Сканнерийн микроскоп. Сканнердах хонгилын микроскоп

Карелийн улсын багшийн их сургууль

Сканнерийн микроскоп

Гүйцэтгэсэн: Барбара О.

554 гр. (2007)

Сканнерийн датчик микроскоп (SPM), түүний бүтэц, ажиллах зарчим

Сканнерийн микроскоп (SPM)- орон зайн өндөр нарийвчлалтай хатуу гадаргуугийн морфологи, орон нутгийн шинж чанарыг судлах орчин үеийн хүчирхэг аргуудын нэг.

Орчин үеийн сканнерийн микроскопуудын төрөл, хэрэглээний олон янз байдлыг үл харгалзан тэдгээрийн үйл ажиллагаа нь ижил төстэй зарчим дээр суурилдаг бөгөөд тэдгээрийн загвар нь бие биенээсээ бага зэрэг ялгаатай байдаг. Зураг дээр. Зураг 1-д сканнерийн микроскопын (SPM) ерөнхий бүдүүвчийг үзүүлэв.

Зураг 1 Сканнерийн датчик микроскопын (SPM) ерөнхий бүдүүвч.

Түүний үйл ажиллагааны зарчим нь дараах байдалтай байна. Барзгар байрлал тогтоох системийг ашиглан хэмжих датчикийг туршилтын дээжийн гадаргуу дээр авчирдаг. Дээж ба датчик нь хэдэн зуун нм-ээс бага зайд ойртох үед датчик нь шинжлэгдсэн гадаргуугийн гадаргуугийн бүтэцтэй харилцан үйлчилж эхэлдэг. Сорьц нь сканнерын төхөөрөмжийг ашиглан дээжийн гадаргуугийн дагуу хөдөлдөг бөгөөд энэ нь датчик зүүгээр гадаргууг сканнердах боломжийг олгодог. Ихэвчлэн энэ нь пьезокерамикаар хийсэн хоолой бөгөөд гадаргуу дээр гурван хос тусгаарлагдсан электродыг хэрэглэдэг. Ux ба Uy хүчдэлийн нөлөөн дор piezotube-д хэрэглэсэн тул нугалж, улмаар хүчдэлийн Uz-ийн нөлөөн дор X ба Y тэнхлэгийн дагуу сорьцын хөдөлгөөнийг баталгаажуулдаг бөгөөд энэ нь танд боломжийг олгодог зүү хоорондын зайг өөрчлөх.

Кристал дахь пьезоэлектрик эффектийг 1880 онд ах дүү П., Ж.Кюри нар нээсэн бөгөөд механик стрессийн нөлөөн дор кварцын талстаас зүсэгдсэн ялтсуудын гадаргуу дээр цахилгаан статик цэнэг гарч ирэхийг ажигласан. Эдгээр цэнэгүүд нь механик стресстэй пропорциональ бөгөөд түүнтэй хамт тэмдэг өөрчлөгдөж, арилах үед алга болдог.

Диэлектрикийн гадаргуу дээр электростатик цэнэг үүсч, механик стресст өртсөний үр дүнд түүний дотор цахилгаан туйлшрал үүсэхийг шууд пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг.

Шууд нэгээс гадна урвуу пьезоэлектрик эффект байдаг бөгөөд энэ нь түүнд хэрэглэсэн цахилгаан талбайн нөлөөн дор пьезоэлектрик болороос зүсэгдсэн хавтан дээр механик деформаци үүсдэг; Түүнээс гадна механик хэв гажилтын хэмжээ нь цахилгаан талбайн хүч чадалтай пропорциональ байна. Пьезоэлектрик эффект нь зөвхөн хатуу диэлектрик, гол төлөв талст хэлбэрээр ажиглагддаг. Тэгш хэмийн төвтэй бүтцэд ямар ч жигд хэв гажилт нь болор торны дотоод тэнцвэрт байдлыг алдагдуулж чадахгүй тул тэгш хэмийн төвгүй зөвхөн 20 төрлийн талстууд пьезоэлектрик байдаг. Тэгш хэмийн төв байхгүй байх нь пьезоэлектрик эффектийг бий болгоход зайлшгүй шаардлагатай боловч хангалтгүй нөхцөл тул бүх ацентрик талстуудад байдаггүй.

Пьезоэлектрик эффектийг хатуу аморф ба криптокристалл диэлектрикт ажиглах боломжгүй. (Пьезоэлектрик - нэг талст: кварц.Кварцын пьезоэлектрик шинж чанар нь радио давтамжийг тогтворжуулах, шүүх, хэт авианы чичиргээ үүсгэх, механик хэмжигдэхүүнийг хэмжихэд технологид өргөн хэрэглэгддэг. Турмалин.Турмалины гол давуу тал нь кварцтай харьцуулахад хэсэгчилсэн коэффициентийн өндөр утга юм. Үүнээс үүдэн турмалины механик хүч чадал илүү өндөр байдаг тул өндөр давтамжийн резонатор үйлдвэрлэх боломжтой.

Одоогийн байдлаар турмалиныг пьезоэлектрик резонатор үйлдвэрлэхэд бараг ашигладаггүй бөгөөд гидростатик даралтыг хэмжихэд хязгаарлагдмал хэрэглээтэй байдаг.

Рошетт давс.Рошель давсаар хийсэн пьезоэлектрик элементүүдийг харьцангуй нарийхан температурын мужид ажилладаг төхөөрөмжид, ялангуяа дуу чимээ хүлээн авагчдад өргөн ашигладаг байсан. Гэсэн хэдий ч одоогийн байдлаар тэдгээрийг керамик пьезоэлементээр бараг бүрэн сольсон.

Сорьцын байрлал мэдрэгч нь дээжтэй харьцуулахад датчикийн байрлалыг тасралтгүй хянаж, санал хүсэлтийн системээр дамжуулан түүний талаарх мэдээллийг сканнерын хөдөлгөөнийг хянадаг компьютерийн системд дамжуулдаг. Зонд ба гадаргуугийн харилцан үйлчлэлийн хүчийг бүртгэхийн тулд датчикийн үзүүрээс туссан хагас дамжуулагч лазерын цацрагийн хазайлтыг бүртгэх аргыг ихэвчлэн ашигладаг. Энэ төрлийн микроскопуудад ойсон гэрлийн туяа дифференциал хэлхээний дагуу холбогдсон хоёр эсвэл дөрвөн хэсэгтэй фотодиодын төвд унадаг. Компьютерийн систем нь сканнерыг удирдахаас гадна датчикийн өгөгдлийг боловсруулах, дүн шинжилгээ хийх, гадаргуугийн судалгааны үр дүнг харуулах үйлчилгээ үзүүлдэг.

Таны харж байгаагаар микроскопын бүтэц нь маш энгийн. Гол сонирхол нь судлагдаж буй гадаргуутай датчикийн харилцан үйлчлэл юм. Энэ нь тодорхой сканнерийн датчик микроскопын ашигладаг харилцан үйлчлэлийн төрөл бөгөөд түүний чадавхи, хэрэглээний хамрах хүрээг тодорхойлдог. (слайд) Нэрнээс нь харахад сканнерийн датчикийн микроскопын гол элементүүдийн нэг нь датчик юм. Бүх сканнерийн микроскопуудын нийтлэг шинж чанар нь судалж буй гадаргуугийн шинж чанарын талаархи мэдээллийг олж авах арга юм. Микроскопийн датчик нь датчик ба дээжийн хооронд тодорхой шинж чанартай харилцан үйлчлэлийн тэнцвэрийг бий болгох хүртэл гадаргуу дээр ойртож, дараа нь сканнердах болно.

Сканнерийн хонгилын микроскоп (STM), түүний бүтэц, ажиллах зарчим

SPM-ийн анхны загвар нь 1981 онд зохион бүтээсэн сканнерийн туннелийн микроскоп (STM) юм. Цюрих дэх IBM судалгааны лабораторийн эрдэмтэд Герхард Бинниг, Генрих Ререр нар. Түүний тусламжтайгаар анх удаа атомын нягтралтай гадаргуугийн бодит зургийг, тухайлбал цахиурын гадаргуу дээр 7х7 дахин сэргээн босгосон (Зураг 2).

Зураг 3 Нэг талст цахиурын гадаргуугийн STM зураг. Сэргээн босголт 7 x 7

Одоогоор мэдэгдэж байгаа бүх SPM аргуудыг гурван үндсэн бүлэгт хувааж болно.

- хонгилын микроскопийг сканнердах; STM нь хурц дамжуулагч зүүг датчик болгон ашигладаг

Хэрэв үзүүр ба дээжийн хооронд хэвийсэн хүчдэл хэрэглэвэл зүүний үзүүр нь дээж рүү 1 нм орчим зайд ойртох үед тэдгээрийн хооронд хонгилын гүйдэл үүсдэг бөгөөд түүний хэмжээ нь зүү хоорондын зайнаас хамаарна. ба хүчдэлийн туйлшрал дээрх чиглэл (Зураг 4). Зүүний үзүүр нь судалж буй гадаргуугаас холдох тусам хонгилын гүйдэл буурч, ойртох тусам нэмэгддэг. Тиймээс гадаргуугийн тодорхой цэгүүдийн туннелийн гүйдлийн талаархи мэдээллийг ашиглан гадаргуугийн топографийн зургийг бүтээх боломжтой болно.

Зураг 4 Хонгилын гүйдэл үүсэх диаграмм.

- атомын хүчний микроскоп; Энэ нь зүүний гадаргуу руу татах хүчний өөрчлөлтийг цэгээс цэг хүртэл бүртгэдэг. Зүү нь тодорхой хөшүүн чанар бүхий консолын цацрагийн (консол) төгсгөлд байрладаг бөгөөд судалж буй гадаргуу ба үзүүрийн үзүүрийн хооронд үүсдэг жижиг ван дер-Ваальсийн хүчний нөлөөн дор гулзайлгах чадвартай. Консолын хэв гажилтыг түүний арын гадаргуу дээр туссан лазер туяаны хазайлтаар эсвэл гулзайлтын үед консолд өөрөө тохиолддог пьезорезистив нөлөөг ашиглан тэмдэглэнэ;

- ойрын талбайн оптик микроскоп; Үүний дотор датчик нь гэрлийн долгионы уртаас бага диаметртэй дээж рүү чиглэсэн төгсгөлд нарийссан оптик долгионы хөтлүүр (шилэн) юм. Энэ тохиолдолд гэрлийн долгион нь долгионы хөтөчийг хол зайд орхихгүй, харин түүний үзүүрээс бага зэрэг "унадаг". Долгион хөтлүүрийн нөгөө үзүүрт лазер болон чөлөөт үзүүрээс ойсон гэрлийн хүлээн авагч суурилуулсан. Судалж буй гадаргуу ба датчикийн үзүүрийн хоорондох бага зайд туссан гэрлийн долгионы далайц ба фаз өөрчлөгддөг бөгөөд энэ нь гадаргуугийн гурван хэмжээст дүрсийг бүтээхэд дохио болдог.

Хонгилын гүйдэл эсвэл зүү ба гадаргуугийн хоорондох зайнаас хамааран сканнерын хонгилын микроскоп ажиллах хоёр горим боломжтой. Тогтмол өндөртэй горимд зүүний үзүүр нь дээжийн дээгүүр хэвтээ хавтгайд хөдөлдөг бөгөөд хонгилын гүйдэл нь түүнд хүрэх зайнаас хамаарч өөр өөр байдаг (Зураг 5а). Энэ тохиолдолд мэдээллийн дохио нь дээжийн гадаргуугийн сканнердах цэг бүрт хэмжсэн хонгилын гүйдлийн хэмжээ юм. Хонгилын гүйдлийн олж авсан утгууд дээр үндэслэн топографийн зургийг бүтээв.

Цагаан будаа. 5. STM үйлдлийн диаграмм: a - тогтмол өндрийн горимд; b - шууд гүйдлийн горимд

Тогтмол гүйдлийн горимд микроскопын санал хүсэлтийн систем нь сканнердах цэг бүрт зүү дээжийн зайг тохируулах замаар тогтмол хонгилын гүйдлийг баталгаажуулдаг (Зураг 5б). Энэ нь хонгилын гүйдлийн өөрчлөлтийг хянаж, эдгээр өөрчлөлтийг нөхөхийн тулд сканнердах төхөөрөмжид өгсөн хүчдэлийг хянадаг. Өөрөөр хэлбэл, гүйдэл ихсэх үед эргэх систем нь датчикийг дээжээс холдуулж, буурах үед ойртуулдаг. Энэ горимд зураг нь сканнердах төхөөрөмжийн босоо хөдөлгөөний хэмжээн дэх өгөгдөл дээр үндэслэн бүтээгддэг.

Хоёр горим хоёулаа давуу болон сул талуудтай. Тогтмол өндрийн горим нь илүү хурдан үр дүнг өгдөг, гэхдээ зөвхөн харьцангуй гөлгөр гадаргуутай. Тогтмол гүйдлийн горимд жигд бус гадаргууг өндөр нарийвчлалтайгаар хэмжиж болох боловч хэмжилт нь илүү урт хугацаа шаарддаг.

Өндөр мэдрэмжтэй, сканнердсан хонгилын микроскопууд нь дамжуулагч ба хагас дамжуулагчийн атомуудыг харах боломжийг хүн төрөлхтөнд олгосон. Гэхдээ дизайны хязгаарлалтын улмаас STM ашиглан цахилгаан дамжуулахгүй материалыг дүрслэх боломжгүй юм. Нэмж дурдахад хонгилын микроскопыг өндөр чанартай ажиллуулахын тулд хэд хэдэн маш хатуу нөхцөл, тухайлбал вакуум, тусгай дээж бэлтгэх шаардлагатай. Тиймээс Бинниг, Ререр хоёрын анхны хуушуур бөөгнөрөлтэй болсон гэж хэлэх боломжгүй ч бүтээгдэхүүн нь бага зэрэг түүхийгээр гарч ирэв.

Таван жил өнгөрч, Герхард Биннинг Калвин Куэйт, Кристофер Гербер нартай хамт 1986 онд атомын хүчний микроскоп (AFM) гэж нэрлэсэн шинэ төрлийн микроскоп зохион бүтээжээ. Физикийн салбарын Нобелийн шагналыг Г.Бинниг, Х.Рёрер нар хүртжээ. Шинэ микроскоп нь өмнөх үеийнхээ хязгаарлалтыг даван туулах боломжийг олгосон. AFM ашиглан дамжуулагч ба дамжуулдаггүй материалын гадаргууг атомын нягтралтай, атмосферийн нөхцөлд дүрслэх боломжтой. Атомын хүчний микроскопуудын нэмэлт давуу тал нь гадаргуугийн топографийг хэмжихийн зэрэгцээ тэдгээрийн цахилгаан, соронзон, уян харимхай болон бусад шинж чанаруудыг дүрслэн харуулах чадвар юм.

Атомын хүчний микроскоп (AFM), түүний бүтэц, ажиллах зарчим

МУЗ-ийн хамгийн чухал бүрэлдэхүүн хэсэг (Атомын хүчний микроскоп)сканнерийн датчикууд - микроскопын шинж чанар нь консолын шинж чанараас шууд хамаардаг;

Консол нь тодорхой хөшүүн байдлын коэффициент бүхий уян хатан цацраг (175x40x4 микрон - дундаж өгөгдөл) юм. к(10-3 – 10 Н/м), төгсгөлд нь бичил зүү байна (Зураг 1). Муруйн радиусын өөрчлөлтийн хүрээ РЗүүний үзүүр нь AFM-ийг хөгжүүлснээр 100-аас 5 нм хүртэл өөрчлөгдсөн. Мэдээжийн хэрэг, бууралттай РМикроскоп нь илүү өндөр нарийвчлалтай зураг авах боломжийг олгодог. Зүүний үзүүрийн өнцөг а- мөн зургийн чанараас хамаардаг датчикийн чухал шинж чанар. аөөр өөр консолуудад энэ нь 200-аас 700 хооронд хэлбэлздэг тул бага байх нь хэцүү биш юм. а, үүссэн зургийн чанар өндөр байх болно.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image007_32.gif" width="113 height=63" height="63">,

Тиймээс нэмэгдүүлэх w0 Консолын урт (хөшүүн байдлын коэффициент нь үүнээс хамаардаг) нь хэд хэдэн микроны дарааллаар, масс нь 10-10 кг-аас ихгүй байна. Төрөл бүрийн консолуудын резонансын давтамж нь 8-аас 420 кГц хооронд хэлбэлздэг.

AFM ашиглан скан хийх арга нь дараах байдалтай байна (Зураг 2) : датчик зүү нь дээжийн гадаргуугаас дээш байрладаг бол датчик нь зурагт дээрх катодын туяаны туяа шиг дээжтэй харьцуулахад хөдөлдөг (мөр шугамаар сканнердах). Сорьцын гадаргуу руу чиглэсэн лазер туяа (түүний ландшафтын дагуу нугалж) тусч, цацрагийн хазайлтыг бүртгэдэг фотодетекторыг цохино. Энэ тохиолдолд сканнердах явцад зүүний хазайлт нь дээжийн гадаргуу нь түүний үзүүртэй атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн үр дүнд үүсдэг. Фотодетекторын дохиог компьютерийн боловсруулалтыг ашиглан судалж буй дээжийн гадаргуугийн гурван хэмжээст дүрсийг авах боломжтой.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" өргөн "250" өндөр "246">
Цагаан будаа. 8. Атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчний үзүүр ба дээжийн хоорондох зайнаас хамаарах хамаарал

Зоног ба гадаргуугийн харилцан үйлчлэлийн хүчийг богино болон урт хугацааны гэж хуваадаг. Зүүний үзүүр ба гадаргуугийн атомын электрон бүрхүүлүүд зай ихсэх тусам хурдан унах үед богино зайн хүч 1-10 А зайд үүсдэг. Зүүний үзүүрийн цөөн хэдэн атомууд (хязгаарт нэгд) гадаргуугийн атомуудтай богино хугацааны харилцан үйлчлэлд ордог. Энэ төрлийн хүчийг ашиглан гадаргууг дүрслэх үед AFM нь контактын горимд ажилладаг.

Сканнерийн зүү дээжийн гадаргууд хүрэх үед контакт скан хийх горим, завсрын горим - сканнердах үед датчик нь дээжийн гадаргуу дээр үе үе хүрдэг, датчик нь сканнердсан гадаргуугаас хэд хэдэн нанометр зайд хүрэх үед контактгүй горим байдаг. (Сүүлийн сканнердах горимыг бараг ашигладаггүй, учир нь датчик ба дээжийн хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчийг тогтооход бараг хэцүү байдаг).

Хувийн шошгоны боломжууд

STM нь зөвхөн бие даасан атомуудыг ялгах төдийгүй тэдгээрийн хэлбэрийг тодорхойлохыг зааж өгсөн.
Дараагийн алхам аль хэдийн хийгдсэн үед сканнердах хонгилын микроскоп (STM) нь бие даасан атомуудыг таних боломжтой гэдгийг олон хүн бүрэн ойлгоогүй байна: одоо бүр ч тодорхойлох боломжтой болсон. хэлбэрүүдбодит орон зай дахь бие даасан атомын (илүү нарийвчлалтай, атомын цөмийн эргэн тойронд электрон нягтын тархалтын хэлбэр).

Ойрын талбайн оптик микроскоп, түүний бүтэц, ажиллах зарчим

Ойрын талбайн оптик микроскоп; Үүний дотор датчик нь гэрлийн долгионы уртаас бага диаметртэй дээж рүү чиглэсэн төгсгөлд нарийссан оптик долгионы хөтлүүр (шилэн) юм. Энэ тохиолдолд гэрлийн долгион нь долгионы хөтөчийг хол зайд орхихгүй, харин түүний үзүүрээс бага зэрэг "унадаг". Долгион хөтлүүрийн нөгөө үзүүрт лазер болон чөлөөт үзүүрээс туссан гэрлийн хүлээн авагч суурилуулсан. Судалж буй гадаргуу ба датчикийн үзүүрийн хоорондох бага зайд туссан гэрлийн долгионы далайц ба фаз өөрчлөгддөг бөгөөд энэ нь гадаргуугийн гурван хэмжээст дүрсийг бүтээхэд дохио болдог.

Хэрэв та гэрлийг 50-100 нм диаметртэй диафрагмаар дамжуулж, судалж буй дээжийн гадаргуу руу хэдэн арван нанометрийн зайд ойртуулах юм бол ийм " " -ийг гадаргуугийн дагуу цэгээс зөөвөрлөнө. чиглүүлэхийн тулд (мөн хангалттай мэдрэмтгий мэдрэгчтэй бол) та энэ дээжийн оптик шинж чанарыг нүхний хэмжээтэй тохирох орон нутагт судалж болно.

Ойрын талбайн оптик микроскоп (SNOM) яг ийм байдлаар ажилладаг. Нүхний үүргийг (доод долгионы урттай диафрагм) ихэвчлэн оптик утас гүйцэтгэдэг бөгөөд нэг үзүүр нь үзүүртэй, нимгэн металл давхаргаар хучигдсан байдаг бөгөөд үзүүрийн хамгийн үзүүрт (" диаметртэй") жижиг хэсгээс бусад бүх газар байрладаг. тоосгүй" талбай нь ердөө 50-100 нм). Нөгөө талаас лазерын гэрэл ийм утас руу ордог.

2005 оны 12-р сар." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">2005 оны 12-р сар бөгөөд Оросын Улсын Их Сургуулийн Физикийн факультетийн Нанотехнологийн тэнхимийн үндсэн лабораторийн нэг юм. Лаборатори нь 4 багц лабораторитой. NT-MDT (Зеленоград, Орос) компаниас лабораторийн ажилд зориулж тусгайлан бүтээсэн NanoEducator сканнерийн микроскопууд нь оюутнуудад зориулагдсан: тэдгээр нь бүрэн компьютерийн удирдлагатай, энгийн бөгөөд ойлгомжтой интерфэйстэй, хөдөлгөөнт дүрсийг дэмждэг. техникийг алхам алхмаар хөгжүүлэх.

Зураг 10 Сканнерийн датчик микроскопийн лаборатори

Сканнерийн микроскопийн хөгжил нь нано технологийн шинэ чиглэл болох датчик нанотехнологийг хөгжүүлэх үндэс суурь болсон.

Уран зохиол

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Бодит орон зайд шийдэгдсэн Si(111)-ийн сэргээн босголт // Физик. Илч. Летт. 1983. Боть. 50, No 2. P. 120-123. Энэхүү алдартай хэвлэл нь хувийн шошгололтын эрин үеийг эхлүүлсэн.

2. http://www. *****/obrazovanie/stsoros/1118.html

3. http://ru. википедиа. org

4. http://www. *****/SPM-Techniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Near-field_Microscopy_mode94.html

5. http://scireg. *****.

6. http://www. *****/нийтлэлийн_жагсаалт. html

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 дүрслэн харуулах ийм энгийн аргуудыг нээсэн нь дэлхий нийтийг гайхшруулж, 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 схемүүд гарч ирсэн бөгөөд датчик ба гадаргуугийн 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 хөгжиж байна. 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 SPM аргыг ашиглахгүйгээр гадаргуугийн физик, нимгэн хальсан технологийн чиглэлээр хийгдсэн бараг судалгаа 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 хязгаарлагддаг (0.4 - 0.8 микрон). 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 төхөөрөмжийг 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 үйл ажиллагааны 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.

сканерын микроскоп

Гадаргуугийн дүрс, түүний орон нутгийн шинж чанарыг олж авах зориулалттай микроскопуудын ангилал.

Орчин үеийн хэлбэрийн сканнерийн микроскопыг 1981 онд Герд Карл Бинниг, Хайнрих Рорер нар зохион бүтээжээ. Энэ шинэ бүтээлийнхээ төлөө тэд 1986 онд Физикийн Нобелийн шагнал хүртжээ.

Бүх микроскопуудын нэг онцлог шинж чанар нь судалж буй гадаргуутай харьцаж, сканнердахдаа өгөгдсөн хэмжээтэй гадаргуугийн тодорхой хэсгийн дагуу хөдөлдөг микроскопийн датчик юм.

Сорьц болон дээжийн хоорондох холбоо нь харилцан үйлчлэлийг илэрхийлдэг. Харилцааны шинж чанар нь төхөөрөмж нь датчик микроскопын төрөлд хамаарах эсэхийг тодорхойлдог. Гадаргуугийн талаарх мэдээллийг санал хүсэлтийн систем эсвэл үзүүр ба дээжийн харилцан үйлчлэлийг илрүүлэх ашиглан гаргаж авдаг.

Систем нь датчик-түүний зайнаас хамааран функцийн утгыг бүртгэдэг.

Сканнерийн микроскопын төрлүүд.

Сканнердсан атомын хүчний микроскоп

Сканнердах хонгилын микроскоп

Ойрын талбайн оптик микроскоп

Сканнердах хонгилын микроскоп

Орон зайн өндөр нарийвчлалтай дамжуулагч системийн топографийг өөрчлөх зориулалттай сканнерийн микроскопын хувилбаруудын нэг.

Үйл ажиллагааны зарчим нь цахилгаан хэлхээний завсарлагааны үр дүнд электроныг боломжит саад тотгороор дамжин өнгөрөхөд суурилдаг - микроскоп ба дээжийн гадаргуугийн хоорондох жижиг цоорхой. Хэд хэдэн ангстромын зайд хурц металл зүүг дээж рүү авчирдаг. Зүүнд бага хэмжээний потенциал хэрэглэх үед хонгилын гүйдэл үүсдэг бөгөөд түүний хэмжээ нь дээж ба зүүний хоорондох зайнаас экспоненциал хамааралтай байдаг. Дээж-зүүний зайд 1 ангстром байх үед одоогийн утга 1-ээс 100 пА хооронд хэлбэлздэг.

Дээжийг сканнердах үед зүү нь гадаргуугийн дагуу хөдөлж, санал хүсэлтийн улмаас хонгилын гүйдэл хадгалагдана. Системийн уншилтууд нь гадаргуугийн топографийн улмаас өөрчлөгддөг. Гадаргуугийн өөрчлөлтийг бүртгэж, үүний үндсэн дээр өндрийн зураглалыг хийдэг.

Өөр нэг арга нь зүүг дээжийн гадаргуугаас дээш тогтмол өндөрт шилжүүлэх явдал юм. Энэ тохиолдолд хонгилын гүйдлийн хэмжээ өөрчлөгдөж, эдгээр өөрчлөлтийг үндэслэн гадаргуугийн топографийг байгуулна.

Зураг 1. Сканнерийн хонгилын микроскопын ажиллах схем.

Хонгилын микроскоп нь дараахь зүйлийг агуулдаг.

Зоног (зүү)

Координатын дагуу бүсийн хөдөлгөөний систем

Бүртгэлийн систем

Бичлэгийн систем нь зүү ба дээжийн хоорондох одоогийн утга эсвэл Z тэнхлэгийн дагуух хөдөлгөөнөөс хамааран функцын утгыг бүртгэдэг. Бүртгэгдсэн утгыг координатын дагуух дээж эсвэл датчикийн байрлалыг хянаж, санал хүсэлтийн системээр боловсруулдаг тэнхлэг. PID зохицуулагчийг (пропорциональ - интеграл - ялгах зохицуулагч) санал хүсэлт болгон ашигладаг.

Хязгаарлалт:

Дээжийн дамжуулалтын нөхцөл (гадаргуугийн эсэргүүцэл нь 20 МОм/см²-ээс ихгүй байх ёстой).

Ховилын гүн нь түүний өргөнөөс бага байх ёстой, эс тэгвээс хажуугийн гадаргуугаас хонгил үүсэх нь ажиглагдах болно.

Сканнердсан атомын хүчний микроскоп

Өндөр нарийвчлалтай сканнерийн датчик микроскоп. Хэдэн арван ангстромоос атом хүртэл нарийвчлалтай гадаргуугийн топографийг тодорхойлоход ашигладаг.

Атомын хүчний микроскоп ашиглан зүүний гадаргуу руу татах хүчний өөрчлөлтийг цэгээс цэг хүртэл бүртгэнэ. Зүү нь тодорхой хөшүүн чанар, жижиг ван дер Ваалсын хүчний нөлөөн дор гулзайлгах чадвартай консолын төгсгөлд байрладаг бөгөөд судалж буй гадаргуу болон үзүүрийн үзүүрийн хооронд үүсдэг. Консолын хэв гажилтыг түүний арын хэсэгт туссан лазер туяаны хазайлт эсвэл консолд гулзайлгах үед үүсдэг пьезорезистатив нөлөөгөөр тэмдэглэнэ.

Зураг 2. Атомын хүчний микроскопын ажиллагааны диаграмм.

Атомын хүчний микроскопыг 1982 онд сканнердах туннелийн микроскопын өөрчлөлт болгон зохион бүтээжээ. Эхэндээ микроскоп нь профилометр байсан бөгөөд зөвхөн зүүний муруйлтын радиус нь хэдэн арван ангстромын дарааллаар байв. Оптик дизайн: лазер туяа нь консолын гаднах гадаргуу руу чиглэж, тусгаж, фотодетекторыг цохино. Энэ аргыг орчин үеийн ихэнх атомын хүчний микроскопуудад ашигладаг

Хажуугийн нарийвчлалыг сайжруулах нь динамик аргуудыг хөгжүүлэхэд хүргэсэн. Пьезо чичиргээ нь тодорхой давтамж, үе шаттайгаар консолын хэлбэлзлийг өдөөдөг. Гадаргуу дээр ойртох үед хүч нь консол дээр ажиллаж, давтамжийн шинж чанарыг өөрчилдөг. Үүний үр дүнд консолын хэлбэлзлийн давтамж, үе шатыг хянах замаар гадаргуугаас нөлөөлж буй хүчний өөрчлөлт, улмаар рельефийн талаар дүгнэлт хийж болно.

Зураг 3. Атом хоорондын харилцан үйлчлэлийн бат бэхийн үзүүр ба дээжийн хоорондох зайнаас хамаарах байдал.

3-р зурагт муруйн баруун тал нь үзүүрийн атомууд болон гадаргуу нь их зайд тусгаарлагдсан нөхцөл байдлыг тодорхойлдог. Тэд ойртох тусам бие биедээ эхлээд сул дорой, дараа нь улам хүчтэй татагдах болно. Таталцлын хүч нь атомын электрон үүл цахилгаан статикаар түлхэж эхлэх хүртэл үйлчилнэ. Атом хоорондын зай цаашид багасах тусам электростатик түлхэлт нь татах хүчийг экспоненциалаар сулруулдаг. Эдгээр хүч нь химийн бондын уртад (ойролцоогоор 2 ангстром) тэнцвэртэй байдаг. Атом хоорондын нийт хүч эерэг (зөөх) болоход энэ нь атомууд хоорондоо холбоо тогтоосон гэсэн үг юм.

Консол ба дээжийн гадаргуугийн хоорондох хүчний шинж чанараас хамааран 3 төрлийн ажиллагааны горимыг ялгадаг.

Холбоо барих

Хагас холбоо барих

Холбоо барихгүй

Холбоо барих горимд (зөөх горим) сканнерийн зүүний үзүүр нь дээжтэй зөөлөн "бие махбодийн контакт" руу ордог. Санал хүсэлтийн систем нь консолын гулзайлтыг тогтмол байлгах үед сканнердах ажиллагааг тогтмол хүчний горимд явуулдаг. Хэд хэдэн ангстромын дарааллын өндрийн зөрүүтэй дээжийг судлахдаа датчик ба дээжийн гадаргуугийн хоорондох тогтмол дундаж зайд сканнердах горимыг ашиглах боломжтой. Энэ тохиолдолд консол нь дээжээс дээш тодорхой дундаж өндөрт хөдөлдөг. Хүчтэй пропорциональ консолын гулзайлт нь гадаргуугаас датчик дээр үйлчилж, цэг тус бүрээр бүртгэгддэг.

Атом хоорондын хүчний график дээрх муруйн налуу нь маш эгц байна. Үүний үр дүнд түлхэх хүч нь атомуудыг бие биедээ ойртуулахыг оролддог бараг бүх хүчийг тэнцвэржүүлдэг. Энэ нь хэмжих консол зүүний үзүүрийг гадаргуу дээр дарах үед консол нь үзүүр нь дээжийн атомуудад ойртохоос илүү хурдан бөхийх болно гэсэн үг юм. Сканнерийн зүүний үзүүрээс дээжинд үзүүлэх хүч нь 10 –7 Н-ээс 10 –6 Н хооронд хэлбэлздэг. Зураг нь датчик ба гадаргуугийн харилцан үйлчлэлийн хүчний орон зайн тархалтыг харуулж байна.

Давуу тал

хамгийн өндөр дуу чимээний дархлаа

хамгийн их скан хийх хурд

рельефийн гэнэтийн өөрчлөлт бүхий гадаргууг сканнердах хамгийн сайн чанар.

Алдаа дутагдал

Гадаргуугаас датчик дээр ажилладаг хажуугийн хүч байгаатай холбоотой олдворууд байгаа эсэх

Нээлттэй агаар мандалд (агаарт) сканнердах үед хялгасан судасны хүч нь датчик дээр ажиллаж, гадаргуугийн өндрийг тодорхойлоход алдаа гаргадаг.

Механик хөшүүн чанар багатай объектуудыг (органик материал, биологийн объект) судлахад бараг тохиромжгүй.

Холбоо барихгүй горим (татах горим) - зүүний үзүүр ба дээжийн хоорондох 5-10 нм зайтай ван дер Ваалсын хүчийг хянадаг. Эдгээр зайд зүүний үзүүрийн атомуудын электрон орбиталууд нь дээжийн атомуудын электрон орбиталуудтай синхрончлогддог. Үүний үр дүнд үзүүр ба дээжийн атомууд нэг чиглэлд туйлширсан тул таталцал сул байна. Чөлөөт орон зайд тэд хүчтэй электростатик түлхэлт давамгайлах хүртэл ойртох болно. Үзүүр ба дээжийн хоорондох нийт хүч ~10-12 Н байна.

Пьезовибратортой ажиллахдаа датчикийн чичиргээ нь тодорхой давтамжтайгаар (гол төлөв резонансын) өдөөгддөг. Гадаргуугаас үйлчлэх хүч нь датчикийн далайц-давтамж ба фазын давтамжийн шинж чанарыг өөрчлөхөд хүргэдэг. Үүний үр дүнд далайц ба фазын утга өөрчлөгддөг. Санал хүсэлтийн систем нь датчикийн хэлбэлзлийн далайцыг тогтмол байлгаж, давтамж, фазын өөрчлөлтийг бүртгэдэг.

Давуу тал нь датчик нь судалж буй гадаргууд нөлөөлөхгүй.

Алдаа:

Гадны дуу чимээнд мэдрэмтгий

Хамгийн бага хажуугийн өөрчлөлт

Хамгийн бага скан хийх хурд

Гадаргуу дээр усны давхаргын шингээлт байхгүй үед вакуум нөхцөлд ажилладаг

Сканнердах явцад дээжийн гадаргуугаас гарсан бөөмс нь консол дээр хүрэхэд давтамжийн шинж чанараа өөрчилдөг.

Хагас контактын горимд консолын хэлбэлзэл нь мөн сэтгэл хөдөлдөг. Доод хэлбэлзлийн хагас мөчлөгт консол нь дээжийн гадаргуу дээр хүрдэг. Энэ арга нь бүрэн холбоо барих, бүрэн холбоо барихгүй байх хооронд завсрын арга юм.

Хагас контактын горимын давуу тал нь датчик дээрх гадаргуугаас нөлөөлж буй хажуугийн хүчийг арилгах явдал бөгөөд энэ нь үүссэн зургуудын тайлбарыг сайжруулдаг.

Ван дер Ваалсын хүчнээс гадна атомын хүчний микроскопоор гадаргуугаас хэд хэдэн харилцан үйлчлэл үйлчилдэг: уян харимхай хүч, наалдсан хүч, хялгасан судасны хүч. Тэдний оруулсан хувь нэмэр нь ялангуяа консол гадаргуу дээр наалдсанаас болж гистерезис үүсэх үед хагас контактын горимд мэдэгдэхүйц байдаг бөгөөд энэ нь зураг авах, үр дүнг тайлбарлах үйл явцыг ихээхэн хүндрүүлдэг.

Атомын хүчний микроскопын үндсэн загвар:

Системийг барих хатуу орон сууц;

дээж эзэмшигч;

Манипуляцийн төхөөрөмж;

Сорьцын хазайлтыг бүртгэх систем:

Оптик (лазер ба фотодиод орно)

Пьезоэлектрик (шууд ба урвуу пьезоэлектрик эффект ашигладаг)

Интерферометр (лазер ба оптик утаснаас бүрдэнэ)

- багтаамж (консол ба суурин хавтангийн хоорондох багтаамжийн өөрчлөлтийг хэмждэг)

Туннель (консол ба хонгилын зүүний хоорондох хонгилын гүйдлийн өөрчлөлтийг бүртгэдэг)

Санал хүсэлтийн систем;

Цахилгаан хэрэгсэл бүхий хяналтын хэсэг;

Зураг 4. AFM-ийн бүдүүвч зураг.

Дизайнаас хамааран хоёр төрлийн хөдөлгөөн хийх боломжтой: суурин дээжтэй харьцуулахад датчикийн хөдөлгөөн эсвэл суурин датчиктай харьцуулахад дээжийн хөдөлгөөн.

Бодит цагийн гажуудлыг засахын тулд програм хангамж (баримтлагдсан сканнердах онцлог) эсвэл хаалттай хяналтын системээр тоноглогдсон сканнер ашигладаг.

Ойрын талбайн оптик микроскоп нь ердийн оптик микроскопоос илүү сайн нягтаршил өгдөг оптик микроскоп юм. Гэрлийн долгионы уртаас бага зайд ялгарч буй объектоос гэрлийн тархалтыг илрүүлэх замаар нарийвчлалыг нэмэгдүүлэх болно.

Шилэн кабелийн дагуу тархаж буй гэрлийн урсгалын нэг хэсэг нь металл дэлгэцэн дэх диафрагмаар дамжуулагчийн гаралтын хэсгийг дайран өнгөрч, эх үүсвэрийн ойролцоо байрлах дээжинд хүрдэг. Хэрэв зай бол zдээжийн гадаргуу болон радиус r гнүх нь r нөхцлийг хангадаг г ∙ z<< λ , дараа нь дээж дээрх гэрлийн цэгийн хэмжээ нь нүхний хэмжээтэй ойролцоо байна. Сорьцыг дээжийн дагуу хөдөлгөснөөр дифракц эсвэл хэт нягтралаар хязгаарлагдахгүй нарийвчлалтай байх боломжтой.

Сорьцын төгсгөлд диафрагм байгаа эсэхээс хамааран 2 үндсэн бүлэг байдаг: апертур ба нүхгүй.

Нүхний төхөөрөмжид лазер туяа нь тохирох элементээр дамжуулан хурц металлжуулсан утас руу орж, гаралтын хэсэгт диафрагмын хэмжээтэй нарийсдаг. Гурван хэмжээст дэх үзүүр ба дээжийн харилцан хөдөлгөөнийг пьезоэлектрик мотор ашиглан гүйцэтгэдэг. Дээжээр дамжин өнгөрч буй эсвэл ойж, тархсан фотонуудыг микролинзүүдийн аль нэгээр нь авч, бичлэг хийх төхөөрөмж (фото үржүүлэгч) руу илгээдэг. Фотон цуглуулах горимд ажилладаг төхөөрөмжүүд өргөн тархсан бөгөөд датчик нь гэрэлтсэн дээжээс фотоныг, жишээлбэл, микроленсээр дамжуулан илрүүлэгч рүү шилжүүлдэг. Хосолсон горимд (гэрэлтүүлэх / цуглуулах) датчик нь хоёр функцийг нэгэн зэрэг гүйцэтгэдэг. Хосолсон төхөөрөмжүүдэд дүрсийг хоёр сувгаар нэгэн зэрэг бүртгэдэг бөгөөд тэдгээрийн нэг нь гадаргуугийн топографийг хуулбарлаж, нөгөө нь гадаргуугийн хамгийн нимгэн давхарга дахь хугарлын илтгэгчийн орон нутгийн хуваарилалтыг хийдэг. Оптик ба топографийн тодосгогчийг ялгах чадвар нь зургийн тайлбарыг ихээхэн хялбаршуулдаг. Хамгийн өргөн хэрэглэгддэг хяналтын арга , дээжтэй үзүүрийн физик харилцан үйлчлэлийн хүчний тангенциал бүрэлдэхүүн хэсгийн өөрчлөлт дээр үндэслэсэн.

Зураг 5. Ойрын талбарт оптик микроскопын ажиллах диаграмм:

1 - оптик шилэн; 2 - датчикаар дамжих цацраг; 3 - металл давхарга; 4 - датчикийн гаралтын нүх; h- судалж буй гадаргуу ба датчикийн нүхний хоорондох зай; d-шилэн кабелийн гаралтын диаметр.

Ойролцоох оптик микроскопууд нь гэрлийн эх үүсвэрийн долгионы уртаас бага диаметртэй гэрлийн туяаг ашигладаг. Гэрэл нь үзүүрт нь сийлсэн оптик шилэн кабелиар дамждаг. Энэхүү технологийн шинэчлэл нь сонгодог оптикоос илүү микроскопын өндөр нарийвчлалыг олж авах боломжийг олгодог.

Жижиг гаралтын нүхтэй гэрлийн шилэн дээр суурилсан ойрын талбайн оптик микроскоп нь гэрэл мэдрэмтгий бүтэц, биологийн объект, нано бүтэцтэй материалыг судлахад маш их хэрэгтэй.

Харамсалтай нь электрон микроскоп нь гадаргууг шалгах, оношлох чадвараараа хязгаарлагдмал байдаг. Түүний асар том давуу талуудаас гадна (жишээлбэл, бүх гадаргуугийн талаар цаг мөч бүрт мэдээлэл авах чадвар, газар дээр нь туршилт хийх чадвар) хэд хэдэн үгүйсгэх аргагүй сул талууд байдаг.
Үүнд, юуны түрүүнд харьцангуй сайн нягтралыг олж авахын тулд хангалттай вакуум шаардлагатай (шингэн объектыг судлах боломжгүй), том дээжийг харах боломжгүй байх, гадаргуугийн энерги ялгарах үед атомын нягтралд хүрэх зэрэг орно. электрон цацраг нь 300 КВ хүртэлх утгыг хүрдэг.
Үүнтэй холбогдуулан 1981 онд (Phys. Rev. Lett сэтгүүлд хэвлэгдэх үед) Хайнрих Рорер, Герд Бинниг нар хонгилын микроскопийн сканнерийн аргыг нээсэн нь сканнерийн датчикийг хөгжүүлэх эхлэлийг тавьсан нь маргаангүй ололт байв. микроскоп. Швейцарийн Рюмликон дахь IBM лабораторид нимгэн диэлектрик давхаргын өсөлт ба цахилгаан шинж чанарын микроскопийн судалгаан дээр ажиллаж байхдаа зохиогчид туннелийн спектроскопи ашиглах талаар бодож үзсэн. Тухайн үед Янг микроскоп дээр ажиллаж байсан ба Томпсон нар вакуумд хяналттай үзүүртэй туннель хийх талаар хийсэн ажил нь мэдэгдэж байсан тул хонгилын эффект ашиглан зөвхөн спектроскопийн шинж чанарыг хэмжих чадварын тухай санаа гарч ирэв. Гадаргууг төдийгүй түүний рельефийг нэлээд олон судлаачдын бүтээлд үндэслэсэн болно.
Зохиогчид цахиурын гадаргуугийн 7-аас 7 хүртэлх атомын дүрсийг олж авснаар хүн бүрийн сэтгэлийг зовоож байсан бөгөөд 1986 онд дэлхий нийт тэдэнд Нобелийн шагнал гардуулав. STM-ийн дээжийг судлахад хүндрэл учруулсан олон бэрхшээлүүд нь 1986 он гэхэд тэдний анхны атомын хүчний микроскопыг бүтээхэд түлхэц болсон бөгөөд энэ нь STM-ийн хувьд маш их асуудалтай байсан дээж ба үзүүр хоорондын харилцан үйлчлэлийн хүчийг ашиглах боломжтой болсон. Атомын хүчний микроскоп нь зөвхөн вакуум орчинд төдийгүй агаар мандалд, урьдчилан тодорхойлсон хий, тэр ч байтугай шингэн хальсаар хэмжилт хийх боломжтой болсон нь биологийн микроскопыг хөгжүүлэхэд эргэлзээгүй амжилт болсон юм. Энэ нь сканнерийн микроскопийн эриний эхлэлийг тавьсан юм. Удалгүй ойрын талбайн микроскопийг нэвтрүүлж, оптик долгионы тусламжтайгаар 10 ангстром хүртэлх объектуудыг шийдэв.
Орчин үеийн атомын хүчний микроскопийг дэлхий даяар полимер болон бусад материалыг судлахад идэвхтэй ашигладаг.

Энэ нь биологийн чиглэлээр вирус, эс, генийн судалгаанд маш өргөн хөгжлийг олж авсан бөгөөд үүнд ихээхэн итгэл найдвар тавьж байна.
Сканнерийн микроскопийн давуу болон сул талууд

бусад гадаргуугийн оношлогооны аргуудтай холбоотой
Атомын хүчний микроскоп нь дээжийг агаар мандалд боловсруулах боломжийг олгодог боловч түүний гол сул тал нь бүх гадаргуугийн талаар нэгэн зэрэг мэдээлэл өгөхгүй байх явдал юм - цаг мөч бүрт бид зөвхөн датчикаар шууд бүртгэгдсэн талбайгаас мэдээлэл авдаг.

Гэсэн хэдий ч AFM нь газар дээрх хэмжилтийг ашиглахыг зөвшөөрдөг.

Атомын хүчний микроскоп нь гадаргуугийн цэнэг, гадаргуугийн багтаамж, гадаргуугийн дамжуулалт, соронзон шинж чанарын талаархи мэдээллийг авах боломжийг олгодог. Шингэн хальсаар дамжуулан эдгээр параметрүүдийг хэмжих боломжийг танд олгоно.
AFM микроскопын үндсэн бүтэц
Сканнерийн датчикийн микроскоп нь дээжийн гадаргуутай микропроб (AFM тохиолдолд консол) харилцан үйлчлэлд суурилсан гадаргуугийн шинжилгээний арга юм. Микропроб эсвэл консол (англи хэлээр - цацраг) нь цахиур хавтан (3x1.5x0.3 мм) бөгөөд төгсгөлөөс нь цухуйсан цацраг (тэгш өнцөгт ба гурвалжин хэлбэртэй) - цацрагийн төгсгөлд баяжуулалт, төгсгөл байдаг. үүнээс гадаргууг шалгана.
Гадаргууг сканнердах нь консолоор скан хийх, субстратаар скан хийх гэсэн хоёр аргаар явагдана. Хэрэв эхний тохиолдолд консол нь судалж буй гадаргуугийн дагуу хөдөлдөг бол хоёр дахь тохиолдолд субстрат өөрөө суурин консолтой харьцуулахад хөдөлдөг. Сканнердах горимыг хадгалахын тулд консол нь гадаргуутай ойрхон байх ёстой бөгөөд энэ нь тогтмол хүчний горим эсвэл тогтмол өндрийн горим эсэхээс хамаарч сканнердах явцад ийм горимыг хадгалах систем байдаг. Энэ зорилгоор микроскопын электрон хэлхээ нь консолыг анхны байрлалаас нь хазайлгах системд холбогдсон тусгай санал хүсэлтийн системийг агуулдаг. Консол-субстратын холболтын түвшинг (ашиглалтын цэг) урьдчилан тогтоодог бөгөөд санал хүсэлтийн систем нь гадаргуугийн топографаас үл хамааран энэ түвшинг тогтмол байлгахын тулд ажилладаг бөгөөд боловсруулалтын хэмжээг тодорхойлсон дохио нь ашигтай илрүүлэх дохио юм.
Дээж (гадаргуу) ба консолыг гадаргуу ба консол нь харилцан үйлчилж эхлэх хүртэл шаталсан мотор ашиглан ойртуулдаг бөгөөд энэ нь фотодиодын хэсгүүдэд лазер туяа шилжиж, улмаар гүйдлийн зөрүү үүсэхэд хүргэдэг. санал хүсэлт ойртохоо болино.

Консол нь дөрвөн хавтантай пьезотубтай шууд холбогдсон тул эсрэг талын хавтан дээр хүчдэл өгснөөр хоолойн гулзайлтыг өөрчлөх боломжтой бөгөөд ингэснээр консолын сканнерын талбайг (пьезотубын хэвтээ хазайлт) дагуу өөрчлөх боломжтой. абсцисс ба ординатын тэнхлэг тус тус.
Гадаргууг сканнердах контакт, контактгүй, хагас контакт эсвэл резонансын горимууд байдаг. Холбоо барих арга нь консол нь гадаргуу дээр шууд хүрч, гадаргуу дээгүүр өнгөрөхдөө хэлбэрээ давтах явдал юм. Холбоо барихгүй ба хагас контактын горимууд нь нэмэлт сканнерын нөхцөлөөр тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь гадаргууг илүү зөөлөн, нарийн сканнердах боломжийг олгодог. Консол нь тусдаа пьезоэлектрик элементтэй хатуу холбогдож, резонансын давтамжаараа чичирдэг. Гадаргуутай харьцах үед фаз нь алдагдаж, тусгай синхрон детектор нь эргэх дохиог ашиглан давтамжийг тэнцүүлэхийг оролддог. Тиймээс далайцын хазайлтаас гадна фазын хазайлтыг одоо илрүүлж байна. Энэ горимд консол нь гадаргуу дээр тогшиж байгаа мэт санагддаг.

Танилцуулга

1. Түүхэн суурь

2. Сканнерийн микроскопын ажиллах зарчим

Сканнерийн датчикийн 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. Сорьц нь дээжийн гадаргуугийн дагуу хөдөлж байх үед гадаргуугийн топографийн улмаас харилцан үйлчлэлийн параметр P өөрчлөгддөг. 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, дараагийн сканнердах шугам руу шилжинэ (фрэймийн сканнер), процесс дахин давтагдана. Сканнердах явцад ийм байдлаар бүртгэгдсэн эргэх дохиог компьютер боловсруулж, дараа нь компьютерийн график хэрэгслийг ашиглан гадаргуугийн рельефийн 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 түүний урт нь их байх ба хананы зузаан нь 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 электродуудын 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) .

сканнерийн 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 энэ эффекттэй холбоотой геометрийн гажуудлыг SPM зураг дээр ажиглахад хүргэдэг. 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 болно.

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.

Роторын ээлжийн туйлууд нь шулуун хэлбэртэй бөгөөд хөдөлгүүрийн тэнхлэгтэй зэрэгцээ байрладаг. Зурагт үзүүлсэн мотор нь роторын 3 хос, статорын 2 хос туйлтай. Хөдөлгүүр нь бие даасан 2 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 Чичиргээнээс хамгаалах

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 дэлгэц дээрх 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). Уг датчик нь дижитал-аналог хөрвүүлэгчийн үүсгэсэн хөрөөний хүчдэлийн нөлөөн дор жижиг алхмаар 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 будах хамгийн үр дүнтэй арга бол гадаргуугаас дээш орон зайн аль нэг цэгт байрлах цэгийн эх үүсвэрийн тусламжтайгаар 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 гэх мэт. Мэдээллийг вектор массив хэлбэрээр эсвэл 2 х N матриц хэлбэрээр хадгалдаг. Тэдгээрийг дүрслэн харуулахын тулд микроскопын програм хангамж нь функцын графикийг харуулах стандарт хэрэгслийг өгдөг.

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 дээрх 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 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 топографаас хамгийн бага хазайлттай P(x,y) Z = f(x,y), дараа нь энэ хавтгайг SPM дүрсээс хасна. 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 координатууд 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 зурган 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 байрлах 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

Сорьцын 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 дүрсний ихээхэн гажуудал үүсгэдэг.

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 тусламжтайгаар та растер шинжилгээ хийх сонирхлын бүсийг хурдан тодорхойлох боломжтой

Цагаан будаа. 28. SPM SM-300 электрон микроскоп. Оптик байршлын нэгж нь тусдаа компьютерээр тоноглогдсон бөгөөд энэ нь сканнерийн микроскопоос тоног төхөөрөмжийн бие даасан байдлыг баталгаажуулдаг.

ЧАДВАР SM - 300

· 4 нм нарийвчлалтай баталгаатай

· Өвөрмөц оптик байрлал тогтоох микроскоп (заавал биш)

· Ухаалаг Windows® програм хангамж

Бүрэн компьютерийн хяналттай сканнерийн микроскоп ба дүрслэл

Тоон дохио боловсруулах стандарт ТВ гаралт

· Бага вакуум системийн компьютерийн удирдлага (заавал биш)

· Бүх судалгааг түрхэгч тэнхлэгийн ижил байрлалд (12 мм) хийнэ.

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 нэмэгдүүлнэ

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

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

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

– Наноанализийн судалгаанд зориулагдсан

– Микроанализ хийх EDX болон WDX системийг хоёуланг нь холбох боломжтой

– 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.