Курсын ажил: Сканнерийн микроскоп. Сорьцын микроскопын орон зайн нарийвчлал

7.Биологийн объектыг судлахад сканнерийн датчик микроскоп ашиглах

7. Биологийн объектыг судлахад сканнерийн датчик микроскоп ашиглах 1

7.1. Ажлын зорилго 2

7.2. Багшийн мэдээлэл 3

7.4. Удирдамж 31

7.5. Аюулгүй байдал 32

7.6. Даалгавар 32

7.7. Тестийн асуулт 32

7.8. Уран зохиол 32

Лабораторийн ажлыг Нижний Новгородын Улсын Их Сургууль боловсруулсан. Н.И. Лобачевский

7.1.Ажлын зорилго

Биологийн бүтцийн морфологийн параметрүүдийг судлах нь зарим бүтцийн хэмжээ, хэлбэр нь физиологийн шинж чанарыг ихээхэн тодорхойлдог тул биологичдын хувьд чухал ажил юм. Морфологийн өгөгдлийг функциональ шинж чанартай харьцуулах замаар хүн, амьтны бие махбодийн физиологийн тэнцвэрийг хадгалахад амьд эсийн оролцооны талаархи дэлгэрэнгүй мэдээллийг авах боломжтой.

Өмнө нь биологич, эмч нар зөвхөн оптик болон электрон микроскоп ашиглан бэлтгэлээ судлах боломжтой байсан. Эдгээр судалгаанууд нь шүрших замаар үүссэн нимгэн металл бүрхүүлээр бэхлэгдсэн, будагдсан, бүрсэн эсийн морфологийн талаар тодорхой ойлголттой болсон. Амьд объектын морфологи, янз бүрийн хүчин зүйлийн нөлөөн дор түүний өөрчлөлтийг судлах боломжгүй байсан ч энэ нь маш их сэтгэл татам байв.

Сканнерийн микроскоп (SPM) нь эс, бактери, биологийн молекул, ДНХ-ийг төрөлхийнхтэй нь аль болох ойрхон нөхцөлд судлах шинэ боломжийг нээж өгсөн. SPM нь биологийн объектыг тусгай бэхэлгээ, будагч бодисгүйгээр агаарт, тэр ч байтугай шингэн орчинд судлах боломжийг олгодог.

Одоогийн байдлаар SPM нь шинжлэх ухааны суурь судалгаа болон хэрэглээний өндөр технологийн хөгжилд аль алинд нь өргөн хүрээний салбаруудад ашиглагдаж байна. Тус улсын олон эрдэм шинжилгээний хүрээлэнгүүд микроскопийн аппаратаар тоноглогдсон байдаг. Үүнтэй холбогдуулан өндөр мэргэшсэн мэргэжилтнүүдийн эрэлт хэрэгцээ байнга нэмэгдэж байна. Энэхүү шаардлагыг хангахын тулд NT-MDT компани (Зеленоград, ОХУ) датчикийн микроскопыг сканнердах тусгай боловсрол, шинжлэх ухааны лабораторийг бүтээжээ. Нано сурган хүмүүжүүлэгч.

SPM NanoEducatorоюутнуудын лабораторийн ажилд тусгайлан зориулсан. Энэхүү төхөөрөмж нь оюутны үзэгчдэд зориулагдсан: энэ нь компьютер ашиглан бүрэн хянагддаг, энгийн бөгөөд ойлгомжтой интерфэйстэй, хөдөлгөөнт дүрсийг дэмждэг, техникийг алхам алхмаар хөгжүүлэх, нарийн төвөгтэй тохиргоо байхгүй, хямд өртөгтэй байдаг.

Энэхүү лабораторийн ажилд та сканнерийн микроскопийн талаар суралцах, түүний үндсэн суурьтай танилцах, сургалтын загвар, үйл ажиллагааны зарчмуудыг судлах болно. SPM NanoEducator, судалгаанд зориулж биологийн бэлдмэл бэлдэж сурах, сүүн хүчлийн бактерийн цогцолборын анхны SPM зургийг авах, хэмжилтийн үр дүнг боловсруулах, танилцуулах үндсийг сур.

7.2.Багшийн мэдээлэл 1

Лабораторийн ажлыг хэд хэдэн үе шаттайгаар явуулдаг.

1. Сорьц бэлтгэх ажлыг оюутан бүр нэг бүрчлэн гүйцэтгэнэ.

2. Эхний зургийг нэг төхөөрөмж дээр багшийн хяналтан дор авч, дараа нь оюутан бүр өөрийн дээжийг бие даан шалгана.

3. Туршилтын өгөгдлийг оюутан бүр тус тусад нь боловсруулдаг.

Судалгааны дээж: бүрхүүлийн шилэн дээрх сүүн хүчлийн бактери.

Ажил эхлэхийн өмнө далайц-давтамжийн шинж чанартай (нэг тэгш хэмийн дээд хэмжээ) датчикийг сонгож, судалж буй дээжийн гадаргуугийн зургийг авах шаардлагатай.

Лабораторийн тайланд дараахь зүйлийг тусгасан байх ёстой.

1. онолын хэсэг (хяналтын асуултын хариулт).

2. туршилтын хэсгийн үр дүн (хийсэн судалгааны тодорхойлолт, гарсан үр дүн, гаргасан дүгнэлт).

1. Биологийн объектын морфологийг судлах арга.

2. Сканнерийн микроскоп:

SPM дизайн;

SPM-ийн төрлүүд: STM, AFM;

SPM өгөгдлийн формат, SPM мэдээллийн дүрслэл.

3. SPM судалгаанд зориулж дээж бэлтгэх:

бактерийн эсийн морфологи, бүтэц;

SPM ашиглан морфологийг судлах бэлтгэлийг бэлтгэх.

4. NanoEducator SPM-ийн дизайн, хяналтын програмын танилцуулга.

5. SPM дүрсийг олж авах.

6. Хүлээн авсан зургийг боловсруулах, дүн шинжилгээ хийх. SPM зургийн тоон шинж чанар.

Биологийн объектын морфологийг судлах арга

Эсийн диаметр нь 10  20 μм, бактери нь 0.5-аас 3  5 μм, эдгээр утгууд нь нүцгэн нүдэнд харагдах хамгийн жижиг тоосонцороос 5 дахин бага байдаг. Тиймээс оптик микроскоп гарч ирсний дараа л эсийн анхны судалгаа хийх боломжтой болсон. 17-р зууны төгсгөлд. Антонио ван Левенгук анхны оптик микроскопыг хийсэн бөгөөд үүнээс өмнө хүмүүс эмгэг төрүүлэгч бичил биетүүд, бактери байдаг гэж сэжиглэж байгаагүй. 7 -1].

Оптик микроскоп

Эсийг судлахад хүндрэлтэй байгаа нь тэдгээр нь өнгөгүй, тунгалаг байдагтай холбоотой тул тэдгээрийн үндсэн бүтцийг практикт будагч бодис нэвтрүүлсний дараа л нээжээ. Будаг нь зургийн хангалттай тодосгогчийг хангасан. Оптик микроскоп ашиглан та бие биенээсээ 0.2 μм зайтай объектуудыг ялгаж чадна, өөрөөр хэлбэл. Оптик микроскопоор ялгах боломжтой хамгийн жижиг объект бол бактери ба митохондри юм. Жижиг эсийн элементүүдийн дүрс нь гэрлийн долгионы шинж чанараас үүдэлтэй нөлөөллөөс болж гажсан байдаг.

Урт хугацааны бэлдмэлийг бэлтгэхийн тулд эсийг хөдөлгөөнгүй болгож, хадгалахын тулд бэхэлгээний бодисоор эмчилдэг. Нэмж дурдахад, бэхэлгээ нь эсийн будагны хүртээмжийг нэмэгдүүлдэг, учир нь Эсийн макромолекулууд хоорондоо харилцан уялдаатай байдаг ба энэ нь тодорхой байрлалд тогтворжуулж, тогтооно. Ихэнх тохиолдолд альдегид ба спирт нь бэхэлгээний үүрэг гүйцэтгэдэг (жишээлбэл, глутаральдегид эсвэл формальдегид нь уургийн чөлөөт амин бүлэг, хөрш зэргэлдээх молекулуудтай ковалент холбоо үүсгэдэг). Тогтсоны дараа эдийг ихэвчлэн маш нимгэн хэсгүүдэд (1-10 мкм зузаантай) микротомоор зүсэж, дараа нь шилэн слайд дээр байрлуулна. Бэлтгэх энэ арга нь эс эсвэл макромолекулын бүтцийг гэмтээж болзошгүй тул хурдан хөлдөөх нь илүү тохиромжтой арга юм. Хөлдөөсөн эдийг хүйтэн камерт суурилуулсан микротомоор таслав. Хэсэгүүдийг бэлтгэсний дараа эсүүд будагдсан байна. Энэ зорилгоор органик будаг (малахит ногоон, хар судан гэх мэт) голчлон ашигладаг. Тэд тус бүр нь эсийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд тодорхой хамаарлаар тодорхойлогддог, жишээлбэл, гематоксилин нь сөрөг цэнэгтэй молекулуудтай холбоотой байдаг тул эсэд ДНХ илрүүлэх боломжийг олгодог. Хэрэв эсэд тодорхой молекул бага хэмжээгээр агуулагддаг бол флюресцент микроскопийг ашиглах нь хамгийн тохиромжтой.

Флюресцент микроскоп

Флюресцент будаг нь нэг долгионы урттай гэрлийг шингээж, өөр урт долгионы урттай гэрлийг ялгаруулдаг. Хэрэв ийм бодисыг долгионы урт нь будаг шингээсэн гэрлийн долгионы урттай таарч байгаа гэрлээр цацруулж, дараа нь будагч бодисоос ялгарах гэрлийн долгионы урттай гэрлийг дамжуулдаг шүүлтүүрийг шинжилгээнд ашиглавал флюресцент молекулыг илрүүлж болно. харанхуй талбайд гэрэлтэх замаар. Ялгарсан гэрлийн өндөр эрчим нь ийм молекулуудын онцлог шинж юм. Флюресцент будагч бодис ашиглан эсийг будах нь тусгай флюресцент микроскопыг ашиглах явдал юм. Энэ микроскоп нь ердийн оптик микроскоптой төстэй боловч хүчирхэг гэрэлтүүлэгчийн гэрэл нь хоёр багц шүүлтүүрээр дамждаг - нэг нь доторх гэрэлтүүлэгчийн цацрагийг зогсооход зориулагдсан. дээжийн урд, нөгөө нь дээжээс хүлээн авсан гэрлийг шүүнэ. Эхний шүүлтүүрийг зөвхөн тодорхой флюресцент будгийг өдөөдөг долгионы уртын гэрлийг дамжуулдаг байдлаар сонгосон; Үүний зэрэгцээ, хоёр дахь шүүлтүүр нь энэ туссан гэрлийг хааж, флюресцент үүсэх үед будагнаас ялгарах долгионы урттай гэрлийг дамжуулдаг.

Флюресценцийн микроскопийг ихэвчлэн флюресцент будагч бодисуудтай ковалент байдлаар холбосны дараа флюресцент болж хувирдаг тодорхой уураг эсвэл бусад молекулуудыг тодорхойлоход ашигладаг. Энэ зорилгоор ихэвчлэн хоёр будаг хэрэглэдэг - флюресцен,цайвар цэнхэр гэрлээр өдөөх үед хүчтэй шар-ногоон флюресцент үүсгэдэг, ба родамин,шар-ногоон гэрлээр өдөөгдсөний дараа хар улаан флюресцент үүсгэдэг. Флуоресцеин ба родаминыг будахад ашигласнаар янз бүрийн молекулуудын тархалтыг олж авах боломжтой.

Харанхуй талбайн микроскоп

Эсийн бүтцийн нарийн ширийн зүйлийг харах хамгийн хялбар арга бол эсийн янз бүрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тархсан гэрлийг ажиглах явдал юм. Харанхуй талбайн микроскопод гэрэлтүүлэгчийн туяа хажуу талаас нь чиглэгддэг бөгөөд зөвхөн тархсан туяа микроскопын линз рүү ордог. Үүний дагуу эс нь харанхуй талбар дээр гэрэлтсэн объект шиг харагдаж байна. Харанхуй талбайн микроскопийн гол давуу талуудын нэг нь хуваагдах, шилжих явцад эсийн хөдөлгөөнийг ажиглах чадвар юм. Эсийн хөдөлгөөн нь ихэвчлэн маш удаан бөгөөд бодит цаг хугацаанд ажиглахад хэцүү байдаг. Энэ тохиолдолд кадр бүрээр (цаг хугацааны хоцрогдолтой) бичил зураг авалт эсвэл видео бичлэгийг ашигладаг. Дараалсан фрэймүүд нь цаг хугацааны хувьд хуваагддаг боловч бичлэгийг хэвийн хурдтайгаар дахин тоглуулах үед бодит үйл явдлын зураг хурдасдаг.

Сүүлийн жилүүдэд видео камер болон холбогдох дүрс боловсруулах технологи нь оптик микроскопийн чадварыг ихээхэн сайжруулсан. Тэдгээрийн ашиглалтын ачаар хүний ​​физиологийн онцлогоос үүдэлтэй бэрхшээлийг даван туулах боломжтой болсон. Тэдгээр нь:

1. Хэвийн нөхцөлд нүд нь маш сул гэрлийг бүртгэдэггүй.

2. Нүд нь тод дэвсгэр дээр гэрлийн эрчмийн бага зэргийн ялгааг илрүүлэх чадваргүй байдаг.

Эдгээр асуудлуудын эхнийх нь микроскопод хэт өндөр мэдрэмжтэй видео камер нэмсний дараа даван туулсан. Энэ нь гэрэл багатай нөхцөлд эсийг удаан хугацаанд ажиглах боломжтой болгож, хурц гэрэлд удаан хугацаагаар өртөхийг арилгасан. Амьд эс дэх флюресцент молекулуудыг судлахад дүрслэх систем онцгой чухал юм. Видео камер нь цахим дохио хэлбэрээр дүрсийг бүтээдэг тул түүнийг тоон дохио болгон хувиргаж, компьютерт илгээж, дараа нь далд мэдээллийг задлахын тулд цааш боловсруулж болно.

Компьютерийн интерференцийн микроскопоор олж болох өндөр тодосгогч нь гэрлийн долгионы уртын аравны нэгээс бага (0.025 мкм) диаметртэй бичил гуурсан хоолой гэх мэт маш жижиг объектуудыг ч ажиглах боломжийг олгодог. Бие даасан микротубулуудыг флюресцент микроскоп ашиглан харж болно. Гэсэн хэдий ч, энэ хоёр тохиолдолд дифракцийн нөлөөлөл нь зайлшгүй бөгөөд дүрсийг ихээхэн өөрчилдөг. Энэ тохиолдолд микротубулын диаметрийг хэт их үнэлдэг (0.2 мкм) нь бие даасан микротубулуудыг хэд хэдэн микротубулын багцаас ялгах боломжийг олгодоггүй. Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд электрон микроскоп хэрэгтэй бөгөөд түүний нарийвчлалын хязгаар нь харагдах гэрлийн долгионы уртаас хол шилждэг.

Электрон микроскоп

Долгионы урт ба нарийвчлалын хязгаар хоорондын хамаарал нь электронуудын хувьд ч мөн адил байна. Гэсэн хэдий ч электрон микроскопын хувьд нарийвчлалын хязгаар нь дифракцийн хязгаараас хамаагүй бага байдаг. Электроны хурд нэмэгдэх тусам долгионы урт багасдаг. 100,000 В хүчдэлтэй электрон микроскопод электрон долгионы урт 0.004 нм байна. Онолоор бол ийм микроскопын нарийвчлал нь 0.002 нм байна. Гэсэн хэдий ч бодит байдал дээр электрон линзний тоон нүхний хэмжээ бага байдаг тул орчин үеийн электрон микроскопуудын нарийвчлал нь хамгийн сайндаа 0.1 нм байна. Дээж бэлтгэхэд тулгарч буй бэрхшээл, цацрагийн гэмтэл нь биологийн объектын хувьд 2 нм (гэрлийн микроскопоос 100 дахин их) байдаг хэвийн нарийвчлалыг эрс бууруулдаг.

Электроны эх үүсвэр дамжуулах электрон микроскоп (TEM)нь хоёр метр орчим өндөр цилиндр баганын оройд байрлах катодын утас юм. Агаарын молекулуудтай мөргөлдөх үед электрон тархахаас зайлсхийхийн тулд баганад вакуум үүсдэг. Катодын утаснаас ялгарах электронууд нь ойролцоох анодоор хурдасч, жижиг нүхээр дамжин баганын ёроол руу дамждаг электрон цацраг үүсгэдэг. Баганын дагуу тодорхой зайд электрон цацрагийг төвлөрүүлдэг цагираг соронзууд байдаг, жишээлбэл, оптик микроскопоор гэрлийн туяаг төвлөрүүлдэг шилэн линз. Дээжийг электрон цацрагийн замд агаарын түгжээгээр дамжуулан баганын дотор байрлуулна. Дээжээр дамжин өнгөрөх үед электронуудын нэг хэсэг нь энэ хэсэгт байгаа бодисын нягтын дагуу тархаж, үлдсэн электронууд нь төвлөрч, дүрс үүсгэдэг (оптик микроскопоор дүрс үүсэхтэй төстэй) гэрэл зургийн хавтан эсвэл фосфорын дэлгэц дээр.

Электрон микроскопийн хамгийн том сул тал бол биологийн дээжийг тусгай боловсруулалтанд оруулах ёстой. Нэгдүгээрт, тэдгээрийг эхлээд глутаральдегид, дараа нь липид, уургийн давхар давхаргыг холбож, тогтворжуулдаг осмийн хүчлээр тогтооно. Хоёрдугаарт, электронууд нэвтрэх чадвар багатай тул хэт нимгэн зүсэлт хийх шаардлагатай бөгөөд үүний тулд дээжийг усгүйжүүлж, давирхайгаар шингээдэг. Гуравдугаарт, тодосгогчийг нэмэгдүүлэхийн тулд дээжийг осми, уран, хар тугалга зэрэг хүнд металлын давсаар эмчилдэг.

Гадаргуугийн гурван хэмжээст дүрсийг авахын тулд үүнийг ашигладаг сканнерийн электрон микроскоп (SEM), энэ нь дээжийн гадаргуугаас тархсан эсвэл ялгарсан электронуудыг ашигладаг. Энэ тохиолдолд дээжийг бэхэлж, хатааж, хүнд металлын нимгэн хальсаар бүрхэж, дараа нь нарийн электрон цацрагаар сканнердсан байна. Энэ тохиолдолд гадаргуугийн цацрагийн үед тархсан электронуудын тоог тооцоолно. Хүлээн авсан утгыг хоёр дахь цацрагийн эрчмийг хянахад ашигладаг бөгөөд энэ нь эхнийхтэй синхроноор хөдөлж, дэлгэцийн дэлгэц дээр дүрс үүсгэдэг. Аргын нарийвчлал нь ойролцоогоор 10 нм бөгөөд эсийн доторх органеллуудыг судлахад тохиромжгүй. Энэ аргаар судалсан дээжийн зузааныг электронуудын нэвтрэх чадвар эсвэл тэдгээрийн энергиээр тодорхойлно.

Эдгээр бүх аргын гол бөгөөд мэдэгдэхүйц сул тал нь дээж бэлтгэх хугацаа, нарийн төвөгтэй байдал, өндөр өртөг юм.

Сканнерийн микроскоп

Сканнерийн датчикийн микроскоп (SPM) -д электрон цацраг эсвэл оптик цацрагийн оронд дээжийн гадаргууг сканнердахдаа хурц датчик, зүү ашигладаг. Дүрслэлээр хэлбэл, хэрэв дээжийг оптик эсвэл электрон микроскопоор шалгавал SPM-д мэдрэгддэг гэж хэлж болно. Үүний үр дүнд вакуум, агаар, шингэн зэрэг янз бүрийн орчинд объектын гурван хэмжээст дүрсийг авах боломжтой.

Биологийн судалгаанд тохируулсан тусгай SPM загварууд нь янз бүрийн шингэн орчинд амьд эсүүд болон агаар дахь суурин бэлдмэлүүдийг хоёуланг нь сканнердах оптик ажиглалтыг нэгэн зэрэг хийх боломжийг олгодог.

Сканнерийн микроскоп

Сканнердах датчикийн микроскопын нэр нь түүний ажиллах зарчмыг тусгасан болно - дээжийн гадаргууг сканнердах бөгөөд энэ үед датчикийн гадаргуутай харилцан үйлчлэлийн түвшинг цэгээр нь уншдаг. Сканнердах талбайн хэмжээ болон доторх цэгийн тоог N X ·N Y зааж өгч болно. Илүү олон цэгийг зааж өгөх тусам гадаргуугийн дүрсийг илүү өндөр нарийвчлалтай авах болно. Дохио унших цэгүүдийн хоорондох зайг сканнердах давтамж гэж нэрлэдэг. Сканнердах алхам нь судалж буй гадаргуугийн дэлгэрэнгүй мэдээллээс бага байх ёстой. Сорьц нь сканнердах явцад (7-1-р зургийг үз) урагш ба урвуу чиглэлд (хурдан сканнердах чиглэлд) шугаман хөдөлж, дараагийн шугам руу шилжих нь перпендикуляр чиглэлд (удаан чиглэлд) явагддаг. сканнердах).

Цагаан будаа. 7 1. Сканнердах үйл явцын бүдүүвч дүрслэл
(сканнер урагшлах үед дохио уншина)

Уншиж буй дохионы шинж чанараас хамааран сканнердах микроскопууд өөр өөр нэр, зорилготой байдаг.

атомын хүчний микроскоп (AFM), датчикийн атом ба дээжийн атомуудын хоорондын атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчийг уншина;

туннелийн микроскоп (STM), дамжуулагч дээж ба дамжуулагч датчик хооронд урсаж буй хонгилын гүйдлийг уншдаг;

соронзон хүчний микроскоп (MFM), соронзон материалаар бүрсэн датчик ба соронзон шинж чанарыг илрүүлэх дээжийн хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчийг уншина;

Цахилгаан статик хүчний микроскоп (ESM) нь дээжийн гадаргуу дээрх цахилгаан потенциалын тархалтын зургийг авах боломжийг олгодог. Үзүүр нь нимгэн дамжуулагч хальс (алт эсвэл цагаан алт) бүрсэн датчикийг ашигладаг.

SPM дизайн

SPM нь дараах үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс бүрдэнэ (Зураг 7 -2): датчик, X, Y, Z дахь датчикийг судалж буй дээжийн гадаргуу дээгүүр хөдөлгөх пьезо цахилгаан идэвхжүүлэгч, эргэх холбоо бүхий хэлхээ, сканнерыг хянах компьютер. үйл явц ба зураг авах.

Зураг 7 2. Сканнерийн датчик микроскопын бүдүүвч

Мэдрэгч мэдрэгч – сорьцыг сканнердах хүч хэмжигч микроскопын бүрэлдэхүүн хэсэг. Сорьцын мэдрэгч нь тэгш өнцөгт (I хэлбэрийн) эсвэл гурвалжин (V хэлбэртэй) хэлбэрийн консол (хүргийн консол) агуулдаг (Зураг 7 -3), төгсгөлд нь үзүүртэй датчик байдаг (Зураг 7 -3). , ихэвчлэн конус эсвэл пирамид хэлбэртэй байдаг. Консолын нөгөө төгсгөл нь субстраттай (чип гэж нэрлэгддэг) холбогдсон байна. Сорьцын мэдрэгч нь цахиур эсвэл цахиурын нитридээр хийгдсэн байдаг. Консолын гол шинж чанар нь хүчний тогтмол (хөшүүн байдлын тогтмол) бөгөөд энэ нь 0.01 Н/м-ээс 1020 Н/м хооронд хэлбэлздэг. Биологийн объектуудыг судлахын тулд 0.01  0.06 Н/м хатуулагтай “зөөлөн” зондуудыг ашигладаг.

Цагаан будаа. 7 3. Пирамид хэлбэрийн AFM датчик мэдрэгчийн зураг
электрон микроскоп ашиглан олж авсан:
a – I хэлбэрийн төрөл, б – V хэлбэрийн төрөл, в – консолын үзүүр дэх пирамид

Пьезоэлектрик идэвхжүүлэгч эсвэл сканнерууд - хэт богино зайд датчиктай харьцуулахад дээж эсвэл дээжийн өөрөө хяналттай хөдөлгөөнд зориулагдсан. Пьезоэлектрик идэвхжүүлэгчид нь цахилгаан хүчдэл хэрэглэх үед хэмжээ нь өөрчлөгддөг пьезоцерамик материалыг ашигладаг. Цахилгаан орны нөлөөн дор геометрийн параметрүүдийг өөрчлөх үйл явцыг урвуу пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг. Хамгийн түгээмэл пьезоматериал бол хар тугалганы цирконатын титанат юм.

Сканнер нь x, y (дээжийн хажуугийн хавтгайд) ба z (босоо) гэсэн гурван координатын дагуу хөдөлгөөнийг хангадаг пьезоцерамик бүтэц юм. Хэд хэдэн төрлийн сканнер байдаг бөгөөд тэдгээрийн хамгийн түгээмэл нь tripod болон хоолойн сканнер юм (Зураг 7-4).

Цагаан будаа. 7 4. Сканнерийн загвар: a) – tripod, b) – гуурсан хоолой

Tripod сканнерт гурван координатын дагуух хөдөлгөөнийг гурван бие даасан пьезоцерамик саваагаар хангадаг бөгөөд энэ нь ортогональ бүтэц үүсгэдэг.

Хоолой хэлбэртэй сканнерт хөндий пьезоэлектрик хоолой нь XZ ба ZY хавтгайд нугалж, хоолойн хөдөлгөөнийг хянадаг электродуудад тохирох хүчдэл хэрэглэх үед Z тэнхлэгийн дагуу өргөсдөг эсвэл агшдаг. XY хавтгайд хөдөлгөөнийг хянах электродууд нь Z-ийн хөдөлгөөнийг хянахын тулд хоолойн гаднах гадаргуу дээр байрладаг бөгөөд X ба Y электродуудад ижил хүчдэлийг хэрэглэнэ.

Санал хүсэлтийн хэлхээ – SPM элементүүдийн багц, тэдгээрийн тусламжтайгаар сканнердах явцад датчик нь дээжийн гадаргуугаас тодорхой зайд байрладаг (Зураг 7 -5). Сканнердах процессын явцад датчик нь янз бүрийн топограф бүхий дээжийн гадаргуугийн хэсгүүдэд байрлаж болох ба энэ тохиолдолд датчик-дээжийн зай Z өөрчлөгдөх ба үзүүр ба дээжийн харилцан үйлчлэлийн хэмжээ ч өөрчлөгдөнө.

Цагаан будаа. 7 5. Сканнерийн датчик микроскопын эргэх хэлхээ

Сорьц гадаргууд ойртох тусам датчик ба дээжийн харилцан үйлчлэлийн хүч нэмэгдэж, бичлэг хийх төхөөрөмжөөс ирэх дохио мөн нэмэгддэг. В(т), аль хүчдэлийн нэгжээр илэрхийлнэ. Харьцуулагч нь дохиог харьцуулдаг В(т) жишиг хүчдэлтэй В дэмжиж байнамөн залруулах дохиог үүсгэдэг В сурвалжлагч. Залруулгын дохио В сурвалжлагчнь сканнерт тэжээгдэж, сорьцыг дээжээс татаж авдаг. Лавлах хүчдэл нь датчик нь дээжээс тодорхой зайд байх үед бичлэг хийх төхөөрөмжөөс ирэх дохионд тохирох хүчдэл юм. Сканнердах явцад датчик-дээжийн заасан зайг барьснаар санал хүсэлтийн систем нь заасан сорьц-дээжийн харилцан үйлчлэлийн хүчийг хадгалдаг.

Цагаан будаа. 7 6. Санал хүсэлтийн системээр үзүүр ба дээжийн харилцан үйлчлэлийн тогтмол хүчийг хадгалах үйл явц дахь датчикийн харьцангуй хөдөлгөөний замнал.

Зураг дээр. 7 -6 нь датчик- дээжийн харилцан үйлчлэлийн хүчийг тогтмол байлгахын зэрэгцээ дээжтэй харьцуулахад датчикийн траекторийг харуулж байна. Хэрэв датчик нь нүхний дээгүүр байвал сканнер дээр хүчдэл өгдөг бөгөөд энэ нь сканнерыг сунгаж, датчикийг доошлуулдаг.

Санал хүсэлтийн хэлхээний мэдрэгч ба дээжийн зайны өөрчлөлтөд хариу өгөх хурдыг (зонд-дээжийн харилцан үйлчлэл) санал хүсэлтийн хэлхээний тогтмолоор тодорхойлно. К. Үнэ цэнэ КЭнэ нь тодорхой SPM-ийн дизайны онцлог (сканнер, электроникийн дизайн ба шинж чанар), SPM-ийн ажиллах горим (сканнердах талбайн хэмжээ, сканнердах хурд гэх мэт), түүнчлэн судалж буй гадаргуугийн шинж чанараас хамаарна. (тусламжийн шинж чанарын масштаб, материалын хатуулаг гэх мэт).

SPM-ийн төрлүүд

Сканнердах хонгилын микроскоп

STM-д бичлэг хийх төхөөрөмж (Зураг 7 -7) нь дээжийн гадаргуу дээрх потенциал болон түүний гадаргуугийн топографаас хамаарч өөр өөр байдаг металл датчик хооронд урсах туннелийн гүйдлийг хэмждэг. Зонд нь хурц үзүүртэй зүү бөгөөд үзүүрийн радиус нь хэд хэдэн нанометр хүрч чаддаг. Өндөр хатуулаг, химийн эсэргүүцэлтэй металыг ихэвчлэн датчик материал болгон ашигладаг: вольфрам эсвэл цагаан алт.

Цагаан будаа. 7 7. Хонгилын датчик мэдрэгчийн схем

Дамжуулагч датчик ба дамжуулагч дээжийн хооронд хүчдэлийг хэрэглэнэ. Сорьцын үзүүр нь дээжээс ойролцоогоор 10А зайд байх үед дээжээс электронууд хүчдэлийн тэмдгээс хамаарч датчик руу эсвэл эсрэгээр цоорхойгоор нэвтэрч эхэлдэг (Зураг 7 - 8).

Цагаан будаа. 7 8. Сорьцтой датчикийн үзүүрийн харилцан үйлчлэлийн бүдүүвч зураг

Үүссэн хонгилын гүйдлийг бичлэгийн төхөөрөмжөөр хэмждэг. Түүний хэмжээ I Тхонгилын контактын хүчдэлтэй пропорциональ Вба зүүгээс дээж хүртэлх зайнаас экспоненциал хамааралтай г.

Тиймээс датчикийн үзүүрээс дээж хүртэлх зайд бага зэрэг өөрчлөлт гардаг гхонгилын гүйдлийн экспоненциал их өөрчлөлттэй тохирч байна I Т(хүчдэл гэж үзвэл Втогтмол байлгах). Үүнээс болж хонгилын мэдрэгчийн мэдрэмж нь 0.1 нм-ээс бага өндрийн өөрчлөлтийг илрүүлэхэд хангалттай бөгөөд ингэснээр хатуу биетийн гадаргуу дээрх атомуудын дүрсийг олж авдаг.

Атомын хүчний микроскоп

Атомын хүчний харилцан үйлчлэлийн хамгийн түгээмэл мэдрэгч бол хаврын консол (Англи хэлнээс - консол) бөгөөд төгсгөлд нь датчик байрладаг. Дээж ба датчикийн хоорондох хүчний харилцан үйлчлэлийн үр дүнд үүссэн консол гулзайлтын хэмжээг (Зураг 7 -9) оптик бичлэгийн хэлхээг ашиглан хэмждэг.

Хүч мэдрэгчийн ажиллах зарчим нь датчикийн атом ба дээжийн атомуудын хооронд ажилладаг атомын хүчийг ашиглахад суурилдаг. Сорьцын хүч өөрчлөгдөхөд консолын гулзайлтын хэмжээ өөрчлөгддөг бөгөөд энэ өөрчлөлтийг оптик бичлэгийн системээр хэмждэг. Тиймээс атомын хүчний мэдрэгч нь өндөр мэдрэмжтэй хурц иртэй мэдрэгч бөгөөд энэ нь бие даасан атомуудын харилцан үйлчлэлийн хүчийг бүртгэх боломжийг олгодог.

Жижиг гулзайлтын хувьд датчик-дээжийн хүчний хоорондын хамаарал Фба консолын үзүүрийн хазайлт xХукийн хуулиар тодорхойлогддог:

Хаана к – консолын хүчний тогтмол (хөшүүн байдлын тогтмол).

Жишээлбэл, хэрэв тогтмол утгатай консол ашигласан бол к 1 н/м дарааллаар, дараа нь 0.1 nanonewton-ийн дарааллын үзүүр ба дээжийн харилцан үйлчлэлийн хүчний нөлөөн дор консолын хазайлтын хэмжээ ойролцоогоор 0.1 нм болно.

Ийм жижиг хөдөлгөөнийг хэмжихийн тулд хагас дамжуулагч лазер ба дөрвөн хэсэгтэй фотодиодоос бүрдсэн оптик шилжилтийн мэдрэгчийг (Зураг 7-9) ихэвчлэн ашигладаг. Консол гулзайлгах үед түүнээс туссан лазер туяа нь фотодетекторын төвтэй харьцуулахад хөдөлдөг. Тиймээс консолын гулзайлтыг фотодетекторын дээд (T) ба доод (B) хагасын гэрэлтүүлгийн харьцангуй өөрчлөлтөөр тодорхойлж болно.

Зураг 7 9. Эрчим хүчний мэдрэгчийн диаграмм

Зонд-дээжийн харилцан үйлчлэлийн хүчний хамаарал

Сорьцыг дээж рүү ойртуулах үед таталцлын хүч (ван дер Ваалсын хүч) байгаа тул эхлээд гадаргуу дээр татагдана. Зонд нь дээж рүү цааш ойртох тусам датчикийн төгсгөл дэх атомуудын электрон бүрхүүлүүд болон дээжийн гадаргуу дээрх атомууд давхцаж эхэлдэг бөгөөд энэ нь түлхэлтийн хүч үүсэхэд хүргэдэг. Зай улам багасах тусам түлхэх хүч давамгайлах болно.

Ерөнхийдөө атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчнээс хамаарал Фатомуудын хоорондох зай дээр Рхэлбэртэй байна:

.

Тогтмолууд аТэгээд бба илтгэгч мТэгээд nатомын төрөл, химийн бондын төрлөөс хамаарна. Ван дер Ваалсын хүчний хувьд м=7 ба n=3. Чанарын хувьд F(R) хамаарлыг Зураг дээр үзүүлэв. 7-10.

Цагаан будаа. 7 10. Атомуудын харилцан үйлчлэх хүчний зайнаас хамаарах хамаарал

SPM өгөгдлийн формат, SPM мэдээллийн дүрслэл

Оптик микроскопоор шалгах явцад олж авсан гадаргуугийн морфологийн талаархи мэдээллийг гадаргуугийн талбайн томруулсан дүрс хэлбэрээр үзүүлэв. SPM ашиглан олж авсан мэдээллийг A ij бүхэл тоонуудын хоёр хэмжээст массив хэлбэрээр бичнэ. Утга бүр ij сканнердах талбар дахь тодорхой гадаргуугийн цэгтэй тохирч байна. Энэхүү массив тоонуудын график дүрслэлийг SPM сканнердсан зураг гэж нэрлэдэг.

Сканнердсан зураг хоёр хэмжээст (2D) эсвэл гурван хэмжээст (3D) байж болно. 2D дүрслэлээр гадаргуугийн цэг бүр Z= е(x,y) гадаргуугийн цэгийн өндрийн дагуу тодорхой өнгөний аяыг хуваарилдаг (Зураг 7 -11 а). 3D дүрслэлд гадаргуугийн дүрс Z= е(x,y) нь тооцоолсон пиксел эсвэл тусламжийн шугамын тодорхой аргыг ашиглан аксонометрийн хэтийн төлөвт баригдсан. 3 хэмжээст дүрсийг өнгөөр ​​ялгах хамгийн үр дүнтэй арга бол гадаргуугаас дээш орон зайн аль нэг цэгт байрлах цэгийн эх үүсвэрээр гадаргууг гэрэлтүүлэх нөхцөлийг дуурайх явдал юм (Зураг 7 -11 б). Үүний зэрэгцээ тусламжийн бие даасан жижиг шинж чанарыг онцлон тэмдэглэх боломжтой.

Цагаан будаа. 7 11. Хүний цусан дахь лимфоцит:
a) 2D дүрс, б) Хажуугийн гэрэлтүүлэгтэй 3D дүрс

SPM шинжилгээнд дээж бэлтгэх

Бактерийн эсийн морфологи ба бүтэц

Бактери нь олон янзын хэлбэр, нарийн төвөгтэй бүтэцтэй нэг эст бичил биетүүд бөгөөд тэдгээрийн үйл ажиллагааны олон талт байдлыг тодорхойлдог. Бактери нь бөмбөрцөг (бөмбөрцөг), цилиндр (саваа хэлбэртэй), мушгирсан, судалтай гэсэн дөрвөн үндсэн хэлбэрээр тодорхойлогддог [Ref. 7 -2].

Кокк (бөмбөрцөг бактери) - хуваагдах хавтгай, хувь хүмүүсийн байршлаас хамааран тэдгээрийг микрококк (тусдаа коккууд), диплококк (хосолсон коккууд), стрептококк (коккуудын гинж), стафилококк (усан үзэм хэлбэртэй), тетракокк () гэж хуваадаг. дөрвөн кокк) ба сарцина (8 эсвэл 16 коккийн багц).

Саваа хэлбэртэй - бактери нь нэг эс, дипло- эсвэл стрептобактери хэлбэрээр байрладаг.

Эрчилсэн - вибрион, спирилла, спирохета. Вибрио нь бага зэрэг муруй саваа хэлбэртэй, спирилла нь хэд хэдэн спираль буржгар буржгар хэлбэртэй байдаг.

Бактерийн хэмжээ 0.1-10 микрон хооронд хэлбэлздэг. Бактерийн эсийн найрлагад капсул, эсийн хана, цитоплазмын мембран, цитоплазм орно. Цитоплазм нь нуклеотид, рибосом, нэгдлүүдийг агуулдаг. Зарим бактери нь туг, хавчаараар тоноглогдсон байдаг. Олон тооны бактери нь спор үүсгэдэг. Эсийн анхны хөндлөн хэмжээнээс хэтэрсэн спорууд нь булны хэлбэртэй хэлбэрийг өгдөг.

Оптик микроскопоор бактерийн морфологийг судлахын тулд тэдгээрээс уугуул (интравитал) бэлдмэл эсвэл анилин будгаар будсан тогтмол түрхэц бэлтгэдэг. Туг, эсийн хана, нуклеотид, цитоплазмын янз бүрийн орцыг тодорхойлох тусгай будах аргууд байдаг.

Бактерийн эсийн морфологийн SPM шинжилгээнд бэлдмэлийг будах шаардлагагүй. SPM нь бактерийн хэлбэр, хэмжээг өндөр нарийвчлалтайгаар тодорхойлох боломжийг олгодог. Мансууруулах бодисыг сайтар бэлдэж, бага зэрэг муруйлтын радиустай датчикийг ашигласнаар тугуудыг тодорхойлох боломжтой. Үүний зэрэгцээ, бактерийн эсийн хана нь маш хатуу байдаг тул зарим амьтны эсэд хийж болохуйц эсийн доторх бүтцийг "шинжилгээ" хийх боломжгүй юм.

Морфологийн SPM судалгаанд бэлтгэх бэлтгэл

SPM-тэй ажиллах анхны туршлагаасаа нарийн төвөгтэй бэлтгэл шаарддаггүй биологийн бэлдмэлийг сонгохыг зөвлөж байна. Даршилсан байцааны давсны уусмал эсвэл исгэсэн сүүн бүтээгдэхүүнээс амархан хүртээмжтэй, эмгэг төрүүлэгчгүй сүүн хүчлийн бактери нь маш тохиромжтой.

Агаар дахь SPM-ийн судалгаа хийхийн тулд судалж буй объектыг субстратын гадаргуу дээр, жишээлбэл, бүрхүүлийн шилэн дээр бэхлэх шаардлагатай. Нэмж дурдахад, суспенз дэх бактерийн нягт нь субстрат дээр хуримтлагдах үед эсүүд хоорондоо наалдахгүй байх ёстой бөгөөд тэдгээрийн хоорондох зай нь хэт том байх ёсгүй бөгөөд ингэснээр сканнердах явцад хэд хэдэн объектыг нэг кадрт авах боломжтой байх ёстой. . Дээж бэлтгэх горимыг зөв сонгосон тохиолдолд эдгээр нөхцөл хангагдсан болно. Хэрэв та нян агуулсан уусмалын дусал дуслыг субстратад түрхвэл тэдгээрийн аажмаар хуримтлагдаж, наалдац үүсэх болно. Үндсэн үзүүлэлтүүдийг уусмал дахь эсийн концентраци, тунадасжилтын хугацааг харгалзан үзэх шаардлагатай. Суспенз дэх бактерийн концентрацийг оптик булингартай байдлын стандартыг ашиглан тодорхойлно.

Манай тохиолдолд зөвхөн нэг параметр нь үүрэг гүйцэтгэх болно - инкубацийн хугацаа. Шилэн дээр дусал удаан үлдэх тусам бактерийн эсийн нягтрал нэмэгддэг. Үүний зэрэгцээ, хэрэв шингэн дусал хатаж эхэлбэл бэлдмэл нь уусмалын тунадасны бүрэлдэхүүн хэсгүүдээр хэт их бохирдсон байх болно. Бактерийн эс (давсны уусмал) агуулсан уусмалын дуслыг таглаатай шилэнд түрхэж, 5-60 минутын турш (уусмалын найрлагаас хамаарч) үлдээнэ. Дараа нь дуслыг хатаахыг хүлээлгүйгээр нэрмэл усаар сайтар зайлна (бэлтгэлийг хясаагаар шилэнд хэд хэдэн удаа дүрнэ). Хатаах дараа бэлдмэлийг SPM ашиглан хэмжихэд бэлэн болно.

Жишээлбэл, бид даршилсан байцааны давсны уусмалаас сүүн хүчлийн бактерийн бэлдмэлийг бэлтгэсэн. Хавтасны шилэн дээр давсны уусмалд хадгалагдах хугацааг 5 минут, 20 минут, 1 цаг (дусал аль хэдийн хатаж эхэлсэн) байхаар сонгосон. SPM хүрээг Зураг дээр үзүүлэв. 7 -12, Зураг. 7 -13,
Цагаан будаа. 7-14.

Тоо баримтаас харахад энэ уусмалын хамгийн оновчтой инкубацийн хугацаа 510 минут байна. Субстратын гадаргуу дээр дуслыг хадгалах хугацааг нэмэгдүүлэх нь бактерийн эсийг наалдуулахад хүргэдэг. Уусмалын дусал хатаж эхлэхэд уусмалын бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь шилэн дээр хуримтлагддаг тул угааж болохгүй.

Цагаан будаа. 7 12. Хавтасны шилэн дээрх сүүн хүчлийн бактерийн зураг,
SPM ашиглан олж авсан.

Цагаан будаа. 7 13. Хавтасны шилэн дээрх сүүн хүчлийн бактерийн зураг,
SPM ашиглан олж авсан. Уусмалын инкубацийн хугацаа 20 минут

Цагаан будаа. 7 14. Хавтасны шилэн дээрх сүүн хүчлийн бактерийн зураг,
SPM ашиглан олж авсан. Уусмалын инкубацийн хугацаа 1 цаг

Сонгосон бэлдмэлүүдийн аль нэгийг ашиглан (Зураг 7-12) бид сүүн хүчлийн бактери гэж юу болох, энэ тохиолдолд тэдний хувьд ямар хэлбэрийг авч үзэхийг хичээсэн. (Зураг 7 -15)

Цагаан будаа. 7 15. Хавтасны шилэн дээрх сүүн хүчлийн бактерийн AFM дүрс.
Уусмалын инкубацийн хугацаа 5 минут

Цагаан будаа. 7 16. Хавтасны шилэн дээрх сүүн хүчлийн бактерийн гинжин хэлхээний AFM дүрс.
Уусмалын инкубацийн хугацаа 5 минут

Давсны уусмал нь саваа хэлбэртэй, гинжин хэлхээнд байрладаг бактериар тодорхойлогддог.

Цагаан будаа. 7 17. Боловсролын SPM NanoEducator-ийн хяналтын програмын цонх.
Хэрэгслийн самбар

NanoEducator боловсролын SPM програмын хэрэгслийг ашиглан бид бактерийн эсийн хэмжээг тодорхойлсон. Тэдгээр нь ойролцоогоор 0.5 × 1.6 микрон хооронд хэлбэлздэг
0.8 × 3.5 мкм хүртэл.

Хүлээн авсан үр дүнг Бержегийн бактери тодорхойлогчийн өгөгдлүүдтэй харьцуулсан болно [Lit. 7 -3].

Сүүн хүчлийн бактерийг лактобацилли (Lactobacillus) гэж ангилдаг. Эсүүд нь ихэвчлэн ердийн хэлбэртэй саваа хэлбэртэй байдаг. Саваа нь урт, заримдаа бараг кокоид, ихэвчлэн богино гинжтэй байдаг. Хэмжээ 0.5 - 1.2 X 1.0 - 10 микрон. Тэд маргаан үүсгэдэггүй; ховор тохиолдолд тэд хэвлийн хөндийн тугны улмаас хөдөлгөөнтэй байдаг. Байгаль орчинд өргөн тархсан, ялангуяа амьтан, ургамлын гаралтай хүнсний бүтээгдэхүүнд түгээмэл байдаг. Сүүн хүчлийн бактери нь хоол боловсруулах замын хэвийн микрофлорын нэг хэсэг юм. Даршилсан байцаа нь витаминаас гадна гэдэсний микрофлорыг сайжруулахад тустай гэдгийг хүн бүр мэддэг.

Сканнерийн микроскопын дизайн Нано сурган хүмүүжүүлэгч

Зураг дээр. 7 -18 нь хэмжих толгойн харагдах байдлыг харуулж байна SPM NanoEducatorмөн ашиглалтын явцад ашигласан төхөөрөмжийн үндсэн элементүүдийг зааж өгсөн болно.

Цагаан будаа. 7 18. NanoEducator SPM хэмжих толгойн харагдах байдал
1- суурь, 2- дээж эзэмшигч, 3- харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч, 4- мэдрэгчийг засах шураг,
Гараар оруулах 5 шураг, дээж бүхий сканнерыг хэвтээ хавтгайд шилжүүлэх 6 шураг, видео камертай 7 хамгаалалтын бүрхүүл

Зураг дээр. 7 -19-д хэмжих толгойн загварыг харуулав. 1-р суурь дээр дээж эзэмшигч 7 бүхий сканнер 8, датчик 2-т дээжийг гишгүүрийн мотор дээр тулгуурлан нийлүүлэх механизм байдаг. Боловсролын чиглэлээр SPM NanoEducatorдээжийг сканнерт хавсаргасан бөгөөд дээжийг суурин датчиктай харьцуулахад сканнердсан байна. Хүчний харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч 4 дээр суурилуулсан датчик 6-г мөн гараар нийлүүлэх эрэг 3 ашиглан дээж рүү авчрах боломжтой. Дээж дээрх судалгааны байршлын урьдчилсан сонголтыг 9-р шураг ашиглан гүйцэтгэнэ.

Цагаан будаа. 7 19. SPM NanoEducator-ийн дизайн: 1 – суурь, 2 – нийлүүлэлтийн механизм,
3 - гарын авлагын тэжээлийн шураг, 4 - харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч, 5 - мэдрэгчийг засах шураг, 6 - датчик,
7 – дээж эзэмшигч, 8 – сканнер, 9, 10 – сканнерыг дээжтэй хамт хөдөлгөх эрэг

Сургалт SPM NanoEducatorхэмжих толгой, SPM хянагч, кабелиар холбогдсон хяналтын компьютерээс бүрдэнэ. Микроскоп нь видео камераар тоноглогдсон. Урьдчилан өсгөгч рүү хөрвүүлсний дараа харилцан үйлчлэлийн мэдрэгчийн дохио SPM хянагч руу ордог. Ажлын менежмент SPM NanoEducator SPM хянагчаар дамжуулан компьютерээс хийгддэг.

Хүчний харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч ба датчик

Төхөөрөмж дотор Нано сурган хүмүүжүүлэгчмэдрэгч нь урттай пьезоцерамик хоолой хэлбэрээр хийгдсэн л=7 мм, диаметр г=1.2 мм ба хананы зузаан h=0,25 мм, нэг үзүүрээр нь хатуу бэхэлсэн. Хоолойн дотоод гадаргуу дээр дамжуулагч электродыг хэрэглэнэ. Хоолойн гадна талын гадаргуу дээр цахилгаан тусгаарлагчтай хагас цилиндр хэлбэртэй хоёр электродыг хэрэглэнэ. диаметртэй вольфрамын утас
100 мкм (Зураг 7 -20).

Цагаан будаа. 7 20. NanoEducator төхөөрөмжийн универсал мэдрэгчийн загвар

Зоног болгон ашигладаг утасны чөлөөт үзүүр нь цахилгаан химийн хурц үзүүртэй, муруйлтын радиус нь 0.2  0.05 мкм байна. Сорьц нь төхөөрөмжийн газардуулсан биед холбогдсон хоолойн дотоод электродтой цахилгаан контакттай байдаг.

Пьезоэлектрик хоолой дээр хоёр гадаад электрод байгаа нь пьезоэлектрик хоолойн нэг хэсгийг (дээд, 7-21-р зурагт заасны дагуу) хүчний харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч (механик чичиргээ мэдрэгч) болгон, нөгөө хэсгийг нь ашиглах боломжийг олгодог. пьезо чичиргээний хувьд. Хувьсах цахилгаан хүчдэлийг хүч мэдрэгчийн резонансын давтамжтай тэнцүү давтамжтайгаар пьезовибраторт нийлүүлдэг. Сорьцын том зайд хэлбэлзлийн далайц хамгийн их байна. Зураг дээрээс харж болно. 7 -22, хэлбэлзлийн процессын үед датчик тэнцвэрийн байрлалаасаа албадан механик хэлбэлзлийн далайцтай тэнцэх A o хэмжээгээр хазайдаг (энэ нь микрометрийн нэг хэсэг), харин хоёр дахь хэсэгт ээлжлэн цахилгаан хүчдэл гарч ирдэг. төхөөрөмжөөр хэмжигддэг датчикийн шилжилттэй пропорциональ пьезотубын хэсэг (хэлбэлзлийн мэдрэгч).

Сорьцын гадаргууд ойртох үед датчик нь хэлбэлзлийн үед дээжинд хүрч эхэлдэг. Энэ нь гадаргуугаас хол зайд хэмжсэн AFC-тэй харьцуулахад мэдрэгчийн хэлбэлзлийн далайц-давтамжийн хариу (AFC) зүүн тийш шилжихэд хүргэдэг (Зураг 7 -22). Пьезотубын албадан хэлбэлзлийн давтамж нь тогтмол бөгөөд чөлөөт төлөвт хэлбэлзлийн давтамж  o-тэй тэнцүү байх тул датчик гадаргууд ойртох үед түүний хэлбэлзлийн далайц багасч A-тай тэнцүү болно. Энэхүү хэлбэлзлийн далайц бүртгэгдэнэ. piezotube-ийн хоёр дахь хэсгээс.

Цагаан будаа. 7 21. Пьезоэлектрик хоолойн ажиллах зарчим
хүчний харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч болгон

Цагаан будаа. 7 22. Хүч мэдрэгчийн хэлбэлзлийн давтамжийг өөрчлөх
дээжийн гадаргуу дээр ойртох үед

Сканнер

Төхөөрөмжид ашигласан бичил хөдөлгөөнийг зохион байгуулах арга Нано сурган хүмүүжүүлэгч, периметрийн эргэн тойронд хавчих металл мембраныг ашиглахад үндэслэсэн бөгөөд гадаргуу дээр пьезоэлектрик хавтанг наасан байна (Зураг 7 -23 a). Хяналтын хүчдэлийн нөлөөн дор пьезоэлектрик хавтангийн хэмжээсийг өөрчлөх нь мембраныг гулзайлгахад хүргэдэг. Ийм мембраныг кубын гурван перпендикуляр тал дээр байрлуулж, тэдгээрийн төвийг металл түлхэгчээр холбосноор та 3 координатын сканнерыг авч болно (Зураг 7 -23 б).

Цагаан будаа. 7 23. NanoEducator төхөөрөмжийн сканнерын ажиллах зарчим (а) ба дизайн (б)

Шоо 2-ын нүүрэн дээр бэхлэгдсэн пьезоэлектрик элемент 1 бүр нь түүнд цахилгаан хүчдэл өгөх үед түүнд бэхлэгдсэн түлхэгч 3-ыг харилцан перпендикуляр гурван чиглэлд - X, Y эсвэл Z-ийн аль нэгээр нь хөдөлгөж болно. зураг, бүх гурван түлхэгч нэг цэгт холбогдсон байна 4 Зарим ойролцоогоор тооцоолсноор энэ цэг X, Y, Z гурван координатын дагуу хөдөлдөг гэж үзэж болно. Дээж эзэмшигч 6-тай тавиур 5 нь ижил цэг дээр бэхлэгдсэн тул дээж нь гурван бие даасан хүчдэлийн эх үүсвэрийн нөлөөн дор гурван координатын дагуу хөдөлдөг. Төхөөрөмжүүдэд Нано сурган хүмүүжүүлэгчдээжийн хамгийн их хөдөлгөөн нь ойролцоогоор 5070 мкм бөгөөд энэ нь сканнердах хамгийн их талбайг тодорхойлдог.

Сорьцыг түүвэрт автоматаар ойртуулах механизм (санал хүсэлтийг авах)

Сканнерын Z тэнхлэгийн дагуух хөдөлгөөний хүрээ нь ойролцоогоор 10 мкм байдаг тул сканнердахын өмнө энэ зайд датчикийг дээжинд ойртуулах шаардлагатай. Нийлүүлэлтийн механизм нь энэ зорилгоор хийгдсэн бөгөөд диаграммыг Зураг дээр үзүүлэв. 7-19. Stepper мотор 1, түүнд цахилгаан импульс өгөх үед тэжээлийн эрэг 2-ыг эргүүлж, датчик 4-тэй баар 3-ыг хөдөлгөж, түүнийг сканнер 6 дээр суурилуулсан дээж 5-аас ойртуулж эсвэл холдуулна. Нэг алхамын хэмжээ 2 мкм орчим байна.

Цагаан будаа. 7 24. Сорьцын гадаргуу дээр датчикийг гаргах механизмын бүдүүвч

Ойролцоох механизмын алхам нь сканнердах явцад шаардлагатай сорьцын дээжийн зайнаас ихээхэн давсан тул датчикийн хэв гажилтаас зайлсхийхийн тулд түүний ойртолыг шаталсан мотор ажиллаж, сканнер нь Z тэнхлэгийн дагуу хөдөлж байх үед гүйцэтгэдэг. дараах алгоритмын дагуу:

1. Санал хүсэлтийн систем унтарсан бөгөөд сканнер нь "буцаадаг" буюу жишээ нь дээжийг хамгийн доод туйлын байрлал руу буулгадаг.

2. Сорьцын ойртох механизм нь нэг алхам хийгээд зогсдог.

3. Санал хүсэлтийн систем асаалттай бөгөөд сканнер нь дээжийг жигд өргөхөд үзүүр ба дээжийн харилцан үйлчлэлд дүн шинжилгээ хийнэ.

4. Хэрэв харилцан үйлчлэл байхгүй бол 1-р алхамаас эхлэн үйл явцыг давтана.

Хэрэв сканнерыг татах үед тэгээс өөр дохио гарч ирвэл санал хүсэлтийн систем нь сканнерын дээш чиглэсэн хөдөлгөөнийг зогсоож, өгөгдсөн түвшинд харилцан үйлчлэлийн хэмжээг тогтооно. Төхөөрөмжид датчикийн нийлүүлэлт зогсох ба сканнердах процесс явагдах хүчний харилцан үйлчлэлийн хэмжээ Нано сурган хүмүүжүүлэгчпараметрээр тодорхойлогддог далайц дарах (ДалайцДарангуйлал) :

A=A o. (1- Далайц дарах)

SPM дүрсийг олж авах

Програм руу залгасны дараа Нано сурган хүмүүжүүлэгчПрограмын үндсэн цонх компьютерийн дэлгэц дээр гарч ирнэ (Зураг 7 -20). Ажил нь цэсийн зүйлээс эхлэх ёстой Файлмөн үүнийг сонгоно уу Нээлттэйэсвэл Шинээсвэл багаж самбар дээрх харгалзах товчлуурууд (, ).

Багийн сонголт Файл ШинэЭнэ нь SPM хэмжилт хийх шилжилт, командыг сонгох гэсэн үг юм Файл Нээлттэйөмнө хүлээн авсан өгөгдлийг харах, боловсруулахад шилжихийг хэлнэ. Хөтөлбөр нь хэмжилттэй зэрэгцэн өгөгдлийг харж, боловсруулах боломжийг олгодог.

Цагаан будаа. 7 25. NanoEducator программын үндсэн цонх

Тушаалыг гүйцэтгэсний дараа Файл ШинэДэлгэц дээр харилцах цонх гарч ирэх бөгөөд энэ нь одоогийн хэмжилтийн үр дүнг анхдагчаар бичих ажлын хавтсыг сонгох эсвэл үүсгэх боломжийг олгодог. Хэмжилтийн явцад хүлээн авсан бүх өгөгдлийг нэрлэсэн файлд дараалан бүртгэдэг ScanData+i.spm, индекс хаана байна биХөтөлбөр эхлэхэд тэг болж дахин тохируулагдаж, шинэ хэмжилт бүрээр нэмэгддэг. Файлууд ScanData+i.spmхэмжилт эхлэхээс өмнө суулгасан ажлын хавтсанд байрлуулсан. Хэмжилт хийх явцад өөр ажлын хавтас сонгох боломжтой. Үүнийг хийхийн тулд та товчлуурыг дарах хэрэгтэй , програмын үндсэн цонхны хэрэгслийн мөрөнд байрлах ба цэсийн зүйлийг сонгоно уу Ажлын хавтсыг өөрчлөх.

Одоогийн хэмжилтийн үр дүнг хадгалахын тулд та товчлуурыг дарах ёстой Хадгалахгарч ирэх харилцах цонхны Scan цонхноос хавтас сонгоод файлын нэр болон файлыг зааж өгнө үү. ScanData+i.spmХэмжилт хийж байх үед түр зуурын өгөгдөл хадгалах файлын нэрийг таны зааж өгсөн файлын нэр болгон өөрчлөх болно. Анхдагч байдлаар, хэмжилт эхлэхээс өмнө файлыг ажлын хавтсанд хадгална. Хэрэв та хэмжилтийн үр дүнг хадгалах үйлдлийг хийхгүй бол дараагийн удаа програмыг эхлүүлэхэд үр дүнг түр зуурын файлд тэмдэглэнэ. ScanData+i.spm, дараалсан дарж бичнэ (ажлын хавтас өөрчлөгдөөгүй тохиолдолд). Ажлын хавтсанд хэмжилтийн үр дүнгийн түр зуурын файл байгаа тухай анхааруулгыг програмыг хаахаас өмнө болон эхлүүлсний дараа өгдөг. Хэмжилтийг эхлүүлэхийн өмнө ажлын хавтсыг өөрчлөх нь өмнөх туршилтын үр дүнг устгахаас хамгаалах боломжийг танд олгоно. Стандарт нэр ScanDataҮүнийг ажлын хавтас сонгох цонхонд тохируулснаар өөрчилж болно. Товчлуур дээр дарахад ажлын хавтас сонгох цонх гарч ирнэ , програмын үндсэн цонхны хэрэгслийн мөрөнд байрладаг. Та мөн хэмжилтийн үр дүнг цонхонд хадгалах боломжтой Хөтөчийг сканнердах, шаардлагатай файлуудыг нэг нэгээр нь сонгоод сонгосон хавтсанд хадгална.

NanoEducator төхөөрөмжийг ашиглан олж авсан үр дүнг ASCII формат болон Нова форматаар (NTMDT) экспортлох боломжтой бөгөөд үүнийг NT MDT Nova програм, Image Analysis болон бусад програмуудаар импортлох боломжтой. Сканнерын зураг, тэдгээрийн хэсгүүдийн өгөгдөл, спектроскопийн хэмжилтийн үр дүнг ASCII формат руу экспортлодог. Өгөгдлийг экспортлохын тулд товчийг дарна уу Экспортпрограмын үндсэн цонхны хэрэгслийн мөрөнд байрлах, эсвэл сонгоно уу Экспортцэсийн зүйлд ФайлЭнэ цонхыг сонгоод тохирох экспортын форматыг сонгоно уу. Боловсруулалт, дүн шинжилгээ хийх өгөгдлийг урьдчилан эхлүүлсэн Image Analysis програм руу шууд илгээх боломжтой.

Харилцах цонхыг хаасны дараа багажны хяналтын самбар дэлгэц дээр гарч ирнэ.
(Зураг 7 -26).

Цагаан будаа. 7 26. Төхөөрөмжийн удирдлагын самбар

Багажны хяналтын самбарын зүүн талд SPM тохиргоог сонгох товчлуурууд байна.

SSM- сканнердах хүчний микроскоп (SFM)

STM- сканнердах туннелийн микроскоп (STM).

NanoEducator сургалтын SPM дээр хэмжилт хийх нь дараахь үйлдлүүдээс бүрдэнэ.

1. Суурилуулалтын жишээ

АНХААР! Дээжийг суулгахын өмнө датчикийг гэмтээхгүйн тулд мэдрэгч болон датчикийг зайлуулах шаардлагатай.

Дээжийг хавсаргах хоёр арга бий:

соронзон тайзан дээр (энэ тохиолдолд дээжийг соронзон субстратад хавсаргасан байх ёстой);

хоёр талт наалдамхай туузан дээр.

АНХААР! Хоёр талт наалдамхай туузан дээр дээжийг суулгахын тулд та тавиурыг (сканнерыг гэмтээхгүйн тулд) салгаж, дараа нь бага зэрэг зогсох хүртэл эргүүлэх хэрэгтэй.

Соронзон бэхэлгээний хувьд дээж эзэмшигчийг тайлахгүйгээр дээжийг сольж болно.

2. Сорьцын мэдрэгчийг суурилуулах

АНХААР! Дээжийг суулгасны дараа мэдрэгчийг датчиктай үргэлж суулгаарай.

Хүссэн мэдрэгч мэдрэгчийг сонгосны дараа (мэдрэгчийг суурийн металл ирмэгээр барина) (7-27-р зургийг үз) хэмжих толгойн тагны датчик мэдрэгч 2-ыг бэхэлсэн боолтыг суллаж, мэдрэгчийг эзэмшигчийн залгуурт оруулна. зогсох хүртэл бэхэлгээний боолтыг цагийн зүүний дагуу бага зэрэг зогсох хүртэл шураг .

Цагаан будаа. 7 27. Соронзон мэдрэгчийг суурилуулах

3. Байршлын сонголтыг сканнердах

Дээж дээр судлах талбайг сонгохдоо төхөөрөмжийн доод хэсэгт байрлах хоёр координатын шатны хөдөлгөөнт боолтыг ашиглана.

4. Сорьц руу датчикийг урьдчилсан байдлаар ойртуулах

Урьдчилсан хандалтын ажиллагаа нь хэмжилт бүрийн хувьд заавал байх албагүй бөгөөд үүнийг хийх хэрэгцээ нь дээж ба датчикийн үзүүрийн хоорондох зайгаас хамаарна. Сорьцын үзүүр ба дээжийн гадаргуугийн хоорондох зай 0.51 мм-ээс хэтэрсэн тохиолдолд ойртох урьдчилсан ажиллагааг гүйцэтгэх нь зүйтэй. Дээжийг хооронд нь хол зайд автоматжуулсан датчикийг ашиглах үед ойртох үйл явц маш удаан үргэлжлэх болно.

Гарын авлагын боолтыг ашиглан датчикийг буулгаж, түүний болон дээжийн гадаргуугийн хоорондох зайг нүдээр шалгана уу.

5. Резонансын муруйг зурах, ажиллах давтамжийг тохируулах

Энэ ажиллагааг хэмжилт бүрийн эхэнд хийх ёстой бөгөөд үүнийг хийх хүртэл хэмжилтийн цаашдын үе шат руу шилжих шилжилтийг хаадаг. Үүнээс гадна, хэмжилтийн явцад заримдаа энэ үйлдлийг давтах шаардлагатай нөхцөл байдал үүсдэг (жишээлбэл, холбоо тасарсан үед).

Резонансын хайлтын цонхыг багажийн хяналтын самбар дээрх товчлуур дээр дарж дуудна. Энэ үйлдэл нь генераторын тогтоосон албадан хэлбэлзлийн давтамж өөрчлөгдөх үед датчикийн хэлбэлзлийн далайцыг хэмжихэд оршино. Үүнийг хийхийн тулд та товчлуурыг дарах хэрэгтэй ГҮЙЦЭХ(Зураг 7 -28).

Цагаан будаа. 7 28. Резонансын хайх, ажиллах давтамжийг тохируулах цонх:
a) – автомат горим, б) – гарын авлагын горим

горимд байна АвтоматГенераторын давтамжийг датчикийн хэлбэлзлийн хамгийн их далайц ажиглагдсан давтамжтай автоматаар тохируулна. Өгөгдсөн давтамжийн муж дахь датчикийн чичиргээний далайцын өөрчлөлтийг харуулсан график (Зураг 7 -28а) нь резонансын оргилын хэлбэрийг ажиглах боломжийг олгодог. Хэрэв резонансын оргил нь хангалттай илэрхийлэгдээгүй эсвэл резонансын давтамжийн далайц бага байвал ( 1V-ээс бага), дараа нь хэмжилтийн параметрүүдийг өөрчлөх, резонансын давтамжийг дахин тодорхойлох шаардлагатай.

Энэ горим нь үүнд зориулагдсан Гарын авлага. Энэ горимыг цонхон дээр сонгох үед Резонансын давтамжийг тодорхойлохнэмэлт самбар гарч ирнэ
(Зураг 7 -28б), энэ нь дараах параметрүүдийг тохируулах боломжийг танд олгоно.

Пробийн хөтөчийн хүчдэл, генератороор тохируулсан. Энэ утгыг хамгийн багадаа (тэг хүртэл) тохируулахыг зөвлөж байна, 50 мВ-аас ихгүй байна.

далайцын олз ( Далайн олз). Хэрэв датчикийн хэлбэлзлийн далайц хангалтгүй бол (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Далайн олз.

Резонансын хайлтын ажиллагааг эхлүүлэхийн тулд та товчлуурыг дарах ёстой Эхлэх.

Горим Гарын авлагахулганыг ашиглан график дээрх ногоон курсорыг хөдөлгөж сонгосон давтамжийг гараар өөрчлөх, мөн сонгосон давтамжийн эргэн тойронд хэлбэлзлийн далайцын өөрчлөлтийн мөн чанарыг тодруулах боломжийг олгоно (үүнд та шилжүүлэгчийг тохируулах хэрэгтэй Гарын авлагын горимбайрлалд оруулах Ягболон товчийг дарна уу Эхлэх).

6. Харилцааны зураг авалт

Харилцан үйлчлэлийг авахын тулд автомат хандалтын механизм ашиглан үзүүр ба дээжийн хяналттай хандлагыг гүйцэтгэдэг. Энэ процедурын хяналтын цонхыг багажийн хяналтын самбар дээрх товчлуур дээр дарж дуудна. SCM-тэй ажиллах үед хайлтын үйлдлийг хийж, резонансын давтамжийг тохируулсны дараа энэ товчлуурыг ашиглах боломжтой болно. Цонх SSM, хангамж(Зураг 7 -29) нь датчикийн хандалтын удирдлага, түүнчлэн процедурын явцыг шинжлэх боломжийг олгодог параметрийн заалтуудыг агуулдаг.

Цагаан будаа. 7 29. Зонд ойртох цонх

Цонхонд Хангамжхэрэглэгч дараах хэмжигдэхүүнийг ажиглах боломжтой.

сканнерыг сунгах замаар ( СканнерЗ) Z тэнхлэгийн дагуу нэгдмэл байдлаар авсан хамгийн боломжит хэмжээтэй харьцуулахад. Сканнерын харьцангуй суналтын хэмжээ нь зүүн заагчийг одоо байгаа сканнер байгаа бүсэд тохирох өнгөөр ​​дүүргэх түвшингээр тодорхойлогддог: ногоон - ажлын бүс, цэнхэр - ажлын бүсийн гадна, улаан - сканнер дээжийн гадаргууд хэт ойртсон нь датчикийн деформацид хүргэж болзошгүй. Сүүлчийн тохиолдолд хөтөлбөр нь дуут анхааруулга өгдөг;

датчикийн хэлбэлзлийн далайцнэгдмэл байдлаар авсан хүчний харилцан үйлчлэл байхгүй үед түүний хэлбэлзлийн далайцтай харьцуулахад. Сорьцын хэлбэлзлийн харьцангуй далайцыг burgundy дүүргэлтийн түвшингээр нь баруун индикатор дээр харуулав. Заагч дээрх хэвтээ тэмдэг Сорьцын хэлбэлзлийн далайцдамжин өнгөрөхөд сканнерийн төлөв байдалд дүн шинжилгээ хийж, автоматаар ажлын байрлалд оруулдаг түвшинг заана;

алхамуудын тоо ( Штиймээ), өгөгдсөн чиглэлд дамжсан: Ойролцоо - ойртох, Буцах - зайлуулах.

Сорьцыг буулгах үйл явцыг эхлүүлэхийн өмнө та дараахь зүйлийг хийх ёстой.

Хандалтын параметрүүдийг зөв тохируулсан эсэхийг шалгана уу:

Санал хүсэлтийн олз OS хатуурахутганд тохируулна 3 ,

Параметрийг шалгана уу Дарангуйлалдалайц (хүч)ойролцоогоор 0.2 магнитудтай (7-29-р зургийг үз). Үгүй бол товчлуурыг дарна уу Хүч чадалмөн цонхонд Харилцааны параметрүүдийг тохируулах (Зураг 7 -30)тогтоосон үнэ цэнэ Дарангуйлалдалайцтэнцүү 0.2. Илүү нарийн оролтын хувьд параметрийн утга Дарангуйлалдалайцмагадгүй бага .

Параметрийн цонхонд тохиргоо зөв эсэхийг шалгана уу Сонголтууд, хуудас Аргын параметрүүд.

Харилцаа холбоо байгаа эсэхийг зүүн талын үзүүлэлтээр тодорхойлж болно СканнерЗ. Сканнерийн бүрэн өргөтгөл (бүх үзүүлэлт СканнерЗцэнхэр будсан), түүнчлэн burgundy-д бүрэн будсан заагч Сорьцын хэлбэлзлийн далайц(Зураг 7 -29) харилцан үйлчлэлгүй байгааг харуулж байна. Резонансын хайлт, үйлдлийн давтамжийг тохируулсны дараа датчикийн чөлөөт хэлбэлзлийн далайцыг нэгдмэл байдлаар авна.

Хэрэв ойртохын өмнө эсвэл ойртох үед сканнер бүрэн сунгагдаагүй эсвэл програм нь "Алдаа! Сорьцыг түүвэрт хэт ойртуулна. Холболтын параметрүүд эсвэл физик угсралтыг шалгана уу. Хэрэв та аюулгүй газар руу шилжихийг хүсч байвал ойртох процедурыг түр зогсоохыг зөвлөж байна.

а. параметрүүдийн аль нэгийг өөрчлөх:

харилцан үйлчлэлийн хэмжээг нэмэгдүүлэх, параметр Дарангуйлалдалайц, эсвэл

үнэ цэнийг нэмэгдүүлэх OS хатуурах, эсвэл

ойртох алхмуудын хоорондох саатлын хугацааг нэмэгдүүлэх (параметр Интеграцийн хугацаахуудсан дээр Аргын параметрүүдцонхнууд Сонголтууд).

б. датчикийн үзүүр ба дээжийн хоорондох зайг нэмэгдүүлэх (үүнийг хийхийн тулд догол мөрөнд заасан алхмуудыг дагаж, үйлдлийг гүйцэтгэнэ. Резонанс, дараа нь процедур руу буцна уу Хангамж.

Цагаан будаа. 7 30. Зонд болон дээжийн харилцан үйлчлэлийн хэмжээг тохируулах цонх

Харилцан яриаг авсны дараа " Нийлүүлэлт дууссан”.

Хэрэв та нэг алхам ойртох шаардлагатай бол товчлуурыг дарна уу. Энэ тохиолдолд эхлээд алхамыг гүйцэтгэж, дараа нь харилцан үйлчлэлийн шалгуурыг шалгана. Хөдөлгөөнийг зогсоохын тулд товчлуурыг дарна уу. Татаж авах үйлдлийг гүйцэтгэхийн тулд та хурдан татах товчийг дарах ёстой

эсвэл удаан татахын тулд товчлуурыг дарна уу. Хэрэв та нэг алхамыг буцаах шаардлагатай бол товчлуурыг дарна уу. Энэ тохиолдолд эхлээд алхамыг гүйцэтгэж, дараа нь харилцан үйлчлэлийн шалгуурыг шалгана.

7. Сканнердах

Ойртох процедурыг дуусгасны дараа ( Хангамж) болон харилцан үйлчлэлийг авах, скан хийх боломжтой болно (хэрэгслийн хяналтын самбарын цонхон дээрх товчлуур).

Энэ товчийг дарснаар (сканнердах цонхыг 7-31-р зурагт үзүүлэв) хэрэглэгч шууд хэмжилт хийж, хэмжилтийн үр дүнг авна.

Сканнердах процессыг хийхийн өмнө та сканнердах параметрүүдийг тохируулах ёстой. Эдгээр сонголтуудыг цонхны дээд самбарын баруун талд бүлэглэв. Скан хийж байна.

Програмыг эхлүүлсний дараа анхдагч байдлаар суулгасан болно:

Скан хийх талбай - бүс (Xнм*Юнм): 5000*5000 нм;

Онооны тоотэнхлэгийн хэмжилт- X, Y: NX=100, Нью-Йорк=100;

Зам скан хийх - Чиглэлсканнердах чиглэлийг тодорхойлно. Хөтөлбөр нь хурдан сканнердах тэнхлэгийн чиглэлийг сонгох боломжийг олгодог (X эсвэл Y). Програмыг эхлүүлэхэд програм суулгасан болно Чиглэл

Сканнердах параметрүүдийг тохируулсны дараа та товчлуурыг дарах ёстой Өргөдөл гаргахоруулсан параметрүүдийг баталгаажуулахын тулд товчлуурыг дарна уу Эхлэхсканнердаж эхлэх.

Цагаан будаа. 7 31. Үйл явцыг хянах, SCM сканнерын үр дүнг харуулах цонх

7.4.Арга зүйн заавар

Та NanoEducator сканнерийн датчик микроскоп дээр ажиллаж эхлэхээсээ өмнө төхөөрөмжийн хэрэглэгчийн гарын авлагыг судлах хэрэгтэй [Ref. 7 -4].

7.5.Аюулгүй байдал

Уг төхөөрөмж нь 220 В хүчдэлээр тэжээгддэг. NanoEducator сканнерийн датчик микроскоп нь 1000 В хүртэлх хүчдэлтэй хэрэглэгчийн цахилгаан суурилуулалтын PTE болон PTB стандартын дагуу ажилладаг.

7.6.Даалгавар

1. SPM судалгаанд зориулж биологийн дээжээ өөрөө бэлтгэ.

2. NanoEducator төхөөрөмжийн ерөнхий загварыг практикт судлах.

3. NanoEducator төхөөрөмжийн удирдлагын программтай танилцана.

4. Анхны SPM зургийг багшийн хяналтан дор авах.

5. Үүссэн зургийг боловсруулж, дүн шинжилгээ хийх. Таны уусмалд ямар төрлийн бактери байдаг вэ? Бактерийн эсийн хэлбэр, хэмжээг юу тодорхойлдог вэ?

6. Бергей бактери тодорхойлогчийг авч, олж авсан үр дүнг тэнд дурдсантай харьцуулна уу.

7.7.Аюулгүй байдлын асуултууд

1. Биологийн объектуудыг судлах ямар аргууд байдаг вэ?

2. Сканнерийн микроскоп гэж юу вэ? Үүний үндэс нь ямар зарчим юм бэ?

3. SPM-ийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд, тэдгээрийн зорилгыг нэрлэнэ үү.

4. Пьезоэлектрик эффект гэж юу вэ, түүнийг SPM-д хэрхэн ашигладаг. Сканнеруудын янз бүрийн загварыг тайлбарлана уу.

5. NanoEducator-ийн ерөнхий дизайныг тайлбарлана уу.

6. Хүч мэдрэгч ба түүний ажиллах зарчмыг тайлбарлана уу.

7. NanoEducator төхөөрөмж дээрх сорьцыг дээж рүү авчрах механизмыг тайлбарлана уу. Сорьц ба дээжийн харилцан үйлчлэлийн хүчийг тодорхойлдог параметрүүдийг тайлбарла.

8. Сканнердах зарчим, санал хүсэлтийн системийн ажиллагааг тайлбарлана уу. Сканнердах параметрүүдийг сонгох шалгууруудын талаар бидэнд хэлнэ үү.

7.8.Уран зохиол

Гэрэл. 7 1. Пол де Круй. Микробын анчид. М.Терра. 2001 он.

Гэрэл. 7 2. Микробиологийн практик хичээлийн гарын авлага. Егорова Н.С. М.: Наука, 1995 он.

Гэрэл. 7 3. Хоулт Ж., Криг Н., П.Снеат, Ж.Стейли, С.Уильямс. // Бактерийн танигч Бергей. М.:Мир, 1997. T. No 2. P. 574.

Гэрэл. 7 4. Төхөөрөмжийн хэрэглэгчийн гарын авлага Нано сурган хүмүүжүүлэгч.. Нижний Новгород. Шинжлэх ухаан, боловсролын төв...

Танилцуулга

Одоогийн байдлаар нанотехнологийн шинжлэх ухаан, техникийн чиглэл хурдацтай хөгжиж, суурь болон хэрэглээний судалгааны өргөн хүрээг хамарч байна. Энэ бол харилцаа холбоо, биотехнологи, микроэлектроник, эрчим хүч зэрэг олон салбарын асуудлыг шийдвэрлэх чадвартай цоо шинэ технологи юм. Өнөөдөр зуу гаруй залуу компани ойрын 2-3 жилийн хугацаанд зах зээлд гарах нано технологийн бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэж байна.

Нанотехнологи нь 21-р зууны тэргүүлэх технологи болж, нийгмийн эдийн засаг, нийгмийн салбарыг хөгжүүлэхэд хувь нэмэр оруулах бөгөөд тэдгээр нь аж үйлдвэрийн шинэ хувьсгалын урьдчилсан нөхцөл болж чадна. Өмнөх хоёр зуун жилийн хугацаанд аж үйлдвэрийн хувьсгалд ахиц дэвшил дэлхийн нөөцийн 80 орчим хувийг зарцуулсан. Нанотехнологи нь нөөцийн хэрэглээний хэмжээг эрс багасгаж, байгаль орчинд дарамт учруулахгүй, жишээлбэл, компьютер хүмүүсийн амьдралын салшгүй хэсэг болсонтой адил тэд хүн төрөлхтний амьдралд тэргүүлэх үүрэг гүйцэтгэх болно.

Нанотехнологийн дэвшил нь туршилтын судалгааны аргуудыг хөгжүүлэхэд түлхэц болсон бөгөөд тэдгээрийн хамгийн мэдээлэл сайтай нь сканнерийн микроскопийн аргууд, шинэ бүтээл, ялангуяа дэлхий даяар 1986 оны Нобелийн шагналт профессор Хайнрих Рорер, доктор Герд Бинниг нарт өртэй юм.

Атомыг дүрслэх ийм энгийн аргуудыг нээсэн нь дэлхий нийтийг гайхшруулж байсан бөгөөд тэр ч байтугай тэдгээрийг удирдах боломжтой байв. Олон судалгааны бүлгүүд гар хийцийн төхөөрөмж барьж, энэ чиглэлээр туршилт хийж эхлэв. Үүний үр дүнд хэд хэдэн тохиромжтой төхөөрөмжийн загварууд гарч ирсэн бөгөөд датчик-гадаргын харилцан үйлчлэлийн үр дүнг нүдээр харуулах янз бүрийн аргуудыг санал болгосон: хажуугийн хүчний микроскоп, соронзон хүчний микроскоп, соронзон, цахилгаан, цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлийг бүртгэх микроскоп. Ойрын талбайн оптик микроскопийн аргууд эрчимтэй хөгжсөн. Проб-гадаргуугийн системд чиглэсэн, хяналттай нөлөөллийн аргуудыг боловсруулсан, жишээлбэл, нанолитографи - датчик-гадаргын систем дэх цахилгаан, соронзон нөлөө, хуванцар деформаци, гэрлийн нөлөөн дор гадаргуу дээр өөрчлөлт гардаг. Гадаргуугийн янз бүрийн шинж чанарыг нүдээр харуулах тусгай бүрээс, бүтэцтэй, заасан геометрийн параметр бүхий датчик үйлдвэрлэх технологийг бий болгосон.

Сканнерийн микроскоп (SPM) нь орон зайн өндөр нарийвчлалтай хатуу гадаргуугийн морфологи, орон нутгийн шинж чанарыг судлах орчин үеийн хүчирхэг аргуудын нэг юм. Сүүлийн 10 жилийн хугацаанд сканнерийн микроскоп нь зөвхөн цөөн тооны судалгааны бүлэгт ашиглах боломжтой чамин техникээс гадаргуугийн шинж чанарыг судлах өргөн тархсан бөгөөд амжилттай хэрэглүүр болж өөрчлөгдсөн. Одоогийн байдлаар гадаргуугийн физик, нимгэн хальсан технологийн чиглэлээр хийсэн судалгаа бараг байхгүй байна. Сканнерийн микроскопийн хөгжил нь нанотехнологийн шинэ аргууд болох нанометрийн масштабтай бүтцийг бий болгох технологийг хөгжүүлэх үндэс суурь болсон.

1. Түүхэн суурь

Жижиг биетүүдийг ажиглахын тулд Голландын иргэн Антони ван Левенгук 17-р зуунд микроскоп зохион бүтээснээр микробын ертөнцийг нээжээ. Түүний микроскопууд төгс бус байсан бөгөөд 150-300 дахин томруулдаг байв. Гэвч түүний дагалдагчид энэхүү оптик төхөөрөмжийг сайжруулж, биологи, геологи, физикийн олон нээлтийн үндэс суурийг тавьсан юм. Гэсэн хэдий ч 19-р зууны төгсгөлд (1872) Германы оптикч Эрнст Карл Аббе гэрлийн дифракцийн улмаас микроскопын шийдвэрлэх хүчин чадал (өөрөөр хэлбэл объектуудын хооронд нэгдэж амжаагүй байгаа хамгийн бага зай) болохыг харуулсан. нэг зураг) гэрлийн долгионы уртаар (0.4 - 0.8 микрон) хязгаарлагддаг. Тиймээс тэрээр илүү дэвшилтэт микроскоп хийх гэж оролдсон оптикчдод ихээхэн хүчин чармайлт гаргасан боловч биологичид, геологичдын урмыг хугалж, 1500 дахин томруулдаг багаж авах найдвараа алдсан юм.

Цахим микроскоп үүссэн түүх бол бие даан хөгжиж буй шинжлэх ухаан, технологийн салбарууд хүлээн авсан мэдээллээ солилцож, хүчээ нэгтгэснээр шинжлэх ухааны судалгааны шинэ хүчирхэг хэрэгсэл бий болдгийн гайхалтай жишээ юм. Сонгодог физикийн оргил нь цахилгаан соронзон орны онол байсан бөгөөд гэрлийн тархалт, цахилгаан ба соронзон орон үүсэх, эдгээр талбарт цэнэглэгдсэн бөөмсийн хөдөлгөөнийг цахилгаан соронзон долгионы тархалт гэж тайлбарласан. Долгионы оптик нь дифракцийн үзэгдэл, дүрс үүсэх механизм, гэрлийн микроскоп дахь нарийвчлалыг тодорхойлдог хүчин зүйлсийн тоглолтыг тодорхой болгосон. Онолын болон туршилтын физикийн салбарт гарсан ахиц дэвшил нь электроныг өвөрмөц шинж чанартайгаар нээсэнтэй холбоотой. Эдгээр тусдаа бөгөөд бие даасан мэт санагдах хөгжлийн замууд нь электрон оптикийн үндэс суурийг тавьсан бөгөөд хамгийн чухал хэрэглээний нэг нь 1930-аад онд EM-ийг зохион бүтээсэн явдал байв. 1924 онд Луи де Бройль дэвшүүлж, 1927 онд АНУ-д К.Дэвиссон, Л.Гермер, Англид Ж.Томсон нар туршилтаар баталсан электрон долгионы шинж чанарын тухай таамаглалыг энэ боломжийн шууд санаа гэж үзэж болно. Энэ нь долгионы оптикийн хуулиудын дагуу EM-ийг бүтээх боломжийг олгосон аналогийг санал болгосон. Х.Буш цахилгаан болон соронзон орныг ашиглан электрон дүрс үүсгэх боломжтойг олж мэдсэн. 20-р зууны эхний хорин жилд. шаардлагатай техникийн урьдчилсан нөхцөлүүд ч бий болсон. Электрон цацрагийн осциллограф дээр ажилладаг үйлдвэрлэлийн лабораториуд вакуум технологи, тогтвортой өндөр хүчдэл, гүйдлийн эх үүсвэр, сайн электрон ялгаруулагчийг үйлдвэрлэдэг.

1931 онд Р.Рүденберг дамжуулагч электрон микроскопын патентын өргөдөл гаргаж, 1932 онд М.Нолл, Э.Руска нар электронуудыг фокуслах соронзон линз ашиглан анхны ийм микроскоп бүтээжээ. Энэхүү хэрэгсэл нь орчин үеийн оптик дамжуулагч электрон микроскопын (OTEM) өмнөх төхөөрөмж юм. (Руска 1986 онд Физикийн чиглэлээр Нобелийн шагнал хүртэж, хичээл зүтгэлийнхээ төлөө шагнагдсан.) 1938 онд Руска, Б. фон Борри нар Германы Сименс-Хальск хотод үйлдвэрлэлийн OPEM-ийн прототипийг бүтээжээ; Энэ хэрэгсэл нь эцэстээ 100 нм-ийн нарийвчлалд хүрэх боломжтой болсон. Хэдэн жилийн дараа А.Пребус, Ж.Хиллер нар Торонтогийн их сургуульд (Канад) анхны өндөр нарийвчлалтай OPEM-ийг бүтээжээ.

OPEM-ийн өргөн боломжууд бараг тэр даруй тодорхой болсон. Түүний аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэлийг Германы Siemens-Halske болон АНУ-ын RCA корпораци нэгэн зэрэг эхлүүлсэн. 1940-өөд оны сүүлээр бусад компаниуд ийм төхөөрөмж үйлдвэрлэж эхэлсэн.

Одоогийн байдлаар SEM-ийг 1952 онд Чарльз Отли зохион бүтээжээ. Ийм төхөөрөмжийн урьдчилсан хувилбаруудыг 1930-аад онд Германд Нолл, 1940-өөд онд Зворыкин болон түүний RCA корпораци дахь хамтран ажиллагсад бүтээсэн нь үнэн боловч зөвхөн Отлигийн төхөөрөмж л техникийн хэд хэдэн сайжруулалт хийх үндэс суурь болж чадсан юм. 1960-аад оны дундуур SEM-ийн үйлдвэрлэлийн хувилбарыг үйлдвэрлэлд нэвтрүүлсэн. Гурван хэмжээст дүрс, электрон гаралтын дохио бүхий ийм ашиглахад хялбар төхөөрөмжийг хэрэглэгчдийн хүрээ асар хурдацтай өргөжиж байна. Одоогийн байдлаар гурван тивд хэдэн арван үйлдвэрийн SEM үйлдвэрлэгчид байдаг бөгөөд 1960-аад онд дэлхийн өнцөг булан бүрт байгаа лабораториудад хэт өндөр хүчдэлийн микроскопууд ашиглагдаж байна Хөгжил нь Францад G. Dupuy байсан бөгөөд 1970 онд G. Binnig, G. Rohrer нар 1979 онд Цюрихт 3.5 сая вольт хурдасгах хүчдэлтэй төхөөрөмжийг зохион бүтээжээ дизайн, гадаргуугийн атомын нягтралыг хангадаг Бинниг, Рорер (Рускатай нэгэн зэрэг) RTM-ийг бүтээхэд Нобелийн шагнал хүртсэн.

1986 онд сканнерийн датчик микроскопыг Рорер, Бинниг нар зохион бүтээжээ. Зохион бүтээснээсээ хойш STM нь физик, хими, биологийн суурь судалгаанаас эхлээд технологийн тодорхой хэрэглээ хүртэл байгалийн шинжлэх ухааны бараг бүх салбарыг хамарсан төрөл бүрийн мэргэжлээр эрдэмтэд өргөнөөр ашиглаж ирсэн. STM-ийн ажиллах зарчим нь маш энгийн бөгөөд боломжит боломжууд нь маш их тул шинжлэх ухаан, технологид үзүүлэх нөлөөллийг ойрын ирээдүйд ч урьдчилан таамаглах боломжгүй юм.

Хожим нь олж мэдсэнээр, датчикийн гадаргуутай бараг ямар ч харилцан үйлчлэл (механик, соронзон) нь тохирох багаж хэрэгсэл, компьютерийн програмыг ашиглан гадаргуугийн дүрс болгон хувиргаж болно.

Сканнердах датчикийн микроскопын суурилуулалт нь Зураг дээр үзүүлсэн хэд хэдэн функциональ блокуудаас бүрдэнэ. 1. Энэ нь нэгдүгээрт, микроскоп өөрөө датчикийг удирдах пьезоманипулятор, хонгилын гүйдэл-хүчдэл хөрвүүлэгч, дээжийг нийлүүлэх шаттай мотор; аналог-тоон ба тоон-аналог хувиргагч, өндөр хүчдэлийн өсгөгчийн блок; stepper моторын хяналтын хэсэг; санал хүсэлтийн дохиог тооцоолох дохионы процессор бүхий самбар; мэдээлэл цуглуулж, хэрэглэгчийг интерфейсээр хангадаг компьютер. Бүтцийн хувьд DAC ба ADC нэгжийг гишгүүрийн хөдөлгүүрийн хяналтын нэгжтэй нэг орон сууцанд суурилуулсан. Аналог төхөөрөмжүүдийн ADSP 2171 дохионы процессор (DSP - Digital Signal Processor) бүхий самбарыг хувийн компьютерийн ISA өргөтгөлийн үүрэнд суулгасан.

Микроскопын механик системийн ерөнхий дүр төрхийг Зураг дээр үзүүлэв. 2. Механик системд пьезо манипулятор бүхий суурь ба хурдны хайрцаг бүхий шаталсан мотор дээр гөлгөр сорьц тэжээх систем, сканнерийн хонгилын болон атомын хүчний микроскопийн горимд ажиллах зориулалттай хоёр зөөврийн хэмжих толгойтой. Микроскоп нь нэмэлт газар хөдлөлт, акустик шүүлтүүр ашиглахгүйгээр уламжлалт туршилтын гадаргуу дээр тогтвортой атомын нарийвчлалыг олж авах боломжийг олгодог.

2. Сканнерийн микроскопын ажиллах зарчим

Сканнерийн датчик микроскопуудад гадаргуугийн микрорельеф, түүний орон нутгийн шинж чанарыг судлахдаа зүү хэлбэрээр тусгайлан бэлтгэсэн датчик ашиглан хийдэг. Ийм датчикуудын ажлын хэсэг (үзүүр) нь арав орчим нанометр хэмжээтэй байдаг. Зондны микроскоп дахь сорьц ба дээжийн гадаргуугийн хоорондох зай нь 0.1-10 нм хэмжээтэй байна. Сорьцын микроскопуудын ажиллагаа нь датчик ба гадаргуугийн харилцан үйлчлэлийн янз бүрийн хэлбэрт суурилдаг. Тиймээс хонгилын микроскопын ажиллагаа нь металл зүү ба дамжуулагч дээжийн хооронд урсах гүйдлийн туннелийн үзэгдэл дээр суурилдаг; Атомын хүч, соронзон хүч, цахилгаан хүчний микроскопуудын үйл ажиллагааны үндэс нь янз бүрийн төрлийн хүчний харилцан үйлчлэл юм. Төрөл бүрийн микроскопуудад байдаг нийтлэг шинж чанаруудыг авч үзье. Сорьцын гадаргуутай харилцан үйлчлэл нь тодорхой P параметрээр тодорхойлогддог. Хэрэв датчик- дээжийн зайд P параметрийн хангалттай хурц бөгөөд нэгээс нэг хамаарал байгаа бол энэ параметрийг ашиглан туршилтыг зохион байгуулж болно. мэдрэгч ба дээжийн хоорондох зайг хянадаг санал хүсэлтийн систем (FS). Зураг дээр. Зураг 3-т SPM санал хүсэлтийг зохион байгуулах ерөнхий зарчмыг бүдүүвчээр харуулав.

Санал хүсэлтийн систем нь операторын заасан утгатай тэнцүү P параметрийн утгыг тогтмол байлгадаг. Хэрэв датчик-гадаргын зай өөрчлөгдвөл OS системд ΔP = P - P утгатай пропорциональ P параметр үүснэ, энэ нь шаардлагатай утгыг нэмэгдүүлж, идэвхжүүлэгч элемент IE-д тэжээгддэг. Хөдөлгүүр нь энэ ялгааны дохиог боловсруулж, датчикийг гадаргуу дээр ойртуулж эсвэл зөрүүний дохио тэг болох хүртэл холдуулна. Ийм байдлаар датчик-дээж хоорондын зайг маш нарийвчлалтайгаар хадгалах боломжтой. Сорьцын гадаргуугийн дагуу датчик хөдөлж байх үед гадаргуугийн топографийн улмаас харилцан үйлчлэлийн параметр P өөрчлөгдөнө. OS систем нь эдгээр өөрчлөлтийг боловсруулдаг бөгөөд ингэснээр датчик X, Y хавтгайд шилжих үед идэвхжүүлэгч дээрх дохио нь гадаргуугийн топографтай пропорциональ болж хувирдаг. SPM дүрсийг авахын тулд дээжийг сканнердах тусгайлан зохион байгуулалттай үйл явцыг явуулдаг. Сканнердах үед датчик эхлээд дээжийн дээгүүр тодорхой шугамын дагуу (шугам сканнер) хөдөлдөг бол идэвхжүүлэгч дээрх дохионы утгыг гадаргуугийн топографтай пропорциональ компьютерийн санах ойд бүртгэдэг. Дараа нь датчик нь эхлэх цэг рүү буцаж очоод дараагийн сканнерын мөрөнд (фрэймийн скан) шилжинэ, процесс дахин давтагдана. Сканнердах явцад ийм байдлаар бүртгэгдсэн санал хүсэлтийн дохиог компьютер боловсруулж, дараа нь компьютерийн график хэрэгслийг ашиглан гадаргуугийн топографийн SPM дүрсийг бүтээдэг. Гадаргуугийн топографийг судлахын зэрэгцээ датчик микроскопууд нь гадаргуугийн янз бүрийн шинж чанарыг судлах боломжийг олгодог: механик, цахилгаан, соронзон, оптик болон бусад.

3. Проб микроскопын сканнерийн элементүүд (сканнерууд).

3.1 Элементүүдийг сканнердах

Сорьцын микроскопыг ажиллуулахын тулд датчик- дээжийн ажлын зайг хянах, датчикийг дээжийн хавтгайд өндөр нарийвчлалтайгаар (ангстромын фракцын түвшинд) шилжүүлэх шаардлагатай. Энэ асуудлыг тусгай манипуляторууд - сканнерийн элементүүд (сканнер) ашиглан шийддэг. Сорьцын микроскопуудын сканнерын элементүүд нь пьезоэлектрик шинж чанартай материалаар хийгдсэн байдаг. Пьезоэлектрикууд нь гадаад цахилгаан талбарт хэмжээсээ өөрчилдөг. Кристалуудын урвуу пьезоэлектрик эффектийн тэгшитгэлийг дараах байдлаар бичнэ.

Энд u - хүчдэлийн тензор, E - цахилгаан талбайн бүрэлдэхүүн хэсгүүд, d - пьезоэлектрик коэффициент тензорын бүрэлдэхүүн хэсгүүд. Пьезоэлектрик коэффициентийн тензорын хэлбэрийг талстуудын тэгш хэмийн төрлөөр тодорхойлно.

Пьезоцерамик материалаар хийсэн хувиргагч нь янз бүрийн техникийн хэрэглээнд өргөн тархсан. Пьезокерамик бол талст ферроэлектрикээс нунтаг нунтаглах замаар олж авсан туйлширсан поликристал материал юм. Керамик эдлэлийн туйлшралыг дараах байдлаар гүйцэтгэнэ. Керамик эдлэлийг Кюригийн температураас дээш халааж (ихэнх пьезокерамикийн хувьд энэ температур 300С-аас бага байдаг), дараа нь хүчтэй (ойролцоогоор 3 кВ/см) цахилгаан талбайд аажмаар хөргөнө. Хөргөлтийн дараа пьезокерамикууд нь туйлшралыг өдөөж, хэмжээгээ өөрчлөх чадварыг олж авдаг (туйлшралын вектор ба гадаад цахилгаан талбайн векторын харилцан чиглэлээс хамаарч нэмэгдэх эсвэл буурах).

Хоолойн пьезоэлементүүд нь сканнерийн микроскопод өргөн тархсан (Зураг 4). Эдгээр нь харьцангуй бага хяналтын хүчдэл бүхий объектуудын нэлээд том хөдөлгөөнийг авах боломжийг олгодог. Хоолой хэлбэртэй пьезоэлементүүд нь пьезоцерамик материалаар хийгдсэн хөндий нимгэн ханатай цилиндр юм. Ихэвчлэн нимгэн металл давхарга хэлбэртэй электродууд нь хоолойн гадна болон дотор талын гадаргуу дээр тавигддаг бол хоолойн төгсгөлүүд нь таглаагүй байдаг.

Дотоод болон гадаад электродуудын хоорондох боломжит ялгааны нөлөөн дор хоолой нь уртааш хэмжээсээ өөрчилдөг. Энэ тохиолдолд радиаль цахилгаан орны нөлөөн дэх уртын хэв гажилтыг дараах байдлаар бичиж болно.

энд l нь хэв гажилтгүй төлөвт байгаа хоолойн урт. Пьезо хоолойн үнэмлэхүй суналт нь тэнцүү байна

Энд h нь пьезотубын хананы зузаан, V нь дотоод ба гадаад электродын боломжит ялгаа юм. Тиймээс ижил хүчдэлийн V үед хоолойн суналт их байх тусам урт нь их байх тусам хананы зузаан бага байх болно.

Гурван хоолойг нэг нэгжид холбох нь микроскопын датчикийн гурван перпендикуляр чиглэлд нарийн хөдөлгөөнийг зохион байгуулах боломжийг олгодог. Энэхүү сканнердах элементийг tripod гэж нэрлэдэг.

Ийм сканнерын сул тал нь үйлдвэрлэлийн нарийн төвөгтэй байдал, дизайны хүчтэй тэгш бус байдал юм. Өнөөдөр нэг хоолойт элемент дээр суурилсан сканнерууд нь сканнерийн микроскопод хамгийн өргөн хэрэглэгддэг. Хоолойн сканнерын ерөнхий дүр төрх ба электродын зохион байгуулалтыг Зураг дээр үзүүлэв. 5. Хоолойн материал нь туйлшралын векторын радиаль чиглэлтэй байна.

Дотоод электрод нь ихэвчлэн хатуу байдаг. Сканнерын гадаад электрод нь цилиндрийн дагуу дөрвөн хэсэгт хуваагдана. Антифазын хүчдэлийг гадна талын электродын эсрэг хэсгүүдэд (дотоод хэсэгтэй харьцуулахад) хэрэглэх үед хоолойн хэсэг нь талбайн чиглэл нь туйлшралын чиглэлтэй давхцаж байгаа газарт агшиж, эсрэгээр чиглэсэн хэсэгтээ уртасдаг. чиглэл. Энэ нь хоолойг зохих чиглэлд нугалахад хүргэдэг. Ийм байдлаар сканнердах нь X, Y хавтгайд хийгддэг бөгөөд бүх гадаад хэсгүүдтэй харьцуулахад дотоод электродын потенциалыг өөрчлөх нь Z тэнхлэгийн дагуу хоолойг уртасгах эсвэл богиносгоход хүргэдэг. нэг пьезо хоолой дээр суурилсан координатын сканнер. Бодит сканнерын элементүүд нь ихэвчлэн илүү төвөгтэй дизайнтай байдаг боловч тэдгээрийн үйл ажиллагааны зарчим ижил хэвээр байна.

Биморф пьезоэлементүүд дээр суурилсан сканнерууд бас өргөн тархсан. Биморф нь хоорондоо наасан хоёр пьезоэлектрик хавтангаас тогтдог бөгөөд тэдгээр нь тус бүрийн туйлшралын векторууд нь эсрэг чиглэлд чиглэгддэг (Зураг 6). Хэрэв биморф электродуудад хүчдэл хэрэглэвэл Зураг дээр үзүүлэв. 6, дараа нь ялтсуудын нэг нь өргөжиж, нөгөө нь агших бөгөөд энэ нь бүхэл бүтэн элементийг гулзайлгахад хүргэнэ. Биморф элементүүдийн бодит загварт дотоод нийтлэг ба гадаад электродуудын хооронд боломжит ялгаа үүсдэг бөгөөд ингэснээр нэг элементийн талбар нь туйлшралын векторын чиглэлтэй давхцаж, нөгөө хэсэгт нь эсрэг чиглэлд чиглэгддэг.

Цахилгаан талбайн нөлөөн дор биморфыг гулзайлгах нь биморф пьезосканнеруудын ажиллах үндэс суурь болдог. Гурван биморф элементийг нэг загварт нэгтгэснээр биморф элемент дээр tripod хийх боломжтой.

Хэрэв биморф элементийн гадаад электродууд нь дөрвөн секторт хуваагдвал Z тэнхлэгийн дагуу болон X, Y хавтгайд нэг биморф элемент дээр датчикийн хөдөлгөөнийг зохион байгуулах боломжтой (Зураг 7).

Үнэн хэрэгтээ гадны электродуудын эсрэг талын хос хэсгүүдэд фазын эсрэг хүчдэлийг хэрэглэснээр датчик нь X, Y хавтгайд шилжихийн тулд биморфыг нугалж болно (Зураг 7 (a, b)). Мөн гадаад электродын бүх хэсгүүдтэй харьцуулахад дотоод электродын потенциалыг өөрчилснөөр датчикийг Z чиглэлд хөдөлгөж, биморфыг нугалах боломжтой (Зураг 7 (c, d)).

3.2 Пьезокерамикийн шугаман бус байдал

Кристалуудаас технологийн хэд хэдэн давуу талтай ч пьезокерамик нь сканнерын элементүүдийн үйл ажиллагаанд сөргөөр нөлөөлдөг зарим сул талуудтай байдаг. Эдгээр сул талуудын нэг нь пьезоэлектрик шинж чанаруудын шугаман бус байдал юм. Зураг дээр. Жишээлбэл, 8-р зурагт пьезоэлектрик хоолойн Z чиглэлийн шилжилтийн хэмжээ нь хэрэглэсэн талбайн хэмжээнээс хамааралтай болохыг харуулж байна. Ерөнхий тохиолдолд (ялангуяа том хяналтын талбартай) пьезокерамик нь талбайн (эсвэл хяналтын хүчдэл) хэв гажилтын шугаман бус хамаарлаар тодорхойлогддог.

Тиймээс пьезокерамикийн хэв гажилт нь гадаад цахилгаан талбайн нарийн төвөгтэй функц юм.

Жижиг хяналтын талбаруудын хувьд энэ хамаарлыг дараах хэлбэрээр илэрхийлж болно.

u = d* E+ α* E*E+…

Энд d ба α нь пьезоэлектрик эффектийн шугаман ба квадрат модулиуд юм.

Шугаман бус эффектүүд гарч эхэлдэг талбайн ердийн утгууд E нь 100 В/мм-ийн дарааллаар байна. Тиймээс сканнерын элементүүдийг зөв ажиллуулахын тулд керамикийн шугаман байдлын бүс дэх талбаруудыг хянах (E< Е) .

сканерын электрон микроскоп

3.3 Пьезокерамикийн мөлхөгч ба пьезокерамикийн гистерезис

Пьезокерамикийн өөр нэг сул тал бол мөлхөгч (мөлхөгч) гэж нэрлэгддэг - хяналтын цахилгаан талбайн утгын өөрчлөлтөд удаашрах хариу үйлдэл юм.

Мөлхөх нь SPM зураг дээр ажиглагдаж буй энэ эффекттэй холбоотой геометрийн гажуудал үүсгэдэг. Орон нутгийн хэмжилт хийх зорилгоор сканнерыг тухайн цэг рүү аваачиж, сканнердах үйл явцын эхний үе шатанд Creep нь ялангуяа хүчтэй нөлөө үзүүлдэг. Керамик мөлхөгчдийн нөлөөллийг багасгахын тулд эдгээр процессуудад цаг хугацааны хоцрогдол ашигладаг бөгөөд энэ нь сканнерын хоцролтыг хэсэгчлэн нөхөх боломжийг олгодог.

Пьезокерамикийн өөр нэг сул тал бол цахилгаан талбайн өөрчлөлтийн чиглэлээс (гистерезис) суналтын хамаарлын тодорхой бус байдал юм.

Энэ нь ижил хяналтын хүчдэлийн үед пьезокерамикууд хөдөлгөөний чиглэлээс хамааран траекторийн өөр өөр цэгүүдэд гарч ирдэг. Пьезокерамикийн гистерезиас үүдэлтэй SPM зургийн гажуудлыг арилгахын тулд дээжийг зөвхөн хамаарлын аль нэг салбар дээр сканнердах үед мэдээллийг бүртгэдэг.

4. Сорьц ба дээжийн нарийн хөдөлгөөн хийх төхөөрөмж

4.1 Механик хурдны хайрцаг

Сканнерийн микроскопийн техникийн чухал асуудлуудын нэг бол микроскопын ажлын цоорхойг бүрдүүлэх, судлах гадаргуугийн талбайг сонгохын тулд датчик ба дээжийг нарийн хөдөлгөх хэрэгцээ юм. Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд объектыг өндөр нарийвчлалтайгаар хөдөлгөдөг янз бүрийн төрлийн төхөөрөмжийг ашигладаг. Төрөл бүрийн механик хурдны хайрцгууд өргөн тархсан бөгөөд анхны хөдөлгөгчийн бүдүүлэг хөдөлгөөн нь шилжсэн объектын нарийн хөдөлгөөнтэй тохирч байна. Хөдөлгөөнийг багасгах арга нь өөр байж болно. Хөшүүргийн гарны уртын зөрүүгээс шалтгаалан хөдөлгөөний хэмжээг багасгахад хүргэдэг хөшүүргийн төхөөрөмжийг өргөн ашигладаг. Хөшүүргийн хурдны хайрцгийн диаграммыг Зураг дээр үзүүлэв. 9.

Механик хөшүүрэг нь коэффициент бүхий хөдөлгөөний бууралтыг олж авах боломжийг олгодог

Тиймээс L гар ба l-ийн харьцаа их байх тусам датчик болон дээж рүү ойртох үйл явцыг илүү нарийвчлалтай хянах боломжтой.

Мөн микроскопуудын загварт механик хурдны хайрцгийг өргөн ашигладаг бөгөөд үүнд хоёр цуврал холбогдсон уян элементийн хөшүүн байдлын коэффициентүүдийн зөрүүгээс шалтгаалан хөдөлгөөнийг багасгадаг (Зураг 10). Бүтэц нь хатуу суурь, хавар, уян харимхай цацрагаас бүрдэнэ. Пүршний хөшүүн чанар k ба уян харимхай туяа K нь нөхцөл хангагдсан байхаар сонгогдоно: k.< K .

Бууруулах коэффициент нь уян хатан элементүүдийн хөшүүн байдлын коэффициентүүдийн харьцаатай тэнцүү байна.

Тиймээс цацрагийн хөшүүн ба пүршний хөшүүн байдлын харьцаа их байх тусам микроскопын ажлын элементийн шилжилтийг илүү нарийвчлалтай хянах боломжтой болно.

4.2 Stepper мотор

Stepper мотор (SEM) нь цахилгаан импульсийг салангид механик хөдөлгөөн болгон хувиргадаг цахилгаан механик төхөөрөмж юм. Stepper моторын чухал давуу тал нь оролтын гүйдлийн импульсээс роторын байрлалын хоёрдмол утгагүй хамаарлыг хангадаг бөгөөд ингэснээр роторын эргэлтийн өнцгийг хяналтын импульсийн тоогоор тодорхойлно. SHED-д эргүүлэх хүчийг статор ба роторын туйлуудын үүсгэсэн соронзон урсгалаар үүсгэдэг бөгөөд тэдгээр нь бие биенээсээ харьцангуй тохиромжтой байдаг.

Хамгийн энгийн загвар нь байнгын соронзон хөдөлгүүрт зориулагдсан. Эдгээр нь ороомогтой статор, байнгын соронз агуулсан ротороос бүрдэнэ. Зураг дээр. Зураг 11-д алхам хөдөлгүүрийн хялбаршуулсан загварыг харуулав.

Хувьсах роторын туйлууд нь шулуун хэлбэртэй бөгөөд хөдөлгүүрийн тэнхлэгтэй зэрэгцээ байрладаг. Зурагт үзүүлсэн мотор нь роторын 3 хос, статорын 2 хос туйлтай. Хөдөлгүүр нь 2 бие даасан ороомогтой бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь статорын эсрэг хоёр туйл дээр ороосон байдаг. Үзүүлсэн мотор нь 30 градусын алхамтай. Ороомогуудын аль нэгэнд гүйдэл асаалттай үед ротор нь ротор ба статорын эсрэг туйлууд бие биенийхээ эсрэг байрлах байрлалыг авах хандлагатай байдаг. Тасралтгүй эргэлтэнд хүрэхийн тулд та ороомогыг ээлжлэн асаах хэрэгтэй.

Практикт илүү төвөгтэй дизайнтай, роторын эргэлт тутамд 100-аас 400 алхам хийдэг шаталсан моторыг ашигладаг. Хэрэв ийм моторыг урсгалтай холболттой хослуулсан бол 0.1 мм орчим утастай бол объектын байршлын нарийвчлалыг ойролцоогоор 0.25 - 1 микроноор хангана. Нарийвчлалыг нэмэгдүүлэхийн тулд нэмэлт механик хурдны хайрцгийг ашигладаг. Цахилгаан хяналтын боломж нь датчик болон сканнерийн микроскопын дээжийг ойртуулах автоматжуулсан системд ShED-ийг үр дүнтэй ашиглах боломжийг олгодог.

4.3 Пьезо гишгүүртэй мотор

Багаж хэрэгслийг гадны чичиргээнээс сайн тусгаарлах шаардлага, датчикийн микроскопыг вакуум нөхцөлд ажиллуулах шаардлага нь датчик, дээжийг хөдөлгөхөд цэвэр механик төхөөрөмж ашиглахад ноцтой хязгаарлалт тавьдаг. Үүнтэй холбогдуулан объектын хөдөлгөөнийг алсаас хянах боломжийг олгодог пьезоэлектрик хувиргагч дээр суурилсан төхөөрөмжүүд датчик микроскопуудад өргөн тархсан.

Stepper инерцийн пьезо моторын дизайны нэгийг Зураг дээр үзүүлэв. 12. Энэ төхөөрөмж нь пьезоэлектрик хоолой (2) бэхлэгдсэн суурь (1) -ийг агуулдаг. Хоолой нь гадна болон дотор талын гадаргуу дээр электродууд (3) байдаг. Хоолойн төгсгөлд салангид хавар (4) байдаг бөгөөд энэ нь тусдаа булгийн дэлбээтэй цилиндр юм. Хаварт объектын эзэмшигч (5) суурилуулсан - өнгөлсөн гадаргуутай нэлээд том цилиндр. Зөөж буй объектыг пүрш эсвэл холбогч самар ашиглан эзэмшигчид бэхлэх боломжтой бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийг орон зайд ямар ч чиглэлд ажиллуулах боломжийг олгодог.

Төхөөрөмж нь дараах байдлаар ажилладаг. Объект эзэмшигчийг Z тэнхлэгийн чиглэлд шилжүүлэхийн тулд пьезо хоолойн электродуудад хөрөөний импульсийн хүчдэлийг хэрэглэнэ (Зураг 13).

Хөрөөний хүчдэлийн хавтгай урд хэсэгт хоолой нь хүчдэлийн туйлшралаас хамааран жигд уртасч эсвэл агшиж, төгсгөл нь пүрш ба объект эзэмшигчийн хамт зайнаас шилждэг.

Хөрөөний шүдний хүчдэл гарах үед хоолой нь анхны байрлалдаа буцаж ирдэг a хурдатгал нь эхлээд хамгийн их утгатай байна.

Энд ω нь хоолойн уртааш чичиргээний резонансын давтамж юм. F нөхцөл хангагдсан үед< 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. Зондны микроскопыг гадны нөлөөллөөс хамгаалах

5.1 Чичиргээний хамгаалалт

Төхөөрөмжүүдийг гадны чичиргээнээс хамгаалахын тулд янз бүрийн төрлийн чичиргээ тусгаарлах системийг ашигладаг. Уламжлал ёсоор тэдгээрийг идэвхгүй, идэвхтэй гэж хувааж болно. Идэвхгүй чичиргээ тусгаарлах системийн үндсэн санаа нь дараах байдалтай байна. Механик системийн албадан хэлбэлзлийн далайц нь өдөөх хүчний давтамж ба системийн байгалийн резонансын давтамжийн зөрүү ихсэх тусам хурдан буурдаг (хэлбэлзлийн системийн ердийн далайц-давтамжийн хариу үйлдэл (AFC)-ийг 14-р зурагт үзүүлэв. ).

Тиймээс ω > ω давтамжтай гадны нөлөөлөл нь хэлбэлзлийн системд бараг мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлэхгүй. Иймээс, хэрэв чичиргээ тусгаарлах тавцан дээр эсвэл уян харимхай суспенз дээр (Зураг 15) датчикийн микроскопын хэмжих толгойг байрлуулбал чичиргээ тусгаарлах системийн резонансын давтамжтай ойролцоо давтамжтай гадны чичиргээ л дамжин өнгөрөх болно. микроскопын бие. SPM толгойн байгалийн давтамж нь 10-100 кГц байдаг тул чичиргээ тусгаарлах системийн резонансын давтамжийг нэлээд бага (ойролцоогоор 5-10 Гц) сонгосноор та төхөөрөмжийг гадны чичиргээнээс маш үр дүнтэй хамгаалж чадна. Байгалийн резонансын давтамжийн чичиргээг багасгахын тулд чичиргээ тусгаарлах системд наалдамхай үрэлт бүхий задрах элементүүдийг нэвтрүүлдэг.

Тиймээс үр дүнтэй хамгаалалтыг хангахын тулд чичиргээ тусгаарлах системийн резонансын давтамжийг аль болох бага байлгах шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч маш бага давтамжийг практикт хэрэгжүүлэхэд хэцүү байдаг.

SPM толгойг хамгаалахын тулд гадны чичиргээг дарах идэвхтэй системийг амжилттай ашиглаж байна. Ийм төхөөрөмжүүд нь сөрөг хариу үйлдэл бүхий цахилгаан механик систем бөгөөд энэ нь чичиргээ тусгаарлах тавцангийн орон зайд тогтвортой байрлалыг баталгаажуулдаг (Зураг 16).

5.2 Акустик дуу чимээний хамгаалалт

Сорьцын микроскопын дизайны элементүүдийн чичиргээний өөр нэг эх үүсвэр нь янз бүрийн шинж чанартай акустик дуу чимээ юм.

Акустик интерференцийн нэг онцлог нь акустик долгион нь SPM толгойн бүтцийн элементүүдэд шууд нөлөөлдөг бөгөөд энэ нь судалж буй дээжийн гадаргуутай харьцуулахад датчикийн хэлбэлзэлд хүргэдэг. SPM-ийг акустик интерференцээс хамгаалахын тулд янз бүрийн хамгаалалтын тагийг ашигладаг бөгөөд энэ нь микроскопын ажлын завсар дахь акустик интерференцийн түвшинг эрс бууруулдаг. Акустик нөлөөллөөс хамгаалах хамгийн үр дүнтэй арга бол датчик микроскопын хэмжих толгойг вакуум камерт байрлуулах явдал юм (Зураг 17).

5.3 Гадаргуу дээрх датчикийн байрлалын дулааны шилжилтийг тогтворжуулах

SPM-ийн чухал асуудлуудын нэг бол судалж буй дээжийн гадаргуу дээрх датчикийн байрлалыг тогтворжуулах ажил юм. Сорьцын байрлалын тогтворгүй байдлын гол эх үүсвэр нь үйл ажиллагааны явцад орчны температурын өөрчлөлт эсвэл микроскопийн бүтцийн элементүүдийн халаалт юм. Хатуу бодисын температурын өөрчлөлт нь термоэластик хэв гажилт үүсэхэд хүргэдэг. Ийм хэв гажилт нь датчикийн микроскопуудын үйл ажиллагаанд маш чухал нөлөө үзүүлдэг. Дулааны шилжилтийг багасгахын тулд SPM хэмжих толгойн термостатыг ашигладаг эсвэл дулааны нөхөн олговрын элементүүдийг толгойн загварт нэвтрүүлдэг. Дулааны нөхөн олговрын санаа нь дараах байдалтай байна. Аливаа SPM загварыг янз бүрийн дулааны тэлэлтийн коэффициент бүхий элементүүдийн багц хэлбэрээр төлөөлж болно (Зураг 18 (а)).

Дулааны шилжилтийг нөхөхийн тулд янз бүрийн тэлэлтийн коэффициент бүхий нөхөх элементүүдийг SPM хэмжих толгойн загварт нэвтрүүлсэн бөгөөд ингэснээр бүтцийн янз бүрийн гар дахь температурын тэлэлтийн нийлбэр тэгтэй тэнцүү байх нөхцлийг хангана.

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Z тэнхлэгийн дагуух датчикийн байрлалын дулааны шилжилтийг багасгах хамгийн энгийн арга бол үндсэн бүтцийн элементүүдтэй ижил шинж чанартай, ижил материалаар хийгдсэн нөхөх элементүүдийг SPM загварт нэвтрүүлэх явдал юм (Зураг 18 (б)). Энэ дизайны температур өөрчлөгдөхөд датчикийг Z чиглэлд шилжүүлэх нь хамгийн бага байх болно. X, Y хавтгай дахь датчикийн байрлалыг тогтворжуулахын тулд микроскопуудын хэмжих толгойг тэнхлэгийн тэгш хэмтэй бүтэц хэлбэрээр үйлдвэрлэдэг.

6. SPM дүрсийг үүсгэх, боловсруулах

6.1 Сканнердах үйл явц

Сканнерийн датчикийн микроскопоор гадаргууг сканнердах үйл явц нь телевизийн катодын туяаны хоолой дахь электрон цацрагийн дэлгэцийн хөдөлгөөнтэй төстэй юм. Сорьц нь шугамын дагуу (шугам), эхлээд урагшаа, дараа нь урвуу чиглэлд (шугам скан) хөдөлж, дараа нь дараагийн мөрөнд (хүрээ скан) шилжинэ (Зураг 19). Сорьц нь дижитал-аналог хувиргагчаар үүсгэгдсэн хөрөөний хүчдэлийн нөлөөн дор жижиг алхамаар сканнер ашиглан хөдөлдөг. Гадаргуугийн топографийн талаархи мэдээллийг бүртгэх нь дүрмээр бол шууд дамжуулалтаар явагддаг.

Сканнерийн микроскоп ашиглан олж авсан мэдээллийг SPM хүрээ хэлбэрээр хадгалдаг - бүхэл тоон a (матриц) хоёр хэмжээст массив. Эдгээр тоонуудын физик утгыг сканнердах явцад дижитал хэлбэрт оруулсан утгаар тодорхойлно. Хос индексийн утга тус бүр ij нь сканнердах талбар дахь гадаргуугийн тодорхой цэгтэй тохирч байна. Гадаргуугийн цэгүүдийн координатыг зөвхөн тухайн мэдээллийг бүртгэсэн цэгүүдийн хоорондох зайгаар харгалзах индексийг үржүүлэх замаар тооцоолно.

Дүрмээр бол SPM хүрээ нь 2 хэмжээтэй дөрвөлжин матрицууд (ихэнхдээ 256x256 ба 512x512 элемент). SPM хүрээний дүрслэлийг компьютер график ашиглан голчлон гурван хэмжээст (3D) ба хоёр хэмжээст тод (2D) дүрс хэлбэрээр гүйцэтгэдэг. 3D дүрслэлд гадаргуугийн дүрсийг пиксел эсвэл шугам ашиглан аксонометрийн хэтийн төлөвөөр бүтээдэг. Үүнээс гадна гадаргуугийн рельефийн янз бүрийн өндөрт тохирох пикселийг тодруулахын тулд янз бүрийн аргыг ашигладаг. 3 хэмжээст дүрсийг өнгөөр ​​ялгах хамгийн үр дүнтэй арга бол гадаргуугаас дээш орон зайн аль нэг цэгт байрлах цэгийн эх үүсвэрээр гадаргуугийн гэрэлтүүлгийн нөхцөлийг дуурайх явдал юм (Зураг 20). Үүний зэрэгцээ тусламжийн жижиг хэмжээний тэгш бус байдлыг онцлон тэмдэглэх боломжтой. Мөн компьютерийн боловсруулалт, графикийг ашиглан 3D SPM дүрсийг масштаблах, эргүүлэх ажлыг гүйцэтгэдэг. 2D дүрслэлийн тусламжтайгаар гадаргуугийн цэг бүрт өнгө оноодог. Хамгийн өргөн хэрэглэгддэг нь градиент палитр бөгөөд дүрсийг гадаргуу дээрх цэгийн өндрийн дагуу тодорхой өнгөт өнгөөр ​​​​буддаг.

Орон нутгийн SPM хэмжилт нь дүрмээр бол янз бүрийн параметрүүдээс судалж буй хэмжигдэхүүний хамаарлыг бүртгэдэг. Жишээлбэл, эдгээр нь датчик-гадаргуугийн контактаар дамжих цахилгаан гүйдлийн хэмжээ нь хэрэглэсэн хүчдэлээс хамаарах хамаарал, датчик ба гадаргуугийн хоорондох хүчний харилцан үйлчлэлийн янз бүрийн параметрүүдийн датчик- дээжийн зайнаас хамаарах хамаарал юм. Мэдээллийг вектор массив хэлбэрээр эсвэл 2 х N матриц хэлбэрээр хадгалдаг. Тэдгээрийг дүрслэн харуулахын тулд микроскопын програм хангамж нь функцын графикийг харуулах стандарт хэрэгслүүдээр хангадаг.

6.2 Зургийг бүтээх, боловсруулах арга

Сканнерийн микроскопийн аргыг ашиглан объектын шинж чанарыг судлахдаа шинжлэх ухааны судалгааны гол үр дүн нь дүрмээр бол эдгээр объектын гадаргуугийн гурван хэмжээст дүрс юм. Зургийн тайлбарын зохистой байдал нь мэргэжилтний ур чадвараас хамаарна. Үүний зэрэгцээ зураг боловсруулах, бүтээхдээ хэд хэдэн уламжлалт арга техникийг ашигладаг бөгөөд эдгээрийг зураг дээр дүн шинжилгээ хийхдээ анхаарах хэрэгтэй. Сканнерийн микроскоп нь компьютерийн технологи эрчимтэй хөгжиж байх үед гарч ирсэн. Тиймээс гурван хэмжээст дүрс бичлэг хийхдээ компьютерт зориулж боловсруулсан тоон хадгалах аргыг ашигласан. Энэ нь зургийн дүн шинжилгээ, боловсруулалтад ихээхэн тохь тухыг бий болгосон боловч электрон микроскопийн аргуудад байдаг гэрэл зургийн чанарыг золиослох шаардлагатай байв. Сорьцын микроскоп ашиглан олж авсан мэдээллийг компьютерт бүхэл тоонуудын хоёр хэмжээст матриц хэлбэрээр дүрсэлдэг. Энэ матриц дахь тоо бүр нь сканнердах горимоос хамааран туннелийн гүйдлийн утга, хазайлтын утга эсвэл илүү төвөгтэй функцын утга байж болно. Хэрэв та энэ матрицыг хүнд үзүүлбэл тэрээр судалж буй гадаргуугийн талаар ямар ч уялдаа холбоотой санаа олж авах боломжгүй болно. Тиймээс эхний асуудал бол тоонуудыг ойлгоход хялбар хэлбэрт шилжүүлэх явдал юм. Үүнийг дараах байдлаар хийнэ. Анхны матриц дахь тоонууд нь хамгийн бага ба хамгийн их утгууд байдаг. Энэ бүхэл тоонд өнгөт палитр хуваарилагдсан. Тиймээс матрицын утга бүрийг тэгш өнцөгт дүрс дээр тодорхой өнгөт цэг дээр буулгана. Энэ утга байгаа мөр, багана нь тухайн цэгийн координат болно. Үүний үр дүнд бид жишээлбэл, гадаргуугийн өндрийг газарзүйн газрын зураг дээрх шиг өнгөөр ​​илэрхийлсэн зургийг олж авдаг. Гэхдээ газрын зураг дээр ихэвчлэн хэдэн арван өнгө хэрэглэдэг боловч бидний зурган дээр хэдэн зуу, мянгаараа байдаг. Ойлголтыг хөнгөвчлөхийн тулд ойролцоо өндөртэй цэгүүдийг ижил төстэй өнгөөр ​​дүрсэлсэн байх ёстой. Анхны утгын хүрээ нь боломжит өнгөний тооноос их байх нь дүрмээр үргэлж тохиолддог байж магадгүй юм. Энэ тохиолдолд мэдээлэл алдагдаж, хүний ​​нүдний боломж хязгаарлагдмал тул өнгөний тоог нэмэгдүүлэх нь шийдэл биш юм. Нэмэлт мэдээлэл боловсруулах шаардлагатай бөгөөд боловсруулалт нь даалгавараас хамааран өөр өөр байх ёстой. Зарим хүмүүс зургийг бүхэлд нь харах хэрэгтэй байхад зарим нь нарийн ширийн зүйлийг харахыг хүсдэг. Үүний тулд янз бүрийн аргыг ашигладаг.

6.3 Тогтмол налууг хасах

Сорьцын микроскопоор авсан гадаргуугийн зураг нь ерөнхийдөө налуутай байдаг. Энэ нь хэд хэдэн шалтгааны улмаас байж болно. Нэгдүгээрт, датчиктай харьцуулахад дээжийг буруу байрлуулсантай холбоотойгоор хазайлт гарч болзошгүй; хоёрдугаарт, энэ нь температурын зөрүүтэй холбоотой байж болох бөгөөд энэ нь дээжтэй харьцуулахад датчикийг нүүлгэн шилжүүлэхэд хүргэдэг; Гуравдугаарт, энэ нь пьезосканнерын хөдөлгөөний шугаман бус байдлаас үүдэлтэй байж болно. Налууг харуулах нь SPM хүрээн дэх ашиглах боломжтой их хэмжээний зай эзэлдэг тул зургийн жижиг хэсгүүд үл үзэгдэх болно. Энэ дутагдлыг арилгахын тулд тогтмол налууг хасах үйлдлийг гүйцэтгэдэг. Үүнийг хийхийн тулд эхний шатанд хамгийн бага квадратын аргыг ашиглан ойролцоох хавтгайг олно

Гадаргуугийн рельефээс хамгийн бага хазайлттай P(x,y) Z = f(x,y), дараа нь энэ хавтгай нь SPM дүрсээс хасагдана. Налуугийн шинж чанараас хамааран янз бүрийн аргаар хасах ажлыг гүйцэтгэх нь зүйтэй.

Хэрэв SPM зураг дээрх хазайлт нь сорьцын дээжтэй харьцуулахад дээжийн хазайлтаас шалтгаалж байвал хавтгайг хэвийн ба Z тэнхлэгийн хоорондох өнцөгт тохирсон өнцгөөр эргүүлэх нь зүйтэй; энэ тохиолдолд гадаргуугийн координат Z = f(x,y) нь орон зайн эргэлтийн хувиргалтуудын дагуу өөрчлөгдөнө. Гэхдээ энэ хувиргалтыг хийснээр гадаргуугийн дүрсийг Z = f(x,y) олон утгатай функц хэлбэрээр авах боломжтой. Хэрэв хазайлт нь дулааны шилжилтээс үүдэлтэй бол хазайлтыг хасах процедурыг SPM зургийн Z координатаас онгоцны Z координатыг хасах хүртэл бууруулна.

Үр дүн нь утгын хүрээ багатай массив бөгөөд зураг дээрх нарийн ширийн зүйлс илүү олон өнгөөр ​​тусгагдаж, илүү тод харагдах болно.

6.4 Сканнерийн согогтой холбоотой гажуудлыг арилгах

Сканнерийн шинж чанаруудын төгс бус байдал нь SPM дүрс нь хэд хэдэн тодорхой гажуудлыг агуулсан байдаг. Сканнерын урагш ба урвуу цохилтын тэгш бус байдал (гистерезис), пьезокерамикийн мөлхөгч ба шугаман бус байдал зэрэг сканнерын хэсэгчилсэн согогийг техник хангамж, сканнерын оновчтой горимыг сонгох замаар нөхдөг. Гэсэн хэдий ч, SPM зураг нь техник хангамжийн түвшинд арилгахад хэцүү гажуудлыг агуулдаг. Ялангуяа дээжийн хавтгай дахь сканнерын хөдөлгөөн нь гадаргуу дээрх датчикийн байрлалд нөлөөлдөг тул SPM зураг нь бодит рельефийн суперпозици ба хоёр дахь (болон ихэвчлэн илүү) дарааллын зарим гадаргуу юм.

Энэ төрлийн гажуудлыг арилгахын тулд хамгийн бага квадратын аргыг ашиглан Z = f(x,y) анхны функцээс хамгийн бага хазайлттай P(x,y) хоёр дахь эрэмбийн ойролцоох гадаргууг олох ба дараа нь энэ гадаргуу нь анхны SPM зургаас хассан:

Өөр нэг төрлийн гажуудал нь X, Y хавтгай дахь сканнерын хөдөлгөөний шугаман бус ба ортогональ бус байдалтай холбоотой бөгөөд энэ нь гадаргуугийн SPM дүрсний янз бүрийн хэсгүүдийн геометрийн харьцааг гажуудуулахад хүргэдэг. Ийм гажуудлыг арилгахын тулд тодорхой сканнер нь сайн мэддэг рельефтэй туршилтын бүтцийг сканнердах үед үүсдэг залруулгын коэффициент файлыг ашиглан SPM зургийг засах процедурыг гүйцэтгэдэг.

6.5 SPM зургийг шүүх

Тоног төхөөрөмжийн дуу чимээ (ихэвчлэн өндөр мэдрэмтгий оролтын өсгөгчийн дуу чимээ), сканнердах явцад мэдрэгч-дээжийн контактын тогтворгүй байдал, гадаад акустик дуу чимээ, чичиргээ зэрэг нь SPM зураг нь ашигтай мэдээллийн хамт дуу чимээний бүрэлдэхүүн хэсэгтэй болоход хүргэдэг. SPM зураг дээрх хэсэгчилсэн дуу чимээг програм хангамж ашиглан арилгаж болно.

6.6 Дундаж шүүлтүүр

SPM фрейм дэх өндөр давтамжийн санамсаргүй дуу чимээг арилгахад медиан шүүлтүүр нь сайн үр дүнг өгдөг. Энэ бол шугаман бус зураг боловсруулах арга бөгөөд түүний мөн чанарыг дараах байдлаар тайлбарлаж болно. nxn цэгүүдээс бүрдэх ажлын шүүлтүүрийн цонхыг сонгосон (тодорхой байхын тулд 3 х 3 хэмжээтэй, жишээлбэл 9 цэг агуулсан цонхыг авъя (Зураг 24)).

Шүүлтүүр хийх явцад энэ цонх нь хүрээг дамнан цэгээс цэг рүү шилжих ба дараах процедурыг гүйцэтгэнэ. Энэ цонхны цэгүүд дэх SPM зургийн далайцын утгыг өсөх дарааллаар байрлуулж, эрэмбэлэгдсэн эгнээний төвд байгаа утгыг цонхны төв цэгт оруулна. Дараа нь цонхыг дараагийн цэг рүү шилжүүлж, эрэмбэлэх процедурыг давтана. Иймээс, ийм эрэмбэлэх үед хүчтэй санамсаргүй давамгайлсан үзүүлэлтүүд болон бүтэлгүйтэл нь эрэмбэлэгдсэн массивын ирмэг дээр байх бөгөөд эцсийн (шүүгдсэн) зурагт оруулахгүй. Ийм боловсруулалт хийснээр эцсийн зураг дээр хаягдсан хүрээний ирмэг дээр шүүгдээгүй хэсгүүд үлддэг.

6.7 Гадаргууг түүний SPM дүрсээс дахин бүтээх арга

Сканнерийн микроскопыг сканнердах бүх аргуудын нэг сул тал бол ашигласан датчикуудын ажлын хэсгийн хязгаарлагдмал хэмжээ юм. Энэ нь микроскопын орон зайн нарийвчлалыг ихээхэн доройтуулж, датчикийн ажлын хэсгийн онцлог шинж чанартай харьцуулж болохуйц тэгш бус байдал бүхий гадаргууг сканнердах үед SPM дүрсийг ихээхэн гажуудуулахад хүргэдэг.

Үнэн хэрэгтээ SPM-д олж авсан зураг нь судалж буй датчик ба гадаргуугийн "хувиралт" юм. Зондны хэлбэрийг гадаргуугийн рельефтэй "хувирах" үйл явцыг Зураг дээрх нэг хэмжээст тохиолдолд дүрсэлсэн болно. 25.

Энэ асуудлыг датчикуудын тодорхой хэлбэрийг харгалзан SPM өгөгдлийг компьютерт боловсруулахад суурилсан SPM дүрсийг сэргээх сүүлийн үед боловсруулсан аргуудын тусламжтайгаар хэсэгчлэн шийдэж болно. Гадаргууг нөхөн сэргээх хамгийн үр дүнтэй арга бол туршилтын бүтцийг сканнердах замаар туршилтаар олж авсан датчик хэлбэрийг ашигладаг тоон хувиргалт арга юм (гадаргын топографийн сайн мэддэг).

Дээжийн гадаргууг бүрэн сэргээх нь зөвхөн хоёр нөхцөл хангагдсан тохиолдолд л боломжтой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй: датчик нь сканнердах явцад гадаргуугийн бүх цэгүүдэд хүрч, мөч бүрт датчик нь гадаргуугийн зөвхөн нэг цэгт хүрдэг. Хэрэв сканнердах явцад датчик нь гадаргуугийн тодорхой хэсэгт хүрч чадахгүй бол (жишээлбэл, дээж нь рельефийн давхцсан хэсгүүдтэй бол) зөвхөн хэсэгчилсэн нөхөн сэргээлт явагдана. Түүнчлэн сканнердах явцад датчикийн гадаргуу дээр илүү олон цэг хүрэх тусам гадаргууг илүү найдвартай сэргээж чадна.

Практикт SPM дүрс ба туршилтаар тодорхойлсон датчик хэлбэр нь салангид утгын хоёр хэмжээст массив бөгөөд тэдгээрийн дериватив нь муу тодорхойлогдсон хэмжигдэхүүн юм. Иймээс практикт дискрет функцүүдийн деривативыг тооцоолохын оронд SPM дүрсийг тоон задралын үед тогтмол дундаж өндөртэй сканнердах үед датчик ба гадаргуугийн хоорондох хамгийн бага зайны нөхцлийг ашигладаг.

Энэ тохиолдолд тухайн цэг дэх гадаргуугийн рельефийн өндрийг датчикийн өгөгдсөн байрлалын гадаргуутай харьцуулахад датчик ба харгалзах гадаргуугийн цэгийн хоорондох хамгийн бага зай гэж авч болно. Физик утгаараа энэ нөхцөл нь деривативуудын тэгш байдлын нөхцөлтэй тэнцэх боловч илүү тохиромжтой аргыг ашиглан датчикийн гадаргуутай харьцах цэгийг хайх боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь рельефийг сэргээх хугацааг эрс багасгадаг.

Зондуудын ажлын хэсгийн хэлбэрийг тохируулах, тодорхойлохын тулд гадаргуугийн тусламжийн мэдэгдэж буй параметр бүхий тусгай туршилтын бүтцийг ашигладаг. Атомын хүчний микроскоп ашиглан олж авсан хамгийн түгээмэл туршилтын бүтцийн төрлүүд ба тэдгээрийн онцлог шинж чанаруудыг Зураг дээр үзүүлэв. 26 ба зураг. 27.

Хурц өргөс хэлбэртэй тохируулгын тор нь датчикийн үзүүрийг нарийн тодорхойлох боломжийг олгодог бол тэгш өнцөгт тор нь хажуугийн гадаргуугийн хэлбэрийг сэргээхэд тусалдаг. Эдгээр торыг сканнердсаны үр дүнг нэгтгэснээр датчикуудын ажлын хэсгийн хэлбэрийг бүрэн сэргээх боломжтой.

7. Орчин үеийн SPM

1) Сканнерийн датчик микроскоп SM-300

Нүх сүвний орон зайн морфологийн онцлог, бүтцийг судлах зорилготой. SM-300 (Зураг 28) нь оптик байрлал тогтоох микроскоптой бөгөөд энэ нь сонирхол татахуйц хэсгийг эцэс төгсгөлгүй хайх шаардлагагүй болно. Дээжийн өнгөт оптик дүрсийг бага зэрэг томруулж, компьютерийн дэлгэц дээр харуулав. Оптик дүрс дээрх хөндлөн зураас нь электрон цацрагийн байрлалтай тохирч байна. Загалмайн зураасыг ашигласнаар та растер анализ хийх сонирхлын бүсийг хурдан тодорхойлох боломжтой

Цагаан будаа. 28. SPM SM-300 электрон микроскоп. Оптик байрлал тогтоох төхөөрөмж нь тусдаа компьютерээр тоноглогдсон бөгөөд энэ нь сканнерийн микроскопоос бие даасан байдлыг баталгаажуулдаг.

ЧАДВАР SM - 300

· 4 нм нарийвчлалтай баталгаатай

· Өвөрмөц оптик байрлал тогтоох микроскоп (заавал биш)

· Ухаалаг Windows® програм хангамж

Компьютерийн бүрэн удирдлагатай сканнерийн микроскоп, дүрслэл

Тоон дохио боловсруулах стандарт ТВ гаралт

· Бага вакуум системийн компьютерийн удирдлага (заавал биш)

· Бүх судалгааг хэрэглээний тэнхлэгийн ижил байрлалд (12 мм) гүйцэтгэдэг.

Бага ба өндөр вакуум горимд элементийн рентген микроанализ (заавал биш)

Өрөөний ердийн гэрэлтүүлгийн нөхцөлд ажиллах чадвартай

· Цахилгаан дамжуулахгүй дээжийг урьдчилсан бэлтгэлгүйгээр судлах

Бага вакуум горимд 5.5 нм нарийвчлалтай

· Програм хангамжийн горимд шилжих хяналт

Сонгох боломжтой камерын вакуум хүрээ 1.3 – 260 Па

· Компьютерийн дэлгэцийн дэлгэц дээр зураг харуулах

· Цуваа V-backscatter Robinson мэдрэгч

2) INCA Energy+Oxford бичил шинжилгээний систем бүхий Supra50VP өндөр нарийвчлалтай сканнерийн датчик микроскоп.

Энэхүү төхөөрөмж (Зураг 29) нь нано болон биотехнологийн чиглэлээр материал судлалын бүх салбарт судалгаа хийхэд зориулагдсан. Энэхүү төхөөрөмж нь том дээжтэй ажиллах боломжийг олгодог бөгөөд цахилгаан дамжуулдаггүй дээжийг бэлтгэлгүйгээр судлахын тулд хувьсах даралтын горимыг дэмждэг. Цагаан будаа. 29. SPM Supra50VP

Параметрүүд:

Хурдасгах хүчдэл 100 В – 30 кВ (хээрийн ялгаралтын катод)

Макс. x 900000 хүртэл нэмэгдэнэ

Хэт өндөр нарийвчлалтай - 1 нм хүртэл (20 кВ-д)

2-оос 133 Па хүртэлх хувьсах даралттай вакуум горим

Хурдасгах хүчдэл - 0.1-ээс 30 кВ хүртэл

Таван зэрэглэлийн эрх чөлөө бүхий мотортой ширээ

EDX детекторын нягтрал нь Ka(Mn) шугам дээр 129 eV, тоолох хурд нь 100,000 тоо/с хүртэл

3) LEO SUPRA 25 орчин үеийн “GEMINI” багана, талбайн ялгаруулалт бүхий микроскоп (Зураг 30).

– Наноанализийн судалгаанд зориулагдсан

– Микроанализ хийхэд EDX болон WDX системийг хоёуланг нь холбож болно

– 20 кВ-д 1.5 нм, 1 кВ-д 2 нм нарийвчлалтай.

Дүгнэлт

Сүүлийн жилүүдэд датчик микроскопийг ашигласнаар физик, хими, биологийн янз бүрийн салбарт шинжлэх ухааны өвөрмөц үр дүнд хүрэх боломжтой болсон.

Хэрэв анхны сканнерийн датчик микроскопууд нь чанарын судалгаанд зориулагдсан индикатор төхөөрөмж байсан бол орчин үеийн сканнерийн датчик микроскоп нь 50 хүртэлх төрлийн судалгааны аргыг нэгтгэсэн төхөөрөмж юм. Энэ нь датчик дээжийн системд заасан хөдөлгөөнийг 0.1% -ийн нарийвчлалтайгаар гүйцэтгэх, датчик хэлбэрийн коэффициентийг тооцоолох, нэлээд том хэмжээтэй (сканнердах хавтгайд 200 мкм хүртэл, өндөр нь 15-20 мкм) нарийвчлалтай хэмжилт хийх чадвартай. ) ба үүний зэрэгцээ дэд молекулын нарийвчлалыг хангана.

Сканнерийн микроскопууд нь дэлхийн зах зээл дээр шинжлэх ухааны судалгааны хамгийн алдартай ангиллын нэг болжээ. Төрөл бүрийн хэрэглээнд зориулагдсан шинэ төхөөрөмжийн загварууд байнга бүтээгддэг.

Нанотехнологийн динамик хөгжил нь судалгааны технологийн чадавхийг улам бүр өргөжүүлэхийг шаарддаг. Дэлхий даяар өндөр технологийн компаниуд Раман спектроскопи, люминесценцийн спектроскопи, элементийн шинжилгээний рентген спектроскопи, өндөр нарийвчлалтай оптик микроскопи, электрон микроскопи зэрэг аналитик аргуудын бүхэл бүтэн бүлгийг нэгтгэсэн судалгаа, технологийн нано цогцолборуудыг бүтээхээр ажиллаж байна. , төвлөрсөн ион техник баглаа. Системүүд нь хүчирхэг оюуны чадамжийг олж авдаг: зургийг таних, ангилах, шаардлагатай ялгаатай байдлыг тодруулах, үр дүнг дуурайх чадвартай, тооцоолох хүчийг супер компьютер ашиглан хангадаг.

Боловсруулж буй технологи нь хүчирхэг хүчин чадалтай боловч түүний хэрэглээний эцсийн зорилго нь шинжлэх ухааны үр дүнд хүрэх явдал юм. Энэхүү технологийн чадавхийг эзэмших нь өөрөө эдгээр төхөөрөмж, системийг үр дүнтэй ашиглах чадвартай өндөр мэргэшсэн мэргэжилтнүүдийг бэлтгэхийг шаарддаг өндөр төвөгтэй ажил юм.

Лавлагаа

1. Неволин В.К. Туннель-датчик технологийн үндэс / В.К., - М.: Наука, 1996, - 91 х.

2. Кулаков Ю. Электрон микроскоп / Ю.

3. Володин А.П. Сканнерийн микроскоп / A. P. Володин, – М.: Наука, 1998, – 114 х.

4. Биополимерын сканнерийн микроскоп / I. V. Yaminsky, - М.: Шинжлэх ухааны ертөнц, 1997, - 86 х.

5. Миронов В. Сканнерийн микроскопийн үндэс / В. Миронов, – М.: Техносфер, 2004, – 143 х.

6. Рыков S. A. Хагас дамжуулагч материалын сканнерийн датчик микроскоп / S. A. Рыков, – Санкт-Петербург: Наука, 2001, – 53 х.

7. Быков В.А., Лазарев М.И. Шинжлэх ухаан, үйлдвэрлэлийн зориулалттай сканнерийн микроскоп / V. A. Bykov, M. I. Лазарев // Электроник: шинжлэх ухаан, технологи, бизнес, – 1997, – № 5, – Хамт. 7-14.

Нанообъектуудыг ажиглаж, хөдөлгөх боломжтой болсон анхны төхөөрөмжүүд нь сканнерийн датчик микроскопууд - атомын хүчний микроскоп ба ижил төстэй зарчмаар ажилладаг сканнерын хонгилын микроскопууд байв. Атомын хүчний микроскопийг (AFM) 1986 онд энэхүү судалгааныхаа төлөө Нобелийн шагнал хүртсэн Г.Бинниг, Г.Рорер нар бүтээжээ. Хувь хүний ​​атомуудын хооронд үүсэх таталцлын болон түлхэлтийн хүчийг мэдрэх чадвартай атомын хүчний микроскоп бүтээсэн нь эцэст нь нанообъектуудыг "хүрч, харах" боломжтой болсон.

Зураг 9. Сканнерийн датчик микроскопын ажиллах зарчим (http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html# сайтаас авсан). Тасархай шугам нь лазер туяаны замыг харуулж байна. Бусад тайлбарыг текстэнд оруулсан болно.

AFM-ийн үндэс (9-р зургийг үз) нь ихэвчлэн цахиураар хийгдсэн, нимгэн консол хавтанг төлөөлдөг датчик юм (энэ нь консол гэж нэрлэгддэг, англи хэлний "консол" - консол, цацраг). Консолын төгсгөлд (урт » 500 мкм, өргөн » 50 мкм, зузаан » 1 мкм) нэг бүлэгт төгсдөг маш хурц үзүүртэй (урт » 10 мкм, муруйлтын радиус 1-ээс 10 нм хүртэл) байна. эсвэл түүнээс олон атом (10-р зургийг үз).

Зураг 10. Бага (дээд) болон өндөр өсгөлтөөр авсан ижил датчикийн электрон микрофото.

Микрофон нь дээжийн гадаргуугийн дагуу хөдөлж байх үед грамфоны зүүг грамфоны пянзны дагуу гулсуулж байгаатай адил шонгийн үзүүр нь дээшээ доошилж, гадаргуугийн микрорельефийг дүрсэлдэг. Консолын цухуйсан төгсгөлд (баяжуулалтын дээд талд, 9-р зургийг үз) лазер туяа унаж туссан толин тусгал хэсэг байдаг. Баяжуулалтыг тэгш бус гадаргуу дээр буулгаж, өргөхөд ойсон цацраг хазайдаг бөгөөд энэ хазайлтыг фотодетектор бүртгэж, ойролцоох атомуудад баяжуулалтын татагдах хүчийг пьезоэлектрик мэдрэгчээр бүртгэдэг.

Фотодетектор ба пьезоэлектрик мэдрэгчийн өгөгдлийг санал хүсэлтийн системд ашигладаг бөгөөд жишээлбэл, микропроб ба дээжийн гадаргуу хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчний тогтмол утгыг өгөх боломжтой. Үүний үр дүнд дээжийн гадаргуугийн эзэлхүүний рельефийг бодит цаг хугацаанд хийх боломжтой. AFM аргын нарийвчлал нь хэвтээ чиглэлд ойролцоогоор 0.1-1 нм, босоо чиглэлд 0.01 нм байна. Сканнерийн микроскоп ашиглан олж авсан Escherichia coli бактерийн зургийг Зураг дээр үзүүлэв. 11.

Зураг 11. Escherichia coli нян ( Escherichia coli). Зургийг сканнерийн микроскоп ашиглан авсан. Бактерийн урт нь 1.9 микрон, өргөн нь 1 микрон юм. Тугны зузаан нь 30 нм ба 20 нм байна.

Өөр нэг бүлэг сканнерийн микроскопууд нь гадаргуугийн рельефийг бий болгохын тулд квант механик "туннелийн эффект" гэж нэрлэдэг. Хонгилын эффектийн мөн чанар нь хурц металл зүү ба 1 нм орчим зайд байрлах гадаргуугийн хоорондох цахилгаан гүйдэл энэ зайнаас хамаарч эхэлдэг - зай бага байх тусам гүйдэл их байх болно. Хэрэв зүү ба гадаргуугийн хооронд 10 В хүчдэл хэрэглэвэл энэ "хонгил" гүйдэл 10 пА-аас 10 нА хооронд хэлбэлзэж болно. Энэ гүйдлийг хэмжиж, тогтмол байлгаснаар зүү ба гадаргуугийн хоорондох зайг тогтмол байлгах боломжтой. Энэ нь гадаргуугийн эзэлхүүний профайлыг бүтээх боломжийг олгодог (12-р зургийг үз). Атомын хүчний микроскопоос ялгаатай нь сканнердах хонгилын микроскоп нь зөвхөн металл эсвэл хагас дамжуулагчийн гадаргууг судлах боломжтой.

Зураг 12. Судалж буй гадаргуугийн атомын давхаргын дээгүүр тогтмол зайд (сумуудыг харна уу) байрлах сканнердах хонгилын микроскопын зүү.

Сканнердах хонгилын микроскопыг операторын сонгосон цэг рүү атомыг шилжүүлэхэд ашиглаж болно. Жишээлбэл, микроскопын зүү ба дээжийн гадаргуугийн хоорондох хүчдэл нь энэ гадаргууг судлахад шаардлагатай хэмжээнээс арай өндөр байвал түүнд хамгийн ойр байгаа дээжийн атом нь ион болж хувирч, зүү рүү "үсрэх" болно. Үүний дараа зүүг бага зэрэг хөдөлгөж, хүчдэлийг өөрчилснөөр та зугтсан атомыг дээжийн гадаргуу руу буцаж "үсрэх" боломжтой болно. Ийм байдлаар атомыг удирдаж, нано бүтцийг бий болгох боломжтой. нанометрийн дарааллаар хэмжээс бүхий гадаргуу дээрх бүтэц. 1990 онд IBM-ийн ажилчид никель хавтан дээрх 35 ксенон атомаас компанийнхаа нэрийг нэгтгэснээр ийм боломжтой болохыг харуулсан (13-р зургийг үз).

Зураг 13. Никелийн хавтан дээрх 35 ксенон атомаас бүрдсэн IBM компанийн нэр, энэ компанийн ажилчдын 1990 онд сканнерийн микроскоп ашиглан хийсэн.

Сорьцын микроскоп ашиглан та зөвхөн атомуудыг хөдөлгөж зогсохгүй тэдгээрийг өөрөө зохион байгуулах урьдчилсан нөхцөлийг бий болгож чадна. Жишээлбэл, хэрэв металл хавтан дээр тиол ион агуулсан усны дусал байгаа бол микроскопын мэдрэгч нь эдгээр молекулуудыг чиглүүлэхэд туслах бөгөөд ингэснээр нүүрсустөрөгчийн хоёр сүүл нь хавтангаас хол зайд харагдана. Үүний үр дүнд металл хавтан дээр наалдсан тиолын молекулуудын нэг давхарга үүсгэх боломжтой (14-р зургийг үз). Металл гадаргуу дээр молекулуудын нэг давхарга үүсгэх энэ аргыг "үзэг нанолитографи" гэж нэрлэдэг.

Зураг 14. Зүүн дээд талд – металл хавтан дээрх сканнерийн датчик микроскопын консол (ган саарал). Баруун талд консолын үзүүрийн доорх хэсгийг томруулсан дүрслэл (зүүн талын зураг дээр цагаанаар дүрсэлсэн) бөгөөд энэ нь датчикийн үзүүрт нэг давхаргад байрлуулсан нил ягаан өнгийн нүүрсустөрөгчийн сүүлтэй тиолын молекулуудыг бүдүүвчээр харуулсан байна. Scientific American, 2001, 9-р сар, х. 44.

(Англи) Сканнерийн электрон микроскоп, SEM)нь дээжийн гадаргуугийн өндөр нарийвчлалтай (микрометрээс бага) зургийг авах боломжийг олгодог төхөөрөмж юм. Сканнердсан электрон микроскоп ашиглан олж авсан зургууд нь гурван хэмжээст бөгөөд сканнердсан гадаргуугийн бүтцийг судлахад тохиромжтой. Хэд хэдэн нэмэлт аргууд (EDX, WDX аргууд) нь гадаргуугийн ойролцоох давхаргын химийн найрлагын талаар мэдээлэл авах боломжийг олгодог.

Үйл ажиллагааны зарчим

Судалгаанд хамрагдаж буй дээжийг үйлдвэрлэлийн вакуум нөхцөлд төвлөрсөн дунд энергийн электрон туяагаар сканнердсан. Дохио бичих механизмаас хамааран сканнердах электрон микроскопын ажиллах хэд хэдэн горимыг ялгадаг: туссан электрон горим, хоёрдогч электрон горим, катодолюминесценцийн горим гэх мэт. Боловсруулсан техникүүд нь дээжийн гадаргуугийн шинж чанарыг судлах боломжийг олгодог. сканнердсан гадаргуугаас хэд хэдэн микроны гүнд байрлах гүний байгууламжийн шинж чанарыг дүрслэн харуулах, мэдээлэл авах.

Үйлдлийн горимууд

Хоёрдогч электрон илрүүлэх

Ихэнх төхөөрөмжүүдийн загварт дээжийн гадаргуугийн дүрсийг бүрдүүлдэг цацраг нь Эверхарт-Торнли төрлийн детектор руу ордог хоёрдогч электронууд бөгөөд анхдагч дүрс үүсдэг бөгөөд програм хангамж боловсруулсны дараа мониторын дэлгэц дээр гарч ирдэг. Дамжуулах электрон микроскопын нэгэн адил хальсыг өмнө нь гэрэл зураг авахад ашигладаг байсан. Камер нь өндөр нягтралтай хар цагаан катодын туяа хоолойн дэлгэц дээр зураг авсан. Одоо үүсгэсэн зургийг микроскопыг удирддаг компьютерийн програмын интерфейсийн цонхонд зүгээр л харуулах бөгөөд оператор анхаарлаа хандуулсны дараа компьютерийн хатуу дискэнд хадгалах боломжтой. Сканнерийн микроскоп ашиглан бүтээсэн дүрс нь өндөр тодосгогч, фокусын гүнээр ялгагдана. Орчин үеийн төхөөрөмжүүдийн зарим загварт олон цацрагийн технологи, тусгай програм хангамжийн ашиглалтын ачаар судалж буй объектын гадаргуугийн 3D дүрсийг авах боломжтой. Жишээлбэл, ийм микроскопыг Японы JEOL компани үйлдвэрлэдэг.

зөвшөөрөл

Сканнердсан электрон микроскопын орон зайн нарийвчлал нь электрон цацрагийн хөндлөн хэмжээнээс хамаардаг бөгөөд энэ нь цацрагийг төвлөрүүлдэг электрон-оптик системийн шинж чанараас хамаардаг. Нарийвчлал нь электрон датчик ба дээж хоорондын харилцан үйлчлэлийн талбайн хэмжээ, өөрөөр хэлбэл зорилтот материалаар хязгаарлагддаг. Электрон датчикийн хэмжээ болон датчик- дээжийн харилцан үйлчлэлийн бүсийн хэмжээ нь зорилтот атомуудын хоорондох зайнаас хамаагүй том тул сканнердах электрон микроскопын нарийвчлал нь атомын масштабыг харуулах хангалттай том биш юм, жишээ нь: дамжуулах электрон микроскопоор. Гэсэн хэдий ч сканнердах электрон микроскоп нь дээжийн харьцангуй том талбайг дүрслэх чадвар, асар том зорилтот объектыг (зөвхөн нимгэн хальс биш) шалгах чадвар, төрөл бүрийн аналитик аргууд зэрэг давуу талуудтай. зорилтот материалын үндсэн шинж чанарууд. Тодорхой төхөөрөмж болон туршилтын параметрүүдээс хамааран хэдэн арван нанометрийн нарийвчлалын утгыг олж авах боломжтой.

Өргөдөл

Сканнерийн микроскопыг үндсэндээ физик, материал судлал, электроник, биологийн судалгааны хэрэгсэл болгон ашигладаг. Голчлон шалгаж буй дээжийн зургийг авахын тулд ашигладаг бөгөөд энэ нь ашигласан детекторын төрлөөс хамааран ихээхэн ялгаатай байж болно. Хүлээн авсан зургуудын эдгээр ялгаа нь гадаргуугийн физик шинж чанарын талаар дүгнэлт гаргах, гадаргуугийн топографийн судалгаа хийх боломжийг олгодог. Электрон микроскоп нь орчин үеийн микро схемийн гадаргуу эсвэл фотолитографийн үйл явцын завсрын үе шатыг дүрслэх цорын ганц хэрэгсэл юм.