės, tekančios tarp metalinės adatos ir laidžiojo mėginio, reiškiniu; Atominės jėgos, magnetinės jėgos ir elektrinių jėgų mikroskopų veikimo pagrindas yra įvairių tipų jėgų sąveika. Panagrinėkime bendrus įvairių zondo mikroskopų bruožus. Tegul zondo sąveika su paviršiumi apibūdinama tam tikru parametru P. Jei yra pakankamai ryški ir viena parametro P priklausomybė nuo zondo ir mėginio atstumo, tai šiuo parametru galima organizuoti grįžtamojo ryšio sistema (FS), kuri kontroliuoja atstumą tarp zondo ir mėginio. Fig. 3 paveiksle schematiškai parodytas bendras SPM grįžtamojo ryšio organizavimo principas.

Grįžtamojo ryšio sistema palaiko pastovią parametro P reikšmę, lygią operatoriaus nurodytai reikšmei. Jeigu keičiasi zondo paviršiaus atstumas, tai keičiasi parametras P OS sistemoje generuojamas skirtumo signalas, proporcingas reikšmei ΔP = P - P, kuris sustiprinamas iki reikiamos reikšmės ir paduodamas į pavaros elementą IE. Pavara apdoroja šį skirtumo signalą, priartindama zondą prie paviršiaus arba tol, kol skirtumo signalas tampa lygus nuliui. Tokiu būdu zondo ir mėginio atstumas gali būti išlaikytas labai tiksliai. Kai zondas juda išilgai mėginio paviršiaus, sąveikos parametras P pasikeičia dėl paviršiaus topografijos. OS sistema apdoroja šiuos pokyčius, kad zondui judant X, Y plokštumoje, pavaros signalas būtų proporcingas paviršiaus topografijai. Norint gauti SPM vaizdą, atliekamas specialiai organizuotas mėginio nuskaitymo procesas. Nuskaitymo metu zondas pirmiausia juda per mėginį tam tikra linija (linijos nuskaitymas), o signalo reikšmė ant pavaros, proporcinga paviršiaus topografijai, įrašoma į kompiuterio atmintį. Tada zondas grįžta į pradinį tašką ir pereina prie kitos nuskaitymo linijos (kadro nuskaitymas), o procesas kartojamas dar kartą. Taip nuskaitymo metu užfiksuotas grįžtamasis signalas apdorojamas kompiuteriu, o vėliau naudojant kompiuterinės grafikos priemones sukonstruotas paviršiaus reljefo SPM vaizdas. Kartu su paviršiaus topografijos tyrimu, zondiniai mikroskopai leidžia ištirti įvairias paviršiaus savybes: mechanines, elektrines, magnetines, optines ir kt.

3. Zondinių mikroskopų skenavimo elementai (skeneriai).

3.1 Skenavimo elementai

Norint valdyti zondo mikroskopus, būtina kontroliuoti zondo ir mėginio darbo atstumą ir dideliu tikslumu (angstromo frakcijų lygyje) perkelti zondą mėginio plokštumoje. Ši problema sprendžiama specialių manipuliatorių – skenavimo elementų (skenerių) pagalba. Zondinių mikroskopų skenavimo elementai yra pagaminti iš pjezoelektrikų – medžiagų, turinčių pjezoelektrines savybes. Pjezoelektrikai keičia savo matmenis išoriniame elektriniame lauke. Atvirkštinio pjezoelektrinio efekto kristalams lygtis parašyta taip:

kur u yra deformacijos tenzorius, E yra elektrinio lauko komponentai, d yra pjezoelektrinio koeficiento tenzoriaus komponentai. Pjezoelektrinio koeficiento tenzoriaus formą lemia kristalų simetrijos tipas.

Keitikliai, pagaminti iš pjezokeraminių medžiagų, tapo plačiai paplitę įvairiose techninėse srityse. Pjezokeramika yra poliarizuota polikristalinė medžiaga, gaunama sukepinant miltelius iš kristalinių feroelektrikų. Keramikos poliarizacija atliekama taip. Keramika kaitinama virš Curie temperatūros (daugumai pjezokeraminių ši temperatūra yra mažesnė nei 300C), o po to lėtai vėsinama stipriame (apie 3 kV/cm) elektriniame lauke. Po aušinimo pjezokeramika sukelia poliarizaciją ir įgyja galimybę keisti savo dydį (padidėti arba mažėti priklausomai nuo poliarizacijos vektoriaus ir išorinio elektrinio lauko vektoriaus abipusės krypties).

Vamzdiniai pjezoelementai plačiai paplito skenuojančio zondo mikroskopijoje (4 pav.). Jie leidžia gauti gana didelius objektų judesius su santykinai maža valdymo įtampa. Vamzdiniai pjezoelementai yra tuščiaviduriai plonasieniai cilindrai, pagaminti iš pjezokeraminių medžiagų. Paprastai plonų metalo sluoksnių pavidalo elektrodai uždedami ant išorinio ir vidinio vamzdžio paviršių, o vamzdžio galai lieka neuždengti.

Veikiant potencialų skirtumui tarp vidinio ir išorinio elektrodo, vamzdis keičia savo išilginius matmenis. Tokiu atveju išilginė deformacija veikiant radialiniam elektriniam laukui gali būti parašyta taip:

čia l yra nedeformuojančios būsenos vamzdžio ilgis. Absoliutus pjezo vamzdžio pailgėjimas lygus

čia h yra pjezovamzdžio sienelės storis, V – potencialų skirtumas tarp vidinio ir išorinio elektrodo. Taigi, esant tokiai pačiai įtampai V, vamzdžio pailgėjimas bus didesnis, tuo didesnis jo ilgis ir mažesnis jo sienelės storis.

Trijų vamzdelių sujungimas į vieną įrenginį leidžia organizuoti tikslius mikroskopo zondo judesius trimis viena kitai statmenomis kryptimis. Šis nuskaitymo elementas vadinamas trikoju.

Tokio skaitytuvo trūkumai yra gamybos sudėtingumas ir didelė dizaino asimetrija. Šiandien skenavimo zondo mikroskopijoje plačiausiai naudojami vieno vamzdinio elemento skeneriai. Bendras vamzdinio skaitytuvo ir elektrodų išdėstymo vaizdas parodytas Fig. 5. Vamzdžio medžiaga turi radialinę poliarizacijos vektoriaus kryptį.

Vidinis elektrodas paprastai yra kietas. Išorinis skaitytuvo elektrodas yra padalintas išilgai cilindro į keturias dalis. Kai priešingose ​​išorinio elektrodo dalyse (vidinio atžvilgiu) įvedamos antifazinės įtampos, vamzdžio dalis susitraukia toje vietoje, kur lauko kryptis sutampa su poliarizacijos kryptimi, ir pailgėja ten, kur jos nukreiptos priešingai. kryptys. Dėl to vamzdis pasilenkia reikiama kryptimi. Tokiu būdu skenavimas atliekamas X, Y plokštumoje Pakeitus vidinio elektrodo potencialą visų išorinių sekcijų atžvilgiu, vamzdis pailgėja arba sutrumpėja išilgai Z ašies. koordinačių skaitytuvas, pagrįstas vienu pjezo vamzdeliu. Tikri nuskaitymo elementai dažnai yra sudėtingesnio dizaino, tačiau jų veikimo principai išlieka tie patys.

Taip pat plačiai paplito skaitytuvai, kurių pagrindą sudaro bimorfiniai pjezoelementai. Bimorfas susideda iš dviejų pjezoelektrinių plokščių, suklijuotų taip, kad kiekvienoje iš jų poliarizacijos vektoriai būtų nukreipti priešingomis kryptimis (6 pav.). Jei bimorfiniams elektrodams taikoma įtampa, kaip parodyta Fig. 6, tada viena iš plokščių išsiplės, o kita susitrauks, o tai sukels viso elemento sulenkimą. Realiuose bimorfinių elementų projektuose tarp vidinio bendrojo ir išorinio elektrodo sukuriamas potencialų skirtumas taip, kad viename elemente laukas sutampa su poliarizacijos vektoriaus kryptimi, o kitame – priešinga kryptimi.

Bimorfo lenkimas veikiant elektriniams laukams yra bimorfinių pjezoskenerių veikimo pagrindas. Sujungus tris bimorfinius elementus viename dizaine, galima įgyvendinti trikojį ant bimorfinių elementų.

Jei bimorfinio elemento išoriniai elektrodai yra padalinti į keturis sektorius, tai galima organizuoti zondo judėjimą pagal Z ašį ir X, Y plokštumoje ant vieno bimorfinio elemento (7 pav.).

Iš tiesų, priešingoms išorinių elektrodų sekcijų poroms pritaikius priešfazinę įtampą, galima sulenkti bimorfą taip, kad zondas judėtų X, Y plokštumoje (7 (a, b) pav.). O pakeitus vidinio elektrodo potencialą visų išorinių elektrodų sekcijų atžvilgiu, galima sulenkti bimorfą judant zondu Z kryptimi (7 pav. (c, d)).

3.2 Pjezokeramikos netiesiškumas

Nepaisant daugybės technologinių pranašumų, palyginti su kristalais, pjezokeramika turi tam tikrų trūkumų, kurie neigiamai veikia skenavimo elementų veikimą. Vienas iš šių trūkumų yra pjezoelektrinių savybių netiesiškumas. Fig. Kaip pavyzdys, 8 pav. parodyta pjezoelektrinio vamzdžio poslinkio Z kryptimi dydžio priklausomybė nuo taikomo lauko dydžio. Bendruoju atveju (ypač esant dideliems valdymo laukams) pjezokeramikai būdinga netiesinė deformacijų priklausomybė nuo lauko (arba nuo valdymo įtampos).

Taigi pjezokeramikos deformacija yra sudėtinga išorinio elektrinio lauko funkcija:

Mažiems valdymo laukams ši priklausomybė gali būti pateikta tokia forma:

u = d* E+ α* E*E+…

kur d ir α yra tiesiniai ir kvadratiniai pjezoelektrinio efekto moduliai.

Tipinės lauko vertės E, kai pradeda atsirasti netiesiniai efektai, yra maždaug 100 V/mm. Todėl, kad skenavimo elementai veiktų teisingai, valdymo laukai keramikos tiesiškumo srityje (E< Е) .

skenuojantis zondas elektroninis mikroskopas

3.3 Pjezokeramikos valkšnumas ir pjezokeramikos histerezė

Kitas pjezokeramikos trūkumas yra vadinamasis šliaužimas (šliaužimas) – uždelsta reakcija į valdymo elektrinio lauko vertės pasikeitimą.

Šliaužimas sukelia geometrinius iškraipymus, susijusius su šiuo efektu, stebimus SPM vaizduose. Šliaužimas turi ypač stiprų poveikį, kai skaitytuvai atnešami į tam tikrą tašką vietiniams matavimams atlikti ir pradiniuose nuskaitymo proceso etapuose. Siekiant sumažinti keramikos šliaužimo įtaką, šiuose procesuose naudojami laiko uždelsimai, kurie leidžia iš dalies kompensuoti skaitytuvo atsilikimą.

Kitas pjezokeramikos trūkumas – pailgėjimo priklausomybės nuo elektrinio lauko kitimo krypties dviprasmiškumas (histerezė).

Tai lemia tai, kad esant toms pačioms valdymo įtampoms, pjezokeramika atsiranda skirtinguose trajektorijos taškuose, priklausomai nuo judėjimo krypties. Siekiant pašalinti SPM vaizdų iškraipymus, atsiradusius dėl pjezokeramikos histerezės, skenuojant mėginius informacija įrašoma tik vienoje iš priklausomybės šakų.

4. Prietaisai, skirti tiksliam zondo ir mėginio judėjimui

4.1 Mechaninės pavarų dėžės

Viena iš svarbių skenuojančio zondo mikroskopijos techninių problemų yra poreikis tiksliai judinti zondą ir mėginį, kad būtų suformuotas mikroskopo darbinis tarpas ir parinktas tiriamo paviršiaus plotas. Norėdami išspręsti šią problemą, naudojami įvairių tipų įrenginiai, kurie dideliu tikslumu judina objektus. Plačiai paplito įvairios mechaninės pavarų dėžės, kuriose šiurkštus pradinio judesio judėjimas atitinka smulkų pasislinkusio objekto judėjimą. Judesių mažinimo metodai gali būti skirtingi. Plačiai naudojami svirties įtaisai, kuriuose judesio kiekis sumažinamas dėl svirčių svirties ilgio skirtumo. Svirties pavarų dėžės schema parodyta pav. 9.

Mechaninė svirtis leidžia sumažinti judėjimą naudojant koeficientą

Taigi, kuo didesnis rankos L ir l santykis, tuo tiksliau galima valdyti artėjimo prie zondo ir mėginio procesą.

Taip pat mikroskopų konstrukcijose plačiai naudojamos mechaninės pavarų dėžės, kuriose judesių sumažinimas pasiekiamas dėl dviejų nuosekliai sujungtų tamprių elementų standumo koeficientų skirtumo (10 pav.). Konstrukcija susideda iš standaus pagrindo, spyruoklės ir elastingos sijos. Spyruoklės standumas k ir tamprioji sija K parenkami taip, kad būtų tenkinama sąlyga: k< K .

Sumažėjimo koeficientas yra lygus tamprių elementų standumo koeficientų santykiui:

Taigi, kuo didesnis sijos ir spyruoklės standumo santykis, tuo tiksliau galima valdyti mikroskopo darbinio elemento poslinkį.

4.2 Žingsniniai varikliai

Žingsniniai varikliai (SEM) yra elektromechaniniai įtaisai, paverčiantys elektrinius impulsus į atskirus mechaninius judesius. Svarbus žingsninių variklių privalumas yra tai, kad jie užtikrina nedviprasmišką rotoriaus padėties priklausomybę nuo įvesties srovės impulsų, todėl rotoriaus sukimosi kampas nustatomas pagal valdymo impulsų skaičių. SHED sukimo momentą sukuria magnetiniai srautai, kuriuos sukuria statoriaus ir rotoriaus poliai, kurie yra tinkamai orientuoti vienas kito atžvilgiu.

Paprasčiausia konstrukcija skirta nuolatinio magneto varikliams. Jie susideda iš statoriaus su apvijomis ir rotoriaus, kuriame yra nuolatiniai magnetai. Fig. 11 paveiksle parodyta supaprastinta žingsninio variklio konstrukcija.

Kintamieji rotoriaus poliai yra tiesios formos ir yra lygiagrečiai variklio ašiai. Paveikslėlyje parodytas variklis turi 3 poras rotoriaus polių ir 2 poras statoriaus polių. Variklis turi 2 nepriklausomas apvijas, kurių kiekviena suvyniota ant dviejų priešingų statoriaus polių. Parodytas variklis turi 30 laipsnių žingsnį. Įjungus srovę vienoje iš apvijų, rotorius linkęs užimti tokią padėtį, kurioje priešingi rotoriaus ir statoriaus poliai yra vienas priešais kitą. Norint pasiekti nuolatinį sukimąsi, reikia pakaitomis įjungti apvijas.

Praktiškai naudojami žingsniniai varikliai, kurių konstrukcija yra sudėtingesnė ir užtikrina nuo 100 iki 400 žingsnių vienam rotoriaus apsisukimui. Jei toks variklis suporuotas su sriegine jungtimi, tai esant apie 0,1 mm sriegio žingsniui, užtikrinamas apie 0,25 - 1 mikrono objekto padėties nustatymo tikslumas. Siekiant padidinti tikslumą, naudojamos papildomos mechaninės pavarų dėžės. Elektrinio valdymo galimybė leidžia efektyviai naudoti ShED automatizuotose sistemose, skirtose priartėti prie zondo ir skenuojančių zondų mikroskopų mėginio.

4.3 pjezo žingsniniai varikliai

Reikalavimai dėl geros prietaisų izoliacijos nuo išorinės vibracijos ir poreikis naudoti zondo mikroskopus vakuuminėmis sąlygomis nustato rimtus apribojimus naudoti grynai mechaninius prietaisus zondui ir mėginiui perkelti. Šiuo atžvilgiu zondų mikroskopuose plačiai paplito pjezoelektrinių keitiklių pagrindu sukurti įrenginiai, leidžiantys nuotoliniu būdu valdyti objektų judėjimą.

Vienas iš žingsninio inercinio pjezo variklio konstrukcijų parodytas Fig. 12. Šiame įrenginyje yra pagrindas (1), ant kurio pritvirtintas pjezoelektrinis vamzdis (2). Vamzdis turi elektrodus (3) ant išorinio ir vidinio paviršiaus. Vamzdžio gale yra padalinta spyruoklė (4), kuri yra cilindras su atskirais spyruokliniais žiedlapiais. Spyruoklėje sumontuotas daiktų laikiklis (5) - gana masyvus cilindras su poliruotu paviršiumi. Perkeliamas objektas gali būti pritvirtintas prie laikiklio naudojant spyruoklę arba jungiamąją veržlę, kuri leidžia įrenginiui veikti bet kokia erdvėje.

Prietaisas veikia taip. Norint perkelti objekto laikiklį Z ašies kryptimi, pjezo vamzdžio elektrodams įjungiama pjūklo impulsinė įtampa (13 pav.).

Plokščiame pjūklo įtampos priekyje vamzdis sklandžiai pailgėja arba susitraukia priklausomai nuo įtampos poliškumo, o jo galas kartu su spyruokle ir objekto laikikliu pasislenka atstumu:

Tuo metu, kai atleidžiama pjūklo įtampa, vamzdis grįžta į pradinę padėtį su pagreičiu a, kuris iš pradžių turi didžiausią vertę:

čia ω – vamzdžio išilginių virpesių rezonansinis dažnis. Kai tenkinama F sąlyga< 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. Zondinių mikroskopų apsauga nuo išorinių poveikių

5.1 Apsauga nuo vibracijos

Įrenginiams apsaugoti nuo išorinės vibracijos naudojamos įvairių tipų vibraciją izoliuojančios sistemos. Paprastai juos galima suskirstyti į pasyvius ir aktyvius. Pagrindinė pasyviųjų vibracijos izoliavimo sistemų idėja yra tokia. Mechaninės sistemos priverstinių virpesių amplitudė greitai mažėja, nes didėja skirtumas tarp žadinančios jėgos dažnio ir natūralaus sistemos rezonansinio dažnio (tipinė virpesių sistemos amplitudės-dažnio reakcija (AFC) parodyta 14 pav.). ).

Todėl išoriniai poveikiai, kurių dažniai ω > ω, praktiškai neturi jokio pastebimo poveikio virpesių sistemai. Vadinasi, jei zondo mikroskopo matavimo galvutę pastatysite ant vibraciją izoliuojančios platformos arba ant elastingos pakabos (15 pav.), tada pro zondą praeis tik išoriniai virpesiai, kurių dažnis artimas vibraciją izoliuojančios sistemos rezonansiniam dažniui. mikroskopo korpusas. Kadangi SPM galvučių natūralūs dažniai yra 10–100 kHz, pasirinkus gana žemą vibracijos izoliavimo sistemos rezonansinį dažnį (apie 5–10 Hz), galite labai efektyviai apsaugoti įrenginį nuo išorinių vibracijų. Siekiant slopinti natūralių rezonansinių dažnių virpesius, į vibraciją izoliuojančias sistemas įvedami klampios trinties išsklaidymo elementai.

Taigi, norint užtikrinti efektyvią apsaugą, būtina, kad vibraciją izoliuojančios sistemos rezonansinis dažnis būtų kuo mažesnis. Tačiau labai žemus dažnius sunku realizuoti praktiškai.

SPM galvutėms apsaugoti sėkmingai naudojamos aktyvios išorinės vibracijos slopinimo sistemos. Tokie įrenginiai yra elektromechaninės sistemos su neigiamu grįžtamuoju ryšiu, užtikrinančiu stabilią vibraciją izoliuojančios platformos padėtį erdvėje (16 pav.).

5.2 Apsauga nuo akustinio triukšmo

Kitas zondinių mikroskopų dizaino elementų vibracijos šaltinis – įvairaus pobūdžio akustinis triukšmas.

Akustinių trukdžių ypatybė yra ta, kad akustinės bangos tiesiogiai veikia SPM galvučių konstrukcinius elementus, o tai sukelia zondo svyravimus tiriamo mėginio paviršiaus atžvilgiu. Siekiant apsaugoti SPM nuo akustinių trukdžių, naudojami įvairūs apsauginiai dangteliai, kurie gali žymiai sumažinti akustinių trukdžių lygį mikroskopo darbo tarpo srityje. Veiksmingiausia apsauga nuo akustinių trukdžių – zondo mikroskopo matavimo galvutę įstatyti į vakuuminę kamerą (17 pav.).

5.3. Zondo padėties virš paviršiaus šiluminio dreifo stabilizavimas

Viena iš svarbių SPM problemų yra užduotis stabilizuoti zondo padėtį virš tiriamo mėginio paviršiaus. Pagrindinis zondo padėties nestabilumo šaltinis yra aplinkos temperatūros pokytis arba zondo mikroskopo konstrukcinių elementų įkaitimas jo veikimo metu. Kietosios medžiagos temperatūros pokytis sukelia termoelastinių deformacijų atsiradimą. Tokios deformacijos turi labai didelę įtaką zondinių mikroskopų darbui. Šiluminiam dreifui sumažinti naudojamas SPM matavimo galvučių termostatas arba į galvučių konstrukciją įvedami termiškai kompensuojantys elementai. Šiluminės kompensacijos idėja yra tokia. Bet koks SPM dizainas gali būti pavaizduotas kaip elementų rinkinys su skirtingais šiluminio plėtimosi koeficientais (18 pav. (a)).

Šiluminiam dreifui kompensuoti į SPM matavimo galvučių konstrukciją įvedami kompensavimo elementai su skirtingais plėtimosi koeficientais, kad būtų įvykdyta sąlyga, kad temperatūros plėtimosi suma skirtingose ​​konstrukcijos atšakose yra lygi nuliui:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Paprasčiausias būdas sumažinti zondo padėties šiluminį poslinkį išilgai Z ašies – į SPM konstrukciją įterpti kompensacinius elementus, pagamintus iš tos pačios medžiagos ir tų pačių būdingų matmenų kaip ir pagrindiniai konstrukciniai elementai (18 pav. (b)). Pasikeitus šios konstrukcijos temperatūrai, zondo poslinkis Z kryptimi bus minimalus. Norint stabilizuoti zondo padėtį X, Y plokštumoje, mikroskopų matavimo galvutės gaminamos ašies simetriškų struktūrų pavidalu.

6. SPM vaizdų formavimas ir apdorojimas

6.1 Nuskaitymo procesas

Paviršiaus nuskaitymo procesas skenuojamojo zondo mikroskopu yra panašus į elektronų pluošto judėjimą per ekraną televizoriaus katodinių spindulių vamzdyje. Zondas juda išilgai linijos (linijos), pirmiausia į priekį, o po to atbuline kryptimi (linijos nuskaitymas), o tada pereina į kitą eilutę (kadro nuskaitymas) (19 pav.). Zondas juda naudojant skaitytuvą mažais žingsneliais, veikiant pjūklo įtampai, sukuriamai skaitmeninio į analoginį keitiklius. Informacija apie paviršiaus topografiją registruojama, kaip taisyklė, tiesioginiu pravažiavimu.

Informacija, gauta naudojant skenuojančio zondo mikroskopą, yra saugoma SPM rėmelio pavidalu – dvimatėje sveikųjų skaičių a matricoje (matrica). Fizinė šių skaičių reikšmė nustatoma pagal vertę, kuri buvo suskaitmeninta nuskaitymo proceso metu. Kiekviena indeksų poros reikšmė ij atitinka konkretų paviršiaus tašką nuskaitymo lauke. Paviršiaus taškų koordinatės apskaičiuojamos tiesiog padauginus atitinkamą indeksą iš atstumo tarp taškų, kuriuose buvo įrašyta informacija.

Paprastai SPM rėmeliai yra 2 dydžio kvadratinės matricos (dažniausiai 256x256 ir 512x512 elementai). SPM kadrų vizualizacija atliekama naudojant kompiuterinę grafiką, daugiausia trimačių (3D) ir dvimačio šviesumo (2D) vaizdų pavidalu. 3D vizualizacijoje paviršiaus vaizdas konstruojamas aksonometrine perspektyva, naudojant pikselius arba linijas. Be to, naudojami įvairūs metodai pikseliams, atitinkantiems skirtingus paviršiaus reljefo aukščius, paryškinti. Veiksmingiausias būdas spalvinti 3D vaizdus – imituoti paviršiaus apšvietimo sąlygas taškiniu šaltiniu, esančiu tam tikrame erdvės taške virš paviršiaus (20 pav.). Kartu galima pabrėžti nedidelius reljefo nelygumus. Taip pat, naudojant kompiuterinį apdorojimą ir grafiką, realizuojamas 3D SPM vaizdų mastelis ir pasukimas. Naudojant 2D vizualizaciją, kiekvienam paviršiaus taškui priskiriama spalva. Plačiausiai naudojamos gradientinės paletės, kuriose vaizdas nuspalvinamas tam tikros spalvos tonu pagal taško aukštį paviršiuje.

Vietiniai SPM matavimai, kaip taisyklė, apima tiriamų dydžių priklausomybės nuo įvairių parametrų registravimą. Pavyzdžiui, tai elektros srovės per zondo ir paviršiaus kontaktą dydžio priklausomybės nuo naudojamos įtampos, įvairių zondo ir paviršiaus jėgos sąveikos parametrų priklausomybės nuo zondo ir mėginio atstumo ir kt. informacija saugoma vektorinių matricų pavidalu arba 2 x N matricų pavidalu Jų vizualizavimui Mikroskopo programinė įranga suteikia standartinių įrankių rinkinį funkcijų grafikams rodyti.

6.2 Vaizdų kūrimo ir apdorojimo metodai

Tiriant objektų savybes skenuojančio zondo mikroskopijos metodais, pagrindinis mokslinių tyrimų rezultatas, kaip taisyklė, yra trimačiai šių objektų paviršiaus vaizdai. Vaizdo interpretacijos adekvatumas priklauso nuo specialisto kvalifikacijos. Tuo pačiu metu apdorojant ir kuriant vaizdus naudojama daugybė tradicinių technikų, kurias turėtumėte žinoti analizuodami vaizdus. Skenavimo zondo mikroskopas atsirado intensyvaus kompiuterinių technologijų vystymosi metu. Todėl, įrašinėdamas trimačius vaizdus, ​​naudojo kompiuteriams sukurtus skaitmeninius saugojimo būdus. Tai lėmė didelį vaizdo analizės ir apdorojimo patogumą, tačiau reikėjo paaukoti elektroninės mikroskopijos metodams būdingą fotografijos kokybę. Informacija, gauta naudojant zondinį mikroskopą, kompiuteryje atvaizduojama kaip dvimatė sveikųjų skaičių matrica. Kiekvienas skaičius šioje matricoje, priklausomai nuo nuskaitymo režimo, gali būti tunelio srovės vertė, nuokrypio vertė arba kokios nors sudėtingesnės funkcijos reikšmė. Jei parodysite šią matricą žmogui, jis negalės susidaryti jokios nuoseklios idėjos apie tiriamą paviršių. Taigi, pirmoji problema yra konvertuoti skaičius į lengvai suprantamą formą. Tai daroma taip. Skaičiai pradinėje matricoje yra tam tikrame diapazone, yra minimalios ir didžiausios vertės. Šiam sveikųjų skaičių diapazonui priskiriama spalvų paletė. Taigi kiekviena matricos reikšmė yra susieta su konkrečios spalvos tašku stačiakampiame vaizde. Eilutė ir stulpelis, kuriuose yra ši reikšmė, tampa taško koordinatėmis. Rezultate gauname paveikslėlį, kuriame, pavyzdžiui, paviršiaus aukštis perteikiamas spalvomis – kaip geografiniame žemėlapyje. Tačiau žemėlapyje dažniausiai naudojamos tik dešimtys spalvų, o mūsų paveikslėlyje jų yra šimtai ir tūkstančiai. Kad būtų lengviau suvokti, taškai, kurių aukštis yra artimas, turėtų būti pateikiami panašiomis spalvomis. Gali pasirodyti, ir paprastai taip atsitinka, kad pradinių reikšmių diapazonas yra didesnis nei galimų spalvų skaičius. Tokiu atveju prarandama informacija, o spalvų skaičiaus didinimas nėra išeitis, nes žmogaus akies galimybės yra ribotos. Reikalingas papildomas informacijos apdorojimas, o apdorojimas turėtų skirtis priklausomai nuo užduočių. Kai kurie žmonės turi matyti visą vaizdą, o kiti nori pažvelgti į detales. Tam naudojami įvairūs metodai.

6.3 Pastovaus nuolydžio atėmimas

Paviršiaus vaizdai, gauti naudojant zondo mikroskopus, paprastai turi bendrą nuolydį. Tai gali būti dėl kelių priežasčių. Pirma, pasvirimas gali atsirasti dėl netikslios mėginio padėties zondo atžvilgiu; antra, jis gali būti susijęs su temperatūros svyravimu, dėl kurio zondas pasislenka mėginio atžvilgiu; trečia, tai gali būti dėl pjezoscannerio judesių netiesiškumo. Rodant pakreipimą, SPM rėmelyje sunaudojama daug naudingos vietos, todėl mažos vaizdo detalės tampa nematomos. Norint pašalinti šį trūkumą, atliekama pastovaus nuolydžio atėmimo operacija. Norėdami tai padaryti, pirmajame etape apytikslė plokštuma randama naudojant mažiausiųjų kvadratų metodą

P(x,y), kuris turi minimalius nuokrypius nuo paviršiaus reljefo Z = f(x,y), tada ši plokštuma atimama iš SPM vaizdo. Patartina atlikti atimtį įvairiais būdais, priklausomai nuo nuolydžio pobūdžio.

Jei SPM vaizde posvyris atsiranda dėl mėginio pasvirimo zondo mėginio atžvilgiu, tuomet plokštumą patartina pasukti kampu, atitinkančiu kampą tarp normalės plokštumos ir Z ašies; šiuo atveju paviršiaus koordinatės Z = f(x,y) transformuojamos pagal erdvinio sukimosi transformacijas. Tačiau su šia transformacija galima gauti paviršiaus vaizdą daugiareikšmės funkcijos Z = f(x,y) pavidalu. Jei posvyris atsiranda dėl šiluminio dreifo, tada pokrypio atėmimo procedūra sumažinama iki plokštumos Z koordinačių atėmimo iš SPM vaizdo Z koordinačių:

Rezultatas yra masyvas su mažesniu verčių diapazonu, o smulkios vaizdo detalės atsispindės daugiau spalvų ir taps labiau matomos.

6.4 Iškraipymų, susijusių su skaitytuvo trūkumais, pašalinimas

Dėl skaitytuvo savybių netobulumo SPM vaizde yra keletas specifinių iškraipymų. Dalinius skaitytuvo netobulumus, tokius kaip skenerio eigos pirmyn ir atgal nelygybė (histerezė), pjezokeramikos šliaužimas ir netiesiškumas, kompensuoja techninė įranga ir optimalių nuskaitymo režimų pasirinkimas. Tačiau nepaisant to, SPM vaizduose yra iškraipymų, kuriuos sunku pašalinti aparatūros lygiu. Visų pirma, kadangi skaitytuvo judėjimas mėginio plokštumoje turi įtakos zondo padėčiai virš paviršiaus, SPM vaizdai yra tikrojo reljefo ir kai kurių antrosios (ir dažnai aukštesnės) eilės paviršiaus superpozicija.

Norint pašalinti tokį iškraipymą, naudojamas mažiausių kvadratų metodas, norint rasti antros eilės aproksimuojantį paviršių P(x,y), kuris turi minimalius nukrypimus nuo pradinės funkcijos Z = f(x,y), ir tada šis paviršius yra atimta iš pradinio SPM vaizdo:

Kitas iškraipymo tipas yra susijęs su skenerio judesių netiesiškumu ir neortogonalumu X, Y plokštumoje. Dėl to įvairiose paviršiaus SPM vaizdo dalyse iškraipomos geometrinės proporcijos. Siekiant pašalinti tokius iškraipymus, atliekama SPM vaizdų koregavimo procedūra naudojant korekcijos koeficiento failą, kuris sukuriamas konkrečiam skaitytuvui nuskaitant bandomąsias struktūras su gerai žinomu reljefu.

6.5 SPM vaizdų filtravimas

Įrangos triukšmas (daugiausia labai jautrių įvesties stiprintuvų triukšmas), zondo ir mėginio kontakto nestabilumas skenuojant, išorinis akustinis triukšmas ir vibracija lemia tai, kad SPM vaizdai kartu su naudinga informacija turi triukšmo komponentą. Dalinį triukšmą SPM vaizduose galima pašalinti naudojant programinę įrangą.

6.6 Vidutinis filtravimas

Vidutinis filtravimas duoda gerų rezultatų pašalinant aukšto dažnio atsitiktinius triukšmus SPM kadruose. Tai netiesinis vaizdo apdorojimo metodas, kurio esmę galima paaiškinti taip. Pasirinktas darbinis filtro langas, susidedantis iš nxn taškų (tikslumui paimkime 3 x 3 langą, t.y. kuriame yra 9 taškai (24 pav.)).

Filtravimo proceso metu šis langas juda per rėmelį iš taško į tašką ir atliekama tokia procedūra. SPM vaizdo amplitudės reikšmės šio lango taškuose yra išdėstytos didėjančia tvarka, o surūšiuotos eilutės centre esanti reikšmė įvedama į centrinį lango tašką. Tada langas perkeliamas į kitą tašką ir rūšiavimo procedūra kartojama. Taigi galingi atsitiktiniai iškrypimai ir gedimai tokio rūšiavimo metu visada atsiduria rūšiuojamo masyvo pakraštyje ir nebus įtraukti į galutinį (filtruotą) vaizdą. Taikant šį apdorojimą, kadro kraštuose lieka nefiltruotos sritys, kurios galutiniame vaizde pašalinamos.

6.7 Paviršiaus atkūrimo iš jo SPM vaizdo metodai

Vienas iš trūkumų, būdingų visiems skenuojančio zondo mikroskopijos metodams, yra baigtinis naudojamų zondų darbinės dalies dydis. Dėl to labai pablogėja mikroskopų erdvinė skiriamoji geba ir pastebimi SPM vaizdų iškraipymai, kai nuskaitomi paviršiai su reljefo nelygumais, panašiais į būdingus zondo darbinės dalies matmenis.

Tiesą sakant, SPM gautas vaizdas yra zondo ir tiriamo paviršiaus „konvoliucija“. Zondo formos „konvoliucijos“ su paviršiaus reljefu procesas iliustruotas vienmačio atvejo pav. 25.

Šią problemą iš dalies galima išspręsti neseniai sukurtais SPM vaizdų atkūrimo metodais, pagrįstais kompiuteriniu SPM duomenų apdorojimu, atsižvelgiant į specifinę zondų formą. Veiksmingiausias paviršiaus atkūrimo būdas yra skaitinės dekonvoliucijos metodas, kai naudojama zondo forma, gauta eksperimentiniu būdu skenuojant bandomąsias struktūras (su gerai žinoma paviršiaus topografija).

Pažymėtina, kad pilnas mėginio paviršiaus atkūrimas įmanomas tik tada, kai įvykdomos dvi sąlygos: zondas skenavimo proceso metu lietė visus paviršiaus taškus, o kiekvieną akimirką zondas lietė tik vieną paviršiaus tašką. Jei skenuojant zondas negali pasiekti tam tikrų paviršiaus sričių (pavyzdžiui, jei mėginys turi išsikišusias reljefo sritis), tada reljefas atstatomas tik iš dalies. Be to, kuo daugiau taškų paviršiuje zondas palietė nuskaitymo metu, tuo patikimiau galima atkurti paviršių.

Praktiškai SPM vaizdas ir eksperimentiškai nustatyta zondo forma yra dvimatės diskrečiųjų verčių matricos, kurių išvestinė dalis yra prastai apibrėžtas dydis. Todėl, užuot skaičiuojant diskrečiųjų funkcijų išvestinę praktikoje, skaitinės SPM vaizdų dekonvoliucijos metu, skenuojant pastoviu vidutiniu aukščiu, naudojama minimalaus atstumo tarp zondo ir paviršiaus sąlyga.

Šiuo atveju paviršiaus reljefo aukštis tam tikrame taške gali būti laikomas minimaliu atstumu tarp zondo taško ir atitinkamo paviršiaus taško tam tikroje zondo padėtyje paviršiaus atžvilgiu. Ši sąlyga savo fizine prasme prilygsta darinių lygybės sąlygai, tačiau leidžia adekvatesniu metodu ieškoti zondo sąlyčio su paviršiumi taškų, o tai žymiai sumažina reljefo atkūrimo laiką.

Zondų darbinės dalies kalibravimui ir formai nustatyti naudojamos specialios bandomosios konstrukcijos su žinomais paviršiaus reljefo parametrais. Dažniausių bandomųjų struktūrų tipai ir joms būdingi vaizdai, gauti naudojant atominės jėgos mikroskopą, pateikti fig. 26 ir pav. 27.

Kalibravimo tinklelis aštrių smaigalių pavidalu leidžia tiksliai apibrėžti zondo galą, o stačiakampis tinklelis padeda atkurti šoninio paviršiaus formą. Sujungus šių grotelių skenavimo rezultatus, galima visiškai atkurti zondų darbinės dalies formą.

7. Šiuolaikinis SPM

1) Skenavimo zondo mikroskopas SM-300

Skirta tirti porų erdvės morfologinius ypatumus ir struktūrą. SM-300 (28 pav.) turi įmontuotą optinį padėties nustatymo mikroskopą, kuris pašalina poreikį be galo ieškoti dominančios srities. Spalvotas optinis mėginio vaizdas, šiek tiek padidinus, rodomas kompiuterio monitoriuje. Optinio vaizdo kryželis atitinka elektronų pluošto padėtį. Naudodami kryželius galite greitai nustatyti vietą, kuri domina rastrinės analizės sritį

Ryžiai. 28. SPM SM-300 elektroninis mikroskopas. Optiniame padėties nustatymo bloke yra atskiras kompiuteris, kuris užtikrina jo aparatinę nepriklausomybę nuo skenuojančio mikroskopo.

GALIMYBĖS SM - 300

· Garantuota 4 nm skiriamoji geba

· Unikalus optinis padėties nustatymo mikroskopas (pasirinktinai)

· Intuityvi Windows® programinė įranga

Visiškai kompiuteriu valdomas skenuojantis mikroskopas ir vaizdavimas

Standartinė TV išvestis su skaitmeninio signalo apdorojimu

· Žemo vakuumo sistemos valdymas kompiuteriu (pasirinktinai)

· Visi tyrimai atliekami toje pačioje aplikacijos ašies padėtyje (12 mm)

Elementinė rentgeno mikroanalizė žemo ir didelio vakuumo režimais (pasirinktinai)

Gebėjimas dirbti įprastomis patalpos apšvietimo sąlygomis

· Nelaidžių mėginių tyrimas be išankstinio jų paruošimo

Rezoliucija 5,5 nm žemo vakuumo režimu

· Režimų perjungimo programinė įranga

Pasirenkamas kameros vakuumo diapazonas 1,3 – 260 Pa

· Vaizdų rodymas kompiuterio monitoriaus ekrane

· Serijinis V-atgalinės sklaidos Robinsono jutiklis

2) Supra50VP didelės raiškos skenuojantis zondas mikroskopas su INCA Energy+Oxford mikroanalizės sistema.

Prietaisas (29 pav.) skirtas tyrimams visose medžiagotyros srityse, nano- ir biotechnologijų srityje. Prietaisas leidžia dirbti su dideliais mėginiais, taip pat palaiko kintamo slėgio režimą, kad būtų galima tirti nelaidžius mėginius be paruošimo. Ryžiai. 29. SPM Supra50VP

PARAMETRAI:

Greitinimo įtampa 100 V – 30 kV (lauko emisijos katodas)

Maks. padidinti iki x 900 000

Itin aukšta skiriamoji geba – iki 1 nm (esant 20 kV)

Vakuuminis režimas su kintamu slėgiu nuo 2 iki 133 Pa

Greitinimo įtampa – nuo ​​0,1 iki 30 kV

Motorizuotas stalas su penkiais laisvės laipsniais

EDX detektoriaus skiriamoji geba 129 eV Ka(Mn) linijoje, skaičiavimo greitis iki 100 000 įv./s

3) LEO SUPRA 25 modernizuotas mikroskopas su „GEMINI“ kolona ir lauko emisija (30 pav.).

– Skirta nanoanalizės tyrimams

– Galima prijungti tiek EDX, tiek WDX sistemas mikroanalizei

– Skiriamoji geba 1,5 nm esant 20 kV, 2 nm esant 1 kV.

Išvada

Per pastaruosius metus zondo mikroskopijos naudojimas leido pasiekti unikalių mokslinių rezultatų įvairiose fizikos, chemijos ir biologijos srityse.

Jei pirmieji skenuojamojo zondo mikroskopai buvo indikatoriniai prietaisai kokybiniams tyrimams, tai modernus skenuojantis zondinis mikroskopas yra įrenginys, kuriame integruota iki 50 skirtingų tyrimo metodų. Jis gali atlikti nurodytus judesius zondo-ėminių sistemoje 0,1 % tikslumu, apskaičiuodamas zondo formos koeficientą, atlikdamas gana didelių dydžių tikslius matavimus (iki 200 µm skenavimo plokštumoje ir 15 - 20 µm aukštyje ) ir tuo pačiu metu užtikrina submolekulinę skiriamąją gebą.

Skenavimo zondų mikroskopai tapo viena iš populiariausių mokslinių tyrimų instrumentų klasių pasaulio rinkoje. Nuolat kuriami nauji įrenginių dizainai, specializuoti įvairioms programoms.

Dinamiška nanotechnologijų plėtra reikalauja vis labiau plėsti tyrimų technologijų galimybes. Aukštųjų technologijų įmonės visame pasaulyje kuria mokslinių tyrimų ir technologinius nanokompleksus, kurie apjungia ištisas analitinių metodų grupes, tokias kaip: Ramano spektroskopija, liuminescencinė spektroskopija, rentgeno spektroskopija elementų analizei, didelės skiriamosios gebos optinė mikroskopija, elektroninė mikroskopija. , sutelktų jonų technikų ryšuliai. Sistemos įgauna galingų intelektinių galimybių: gebėjimas atpažinti ir klasifikuoti vaizdus, ​​išryškinti reikiamus kontrastus, yra apdovanotas galimybe imituoti rezultatus, o skaičiavimo galia suteikiama naudojant superkompiuterius.

Kuriama technologija turi galingų galimybių, tačiau galutinis jos panaudojimo tikslas – gauti mokslinių rezultatų. Šios technologijos galimybių įsisavinimas savaime yra labai sudėtingas uždavinys, reikalaujantis aukštos kvalifikacijos specialistų, gebančių efektyviai naudoti šiuos įrenginius ir sistemas, mokymas.

Nuorodos

1. Nevolin V.K. Tunelinio zondo technologijos pagrindai / V.K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996, - 91 p.

2. Kulakovas Yu.

3. Volodinas A.P. Skenuojanti mikroskopija / A. P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 p.

4. Biopolimerų nuskaitymo zondo mikroskopija / Redagavo I. V. Yaminsky, - M.: Mokslo pasaulis, 1997, - 86 p.

5. Mironovas V. Skenuojančio zondo mikroskopijos pagrindai / V. Mironovas, – M.: Technosfera, 2004, – 143 p.

6. Rykovas S. A. Puslaidininkinių medžiagų nuskaitymo zondo mikroskopija / S. A. Rykov, – Sankt Peterburgas: Nauka, 2001, – 53 p.

7. Bykovas V. A., Lazarev M. I. Scanning probe microscopy for science and industry / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronika: mokslas, technologijos, verslas, – 1997, – Nr.5, – Su. 7-14.

Pirmieji prietaisai, sudarę galimybę stebėti nanoobjektus ir juos perkelti, buvo skenuojantieji zondų mikroskopai – atominės jėgos mikroskopas ir panašiu principu veikiantis skenuojantis tunelinis mikroskopas. Atominės jėgos mikroskopiją (AFM) sukūrė G. Binnig ir G. Rohrer, kuriems už šį tyrimą 1986 m. buvo skirta Nobelio premija. Sukūrus atominės jėgos mikroskopą, galintį pajusti tarp atskirų atomų kylančias traukos ir atstūmimo jėgas, buvo galima pagaliau „paliesti ir pamatyti“ nanoobjektus.

9 pav. Skenuojančio zondo mikroskopo veikimo principas (paimta iš http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Taškinė linija rodo lazerio spindulio kelią. Kiti paaiškinimai yra tekste.

AFM pagrindas (žr. 9 pav.) yra zondas, dažniausiai pagamintas iš silicio ir vaizduojantis ploną konsolinę plokštę (vadinamas konsolė, iš angliško žodžio “konsolė” – konsolė, sija). Konsolės gale (ilgis » 500 µm, plotis » 50 µm, storis » 1 µm) yra labai aštrus smaigalys (ilgis » 10 µm, kreivio spindulys nuo 1 iki 10 nm), besibaigiantis vienetų grupe. ar daugiau atomų (žr. 10 pav.).

10 pav. To paties zondo elektroninės mikronuotraukos, padarytos mažu (viršuje) ir dideliu padidinimu.

Kai mikrozondas juda išilgai mėginio paviršiaus, smaigalio galiukas pakyla ir nukrenta, nubrėždamas paviršiaus mikroreljefą, lygiai taip pat, kaip gramofono rašiklis slysta išilgai gramofono įrašo. Konsolės išsikišusiame gale (virš smaigalio, žr. 9 pav.) yra veidrodžio sritis, ant kurios krenta ir atsispindi lazerio spindulys. Kai smaigalys nusileidžia ir kyla ant paviršiaus nelygumų, atspindėtas spindulys nukrypsta, o šis nuokrypis fiksuojamas fotodetektoriumi, o jėga, kuria smaigalys pritraukiamas šalia esančių atomų, fiksuojamas pjezoelektriniu jutikliu.

Duomenys iš fotodetektoriaus ir pjezoelektrinio jutiklio naudojami grįžtamojo ryšio sistemoje, kuri gali užtikrinti, pavyzdžiui, pastovią mikrozondo ir mėginio paviršiaus sąveikos jėgos vertę. Dėl to realiu laiku galima sukonstruoti tūrinį mėginio paviršiaus reljefą. AFM metodo skiriamoji geba yra maždaug 0,1-1 nm horizontaliai ir 0,01 nm vertikaliai. Escherichia coli bakterijų vaizdas, gautas naudojant skenuojančio zondo mikroskopą, parodytas Fig. 11.

11 pav. Escherichia coli bakterija ( Escherichia coli). Vaizdas buvo gautas naudojant skenuojančio zondo mikroskopą. Bakterijos ilgis – 1,9 mikrono, plotis – 1 mikronas. Žvynelių ir blakstienų storis yra atitinkamai 30 nm ir 20 nm.

Kita skenuojančių zondų mikroskopų grupė paviršiaus reljefui sukurti naudoja vadinamąjį kvantinį mechaninį „tunelio efektą“. Tunelio efekto esmė ta, kad nuo šio atstumo pradeda priklausyti elektros srovė tarp aštrios metalinės adatos ir paviršiaus, esančio maždaug 1 nm atstumu – kuo mažesnis atstumas, tuo didesnė srovė. Jei tarp adatos ir paviršiaus yra 10 V įtampa, ši „tunelio“ srovė gali svyruoti nuo 10 pA iki 10 nA. Matuojant šią srovę ir palaikant ją pastovią, atstumas tarp adatos ir paviršiaus gali būti pastovus. Tai leidžia sukurti tūrinį paviršiaus profilį (žr. 12 pav.). Skirtingai nei atominės jėgos mikroskopas, skenuojantis tunelinis mikroskopas gali tirti tik metalų ar puslaidininkių paviršius.

12 pav. Skenuojančio tunelinio mikroskopo adata, esanti pastoviu atstumu (žr. rodykles) virš tiriamo paviršiaus atomų sluoksnių.

Skenuojantis tunelinis mikroskopas taip pat gali būti naudojamas atomui perkelti į operatoriaus pasirinktą tašką. Pavyzdžiui, jei įtampa tarp mikroskopo adatos ir mėginio paviršiaus yra šiek tiek didesnė, nei reikia šiam paviršiui ištirti, tada arčiausiai jo esantis mėginio atomas virsta jonu ir „prišoka“ prie adatos. Po to, šiek tiek judindami adatą ir keisdami įtampą, galite priversti pabėgusį atomą „šokti“ atgal į mėginio paviršių. Tokiu būdu galima manipuliuoti atomais ir kurti nanostruktūras, t.y. paviršiaus struktūros, kurių matmenys yra nanometro dydžio. Dar 1990 metais IBM darbuotojai įrodė, kad tai įmanoma, sujungę savo įmonės pavadinimą iš 35 ksenono atomų nikelio plokštelėje (žr. 13 pav.).

13 pav. IBM įmonės pavadinimas, sudarytas iš 35 ksenono atomų ant nikelio plokštės, pagamintos šios įmonės darbuotojų naudojant skenuojančio zondo mikroskopą 1990 m.

Naudodami zondinį mikroskopą galite ne tik perkelti atomus, bet ir sukurti prielaidas jų savaiminiam organizavimui. Pavyzdžiui, jei ant metalinės plokštės yra vandens, kuriame yra tiolio jonų, lašas, mikroskopo zondas padės nukreipti šias molekules taip, kad jų dvi angliavandenilių uodegos būtų nukreiptos nuo plokštelės. Dėl to galima pastatyti monosluoksnį iš tiolio molekulių, prilipusių prie metalinės plokštės (žr. 14 pav.). Šis metalo paviršiaus monosluoksnio molekulių kūrimo metodas vadinamas "rašiklio nanolitografija".

14 pav. Viršuje kairėje – skenuojančio zondo mikroskopo konsolė (plieninė pilka) virš metalinės plokštės. Dešinėje yra padidintas plotas (paveiksle kairėje pažymėtas balta spalva) po konsolės galu, kuriame schematiškai pavaizduotos tiolio molekulės su purpurinėmis angliavandenilių uodegomis, išdėstytomis viename sluoksnyje zondo gale. Adaptuota iš Scientific American, 2001, rugsėjis, p. 44.

(anglų kalba) Skenuojantis elektroninis mikroskopas, SEM) yra prietaisas, leidžiantis gauti didelės skiriamosios gebos (mažiau nei mikrometras) mėginio paviršiaus vaizdus. Vaizdai, gauti naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą, yra trimačiai ir patogūs tiriant nuskaityto paviršiaus struktūrą. Keletas papildomų metodų (EDX, WDX metodai) leidžia gauti informacijos apie paviršinių sluoksnių cheminę sudėtį.

Veikimo principas

Tiriamas mėginys yra nuskaitomas pramoninio vakuumo sąlygomis su fokusuotu vidutinės energijos elektronų pluoštu. Priklausomai nuo signalo įrašymo mechanizmo, yra keli skenuojančio elektroninio mikroskopo veikimo režimai: atspindėto elektrono režimas, antrinio elektrono režimas, katodoliuminescencijos režimas ir tt Sukurtos technikos leidžia tirti ne tik mėginio paviršiaus savybes. , bet ir vizualizuoti bei gauti informaciją apie požeminių struktūrų, esančių kelių mikronų gylyje nuo nuskaityto paviršiaus, savybes.

Veikimo režimai

Antrinis elektronų aptikimas

Spinduliuotė, kuri formuoja mėginio paviršiaus vaizdą daugumoje įrenginių modelių, yra būtent antriniai elektronai, patenkantys į Everhart-Thornley tipo detektorių, kur susidaro pirminis vaizdas, kuris, apdorojus programine įranga, patenka į monitoriaus ekraną. Kaip ir perdavimo elektronų mikroskopuose, anksčiau fotografijai buvo naudojama juosta. Kamera fiksavo vaizdus aukštos raiškos juodai baltame katodinių spindulių vamzdžio ekrane. Dabar sugeneruotas vaizdas tiesiog rodomas mikroskopą valdančios kompiuterinės programos sąsajos lange ir, operatoriui sufokusavus, gali būti įrašytas į kompiuterio standųjį diską. Vaizdas, suformuotas naudojant skenuojančius mikroskopus, išsiskiria dideliu kontrastu ir fokusavimo gyliu. Kai kuriuose šiuolaikinių įrenginių modeliuose, naudojant kelių spindulių technologiją ir specialią programinę įrangą, galima gauti 3D tiriamo objekto paviršiaus vaizdą. Pavyzdžiui, tokius mikroskopus gamina Japonijos įmonė JEOL.

leidimas

Skenuojančio elektroninio mikroskopo erdvinė skiriamoji geba priklauso nuo elektronų pluošto skersinio dydžio, o tai savo ruožtu priklauso nuo spindulį sufokusuojančios elektroninės-optinės sistemos savybių. Rezoliuciją taip pat riboja elektronų zondo ir mėginio sąveikos srities dydis, tai yra, tikslinė medžiaga. Elektronų zondo dydis ir zondo ir mėginio sąveikos srities dydis yra daug didesni nei atstumai tarp tikslinių atomų, todėl skenuojančio elektroninio mikroskopo skiriamoji geba nėra pakankamai didelė, kad būtų rodomos atominės skalės, kaip tai įmanoma, pvz. perdavimo elektronų mikroskopu. Tačiau skenuojantis elektroninis mikroskopas turi savo privalumų, įskaitant galimybę nufotografuoti santykinai didelį mėginio plotą, galimybę ištirti masyvius taikinius (ne tik plonas plėveles) ir įvairius analitinius metodus, leidžiančius ištirti pagrindinės tikslinės medžiagos savybės. Priklausomai nuo konkretaus įrenginio ir eksperimentinių parametrų, skiriamosios gebos vertės gali būti nuo dešimčių iki kelių nanometrų.

Taikymas

Skenuojantys mikroskopai pirmiausia naudojami kaip fizikos, medžiagų mokslo, elektronikos ir biologijos tyrimų įrankis. Daugiausia siekiant gauti tiriamo mėginio vaizdą, kuris gali labai skirtis priklausomai nuo naudojamo detektoriaus tipo. Šie gautų vaizdų skirtumai leidžia daryti išvadas apie paviršiaus fizikines savybes ir atlikti paviršiaus topografijos tyrimus. Elektroninis mikroskopas yra praktiškai vienintelis instrumentas, galintis vaizduoti šiuolaikinės mikroschemos paviršių arba tarpinį fotolitografijos proceso etapą.