Modern prob mikroskobu. Teorik temeller Taramalı prob mikroskobunun genelleştirilmiş blok diyagramı

TARAMA PROB MİKROSKOBU: ÇALIŞMA TÜRLERİ VE ÇALIŞMA PRENSİBİ

Kuvaytsev Alexander Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Mühendislik ve Teknoloji Enstitüsü, Ulusal Nükleer Araştırma Üniversitesi "MEPhI" şubesi
öğrenci

Dipnot
Bu makale bir prob mikroskobunun çalışma prensibini açıklamaktadır. Bu, iletişim, biyoteknoloji, mikroelektronik ve enerji gibi çok çeşitli alanlardaki sorunları çözebilecek temelde yeni bir teknolojidir. Mikroskopi alanındaki nanoteknolojiler, kaynak tüketimini önemli ölçüde azaltacak ve çevre üzerinde baskı oluşturmayacak; örneğin bilgisayarın insanların yaşamının ayrılmaz bir parçası haline gelmesi gibi, insanlığın yaşamında da öncü bir rol oynayacaktır.

TARAMA PROBU MİKROSKOPİSİ: TİPLERİ VE ÇALIŞMA PRENSİBİ

Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Mühendislik ve Ulusal Nükleer Araştırma Üniversitesi Teknoloji Enstitüsü MEPHI
öğrenci

Soyut
Bu makale bir prob mikroskobunun prensibini açıklamaktadır. İletişim, biyoteknoloji, mikroelektronik ve enerji gibi çok çeşitli alanlardaki sorunları çözebilecek yeni bir teknolojidir. Mikroskopideki nanoteknoloji, kaynak tüketimini önemli ölçüde azaltacak ve çevre üzerinde baskı oluşturmayacak, örneğin bilgisayarın insanların yaşamının ayrılmaz bir parçası haline gelmesi gibi, insan yaşamında öncü bir rol oynayacaktır.

21. yüzyılda nanoteknolojiler hızla popülerlik kazanıyor, hayatımızın her alanına nüfuz ediyor, ancak yeni, deneysel araştırma yöntemleri olmadan bunlarda ilerleme olmaz; en bilgilendirici olanlardan biri, icat edilen taramalı prob mikroskobu yöntemidir. ve 1986'da Nobel ödüllü Profesör Heinrich Rohrer ve Dr. Gerd Binnig tarafından dağıtıldı.

Atomik görselleştirme yöntemlerinin ortaya çıkışıyla dünyada gerçek bir devrim yaşandı. Kendi cihazlarını yapan meraklı gruplar ortaya çıkmaya başladı. Sonuç olarak, probun yüzeyle etkileşiminin sonuçlarını görselleştirmek için birçok başarılı çözüm elde edildi. Gerekli parametrelere sahip probların üretimi için teknolojiler oluşturulmuştur.

Peki prob mikroskobu nedir? Her şeyden önce, numunenin yüzeyini inceleyen probun kendisidir; probu numuneye göre iki boyutlu veya üç boyutlu bir gösterimde (X-Y veya X-Y-Z koordinatları boyunca hareket eder) hareket ettirecek bir sistem de gereklidir. Bütün bunlar, prob ile numune arasındaki mesafeye bağlı olarak bir fonksiyonun değerini kaydeden bir kayıt sistemi ile tamamlanmaktadır. Kayıt sistemi, koordinatlardan biri boyunca değeri kaydeder ve hatırlar.

Taramalı prob mikroskoplarının ana türleri 3 gruba ayrılabilir:

Taramalı tünelleme mikroskobu – yüksek uzaysal çözünürlükle iletken yüzeylerin kabartmasını ölçmek için tasarlanmıştır.
STM'de numunenin üzerinden çok kısa bir mesafeden keskin bir metal iğne geçirilir. İğneye küçük bir akım uygulandığında, kendisi ile numune arasında büyüklüğü kayıt sistemi tarafından kaydedilen bir tünel akımı belirir. İğne numunenin tüm yüzeyi üzerinden geçirilir ve numune yüzeyinin bir kabartma haritasının çizilmesine bağlı olarak tünel akımındaki en ufak değişiklikleri kaydeder. STM, taramalı prob mikroskopları sınıfının ilkidir; diğerleri daha sonra geliştirildi.
Taramalı atomik kuvvet mikroskobu - bir numunenin yüzey yapısını atomik çözünürlükle çizmek için kullanılır. STM'den farklı olarak bu mikroskop hem iletken hem de iletken olmayan yüzeyleri incelemek için kullanılabilir. Atomları yalnızca taramakla kalmayıp aynı zamanda manipüle etme yeteneğinden dolayı buna kuvvet denir.
Yakın alan optik mikroskobu, geleneksel bir optik mikroskoptan daha iyi çözünürlük sağlayan "gelişmiş" bir optik mikroskoptur. Malzeme Listesinin çözünürlüğünün arttırılması, incelenen nesneden gelen ışığın dalga boyundan daha kısa mesafelerde yakalanmasıyla sağlandı. Mikroskop probu, uzaysal alanı taramak için bir cihazla donatılmışsa, bu tür bir mikroskoba, yakın alan taramalı optik mikroskop adı verilir. Bu mikroskop, yüzeylerin çok yüksek çözünürlükte görüntülerini elde etmenizi sağlar.

Resim (Şekil 1), bir prob mikroskobunun en basit çalışma diyagramını göstermektedir.

Şekil 1. - Prob mikroskobunun çalışma şeması

Çalışması numune yüzeyinin bir prob ile etkileşimine dayanır; bu bir konsol, bir iğne veya bir optik prob olabilir. Prob ile çalışma nesnesi arasında küçük bir mesafede, itme, çekme vb. gibi etkileşim kuvvetlerinin eylemleri ve elektron tünellemesi gibi etkilerin tezahürü, kayıt araçları kullanılarak kaydedilebilir. Bu kuvvetleri tespit etmek için en ufak değişiklikleri tespit edebilen çok hassas sensörler kullanılır. Raster görüntü elde etmek için koordinat tarama sistemi olarak piezo tüpler veya düzlem paralel tarayıcılar kullanılır.

Taramalı prob mikroskopları oluşturmanın ana teknik zorlukları şunları içerir:

Mekanik Bütünlüğün Sağlanması
Dedektörler maksimum hassasiyete sahip olmalıdır
Probun ucu minimum boyutlara sahip olmalıdır
Süpürme sistemi oluşturma
Prob düzgünlüğünü sağlayın

Neredeyse her zaman, taramalı prob mikroskobu ile elde edilen görüntünün, sonuçların elde edilmesindeki bozulmalar nedeniyle deşifre edilmesi zordur. Kural olarak ek matematiksel işlemlere ihtiyaç vardır. Bunun için özel yazılımlar kullanılır.

Günümüzde taramalı prob ve elektron mikroskobu, bir takım fiziksel ve teknik özelliklerinden dolayı tamamlayıcı araştırma yöntemleri olarak kullanılmaktadır. Geçtiğimiz yıllarda prob mikroskobunun kullanımı fizik, kimya ve biyoloji alanlarında benzersiz bilimsel araştırmalar elde etmeyi mümkün kılmıştır. İlk mikroskoplar yalnızca araçlardı; araştırmaya yardımcı olan göstergeler ve modern örnekler, 50'ye kadar farklı araştırma tekniğini içeren tam teşekküllü iş istasyonlarıdır.

Bu ileri teknolojinin temel görevi bilimsel sonuçlar elde etmektir ancak bu cihazların yeteneklerinin pratikte kullanılması yüksek nitelikli uzmanlar gerektirir.

Keskin bir sonda kullanarak bir numunenin yüzeyinin süper yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde etme fikri ilk olarak 1966'da önerildi ve 1972'de yüzey fiziği üzerinde çalışan Russell Young tarafından uygulandı. Şekilde Young'ın kurulumunun bir diyagramı gösterilmektedir. İncelenmekte olan iletken numune, diferansiyel bir mikro vidayı temel alan kaba bir yaklaşım mekanizmasına sabitlenmiştir. Numune, piezo tahrikli hassas bir XYZ tarayıcıya monte edilmiş keskin bir tungsten iğneye getirilir. Prob iğnesi ile numune arasında uygulanan potansiyel farkı, cihaz tarafından kaydedilen elektronların emisyonuna neden olur. Geri besleme mekanizması, probun Z-koordinat konumunu (yani prob ile yüzey arasındaki mesafe) değiştirerek sabit bir emisyon akımını korur. Geri bildirim sinyalini bir kayıt cihazına veya osiloskopa kaydetmek, yüzey topografisini geri yüklemenize olanak tanır.

Yang'ın cihazının örnek düzlemdeki uzaysal çözünürlüğü geleneksel bir optik mikroskobun çözünürlüğünü aşmamasına rağmen, kurulum bir SPM'nin tüm karakteristik özelliklerine sahipti ve örnek üzerindeki atomik katmanları ayırt etmeyi mümkün kıldı.

Birkaç yıl sonra, 70'lerin sonlarında, Zürih'teki IBM Araştırma Laboratuvarı'ndan fizikçiler Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer, ilk taramalı tünelleme mikroskobunu geliştirmeye başladılar. Elektron mikroskobu konusunda geniş deneyime sahip olan ve tünelleme etkisini araştıran ikili, Young'ın Topografiner'ına benzer bir enstalasyon oluşturma fikrini ortaya attılar.

Ancak emisyon akımı yerine tünel etkili akım kullandılar, bu da cihazın çözünürlüğünü büyük mertebelerde artırmayı mümkün kıldı. Birçok atomik çözünürlükte görüntü elde edildi ve cihazdaki daha fazla iyileştirme, diğer birçok SPM türünün yaratılmasına yol açtı. 1986 yılında Binnig ve Rohrer taramalı tünelleme mikroskobunu geliştirdikleri için Nobel Fizik Ödülü'nü aldılar. İlk STM'nin yaratılışının tarihi Binnig'in Nobel konuşmasından öğrenilebilir
Kurulumların daha da geliştirilmesiyle araştırmacılar yalnızca yüzey topografyasını ölçmeyi değil, aynı zamanda bireysel atomları manipüle etmeyi de öğrendiler! Bu olayın önemi, ilk yapay uydunun Dünya yörüngesine fırlatılmasıyla kıyaslanabilir ve belki de bu, geleceğin en önemli teknolojilerinin yaratılmasına yönelik ilk adımdır.

STM'de tünel etkisinin kullanılması yalnızca ultra yüksek çözünürlük elde edilmesine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda incelenen numuneye bir takım önemli kısıtlamalar da getirir: iletken olmalıdır ve ölçümlerin yüksek vakumda yapılması tavsiye edilir. Bu durum STM'nin uygulanabilirlik kapsamını büyük ölçüde daraltmaktadır. Bu nedenle araştırmacılar çabalarını bu sınırlamalardan arınmış yeni tür SPM'ler oluşturmaya odakladılar. 1986'da Binnig, Quat ve Gerber tarafından yeni bir mikroskop türü olan Atomik Kuvvet Mikroskobu'nu (AFM) tanımlayan bir makale yayınlandı. Bu tip mikroskopta, yaylı bir kirişin ucuna tutturulmuş özel bir prob (bir konsol) ve keskin bir silikon iğne kullanılır. Bu iğne ve numunenin yüzeyi yaklaşık on nanometrelik bir mesafeye kadar bir araya geldiğinde (numunenin yüzeyi daha önce bir su tabakasından arındırılmışsa), ışın numuneye doğru sapmaya başlar çünkü iğnenin ucu van der Waals kuvvetleri aracılığıyla yüzeyle etkileşime girer. Yüzeye daha fazla yaklaşıldığında iğne, elektrostatik itme kuvvetlerinin etkisiyle ters yönde sapar. Binnig düzeneğinde iğnenin denge konumundan sapması, bir tünel mikroskobu iğnesi kullanılarak tespit edildi.

Bir konsolun kullanılması iletken olmayan numunelerin incelenmesini mümkün kıldı. Tespit sistemlerinin daha da geliştirilmesi, yalnızca havada değil, sıvıda da ölçüm yapabilen mikroskopların yaratılmasına yol açtı; bu, özellikle biyolojik numuneler incelenirken önemlidir. Ek olarak, konsol ile numune arasındaki kuvvet etkileşimini ölçmek için yöntemler geliştirilmiştir; bunun sayesinde bireysel atomlar arasındaki etkileşim kuvvetlerini 10-9 Newton düzeyinde karakteristik değerlerle belirlemek mümkün olmuştur.

1980'lerin ortasından bu yana, prob mikroskobu ile ilgili yayınların sayısında büyük bir artış yaşandı. SPM'lerin pek çok çeşidi ortaya çıkmış, ticari olarak temin edilebilen birçok araç ortaya çıkmış, prob mikroskobu üzerine ders kitapları yayınlanmış ve SPM operasyonunun temelleri birçok yüksek eğitim kurumundaki derslerde çalışılmaktadır.

giriiş

Günümüzde nanoteknolojinin bilimsel ve teknik yönü, hem temel hem de uygulamalı araştırmaların geniş bir yelpazesini kapsayacak şekilde hızla gelişmektedir. Bu, iletişim, biyoteknoloji, mikroelektronik ve enerji gibi çok çeşitli alanlardaki sorunları çözebilecek temelde yeni bir teknolojidir. Bugün 100'den fazla genç şirket, önümüzdeki 2-3 yıl içinde pazara girecek nanoteknolojik ürünler geliştiriyor.

Nanoteknolojiler 21. yüzyılın önde gelen teknolojileri haline gelerek ekonominin ve toplumun sosyal alanının gelişmesine katkıda bulunacak; yeni bir sanayi devriminin ön koşulu haline gelebilecektir. Geçtiğimiz iki yüz yılda Sanayi Devrimi'ndeki ilerleme, Dünya kaynaklarının yaklaşık %80'i pahasına sağlandı. Nanoteknolojiler, kaynak tüketimini önemli ölçüde azaltacak ve çevreye baskı yapmayacak; tıpkı bilgisayarın insan yaşamının ayrılmaz bir parçası haline gelmesi gibi, insanlığın yaşamında da öncü rol oynayacak.

Nanoteknolojideki ilerleme, deneysel araştırma yöntemlerinin geliştirilmesiyle teşvik edildi; bunların arasında en bilgilendirici olanı, buluşunu ve özellikle yayılmasını dünyanın 1986 Nobel ödüllü Profesör Heinrich Rohrer ve Dr. Gerd Binnig'e borçlu olduğu taramalı prob mikroskobu yöntemleridir.

Dünya, atomları görselleştirmenin bu kadar basit yöntemlerinin ve hatta onları manipüle etme olasılığının keşfi karşısında büyülendi. Birçok araştırma grubu ev yapımı cihazlar yapmaya ve bu yönde denemeler yapmaya başladı. Sonuç olarak, bir dizi kullanışlı cihaz tasarımı doğmuş ve prob-yüzey etkileşiminin sonuçlarını görselleştirmek için yanal kuvvet mikroskobu, manyetik kuvvet mikroskobu, manyetik, elektrostatik ve elektromanyetik etkileşimleri kaydetmek için mikroskopi gibi çeşitli yöntemler önerilmiştir. Yakın alan optik mikroskopi yöntemleri yoğun bir gelişme göstermiştir. Prob-yüzey sisteminde yönlendirilmiş, kontrollü etki yöntemleri geliştirilmiştir, örneğin nanolitografi - prob-yüzey sistemindeki elektriksel, manyetik etkiler, plastik deformasyonlar ve ışığın etkisi altında yüzeyde değişiklikler meydana gelir. Çeşitli yüzey özelliklerinin görselleştirilmesine yönelik özel kaplamalar ve yapılar ile belirli geometrik parametrelere sahip probların üretimi için teknolojiler oluşturulmuştur.

Taramalı prob mikroskobu (SPM), yüksek uzaysal çözünürlüğe sahip katı bir yüzeyin morfolojisini ve yerel özelliklerini incelemek için güçlü, modern yöntemlerden biridir. Son 10 yılda, taramalı prob mikroskobu, yalnızca sınırlı sayıda araştırma grubunun kullanabileceği egzotik bir teknikten, yüzey özelliklerinin incelenmesi için yaygın ve başarılı bir araca dönüştü. Şu anda yüzey fiziği ve ince film teknolojileri alanında neredeyse hiçbir araştırma SPM yöntemleri kullanılmadan tamamlanmamaktadır. Taramalı prob mikroskobunun geliştirilmesi aynı zamanda nanoteknolojide yeni yöntemlerin (nanometre ölçeğinde yapılar oluşturmaya yönelik teknoloji) geliştirilmesinin de temelini oluşturdu.

1. Tarihsel arka plan

Hollandalı Antonie van Leeuwenhoek, küçük nesneleri gözlemlemek için 17. yüzyılda mikroskobu icat ederek mikropların dünyasını açtı. Mikroskopları kusurluydu ve 150 ila 300 kat büyütme sağlıyordu. Ancak takipçileri bu optik cihazı geliştirerek biyoloji, jeoloji ve fizikteki birçok keşfin temelini attılar. Bununla birlikte, 19. yüzyılın sonlarında (1872), Alman gözlükçü Ernst Karl Abbe, ışığın kırınımı nedeniyle mikroskobun çözme gücünün (yani, henüz bir araya gelmedikleri nesneler arasındaki minimum mesafenin) arttığını gösterdi. bir görüntü) ışığın dalga boyuyla (0,4 - 0,8 µm) sınırlıdır. Böylece, daha gelişmiş mikroskoplar yapmaya çalışan gözlükçülerin büyük bir çaba harcamasını önledi, ancak 1500x'ten daha yüksek büyütme oranına sahip bir alet elde etme umudunu kaybeden biyologları ve jeologları hayal kırıklığına uğrattı.

Elektron mikroskobunun yaratılış tarihi, bağımsız olarak gelişen bilim ve teknoloji alanlarının, alınan bilgi alışverişinde bulunarak ve güçleri birleştirerek bilimsel araştırma için nasıl yeni ve güçlü bir araç yaratabileceğinin harika bir örneğidir. Klasik fiziğin zirvesi, ışığın yayılmasını, elektrik ve manyetik alanların ortaya çıkmasını ve yüklü parçacıkların bu alanlardaki hareketini elektromanyetik dalgaların yayılmasıyla açıklayan elektromanyetik alan teorisiydi. Dalga optiği, kırınım olayını, görüntü oluşum mekanizmasını ve ışık mikroskobunda çözünürlüğü belirleyen faktörlerin etkisini açıklığa kavuşturdu. Teorik ve deneysel fizik alanındaki ilerlemeleri, elektronun kendine has özellikleriyle keşfedilmesine borçluyuz. Bu ayrı ve görünüşte bağımsız gelişim yolları, en önemli uygulamalarından biri 1930'larda EM'nin icadı olan elektron optiğinin temellerine yol açtı. Bu olasılığın doğrudan bir ipucu, 1924'te Louis de Broglie tarafından ortaya atılan ve 1927'de ABD'de K. Davisson ve L. Germer ve İngiltere'de J. Thomson tarafından deneysel olarak doğrulanan, elektronun dalga doğası hakkındaki hipotez olarak düşünülebilir. Bu, dalga optiği yasalarına göre bir EM oluşturmayı mümkün kılan bir benzetme önerdi. H. Bush, elektrik ve manyetik alanları kullanarak elektronik görüntüler oluşturmanın mümkün olduğunu keşfetti. 20. yüzyılın ilk yirmi yılında. gerekli teknik önkoşullar da oluşturuldu. Elektron ışını osiloskopu üzerinde çalışan endüstriyel laboratuvarlar, vakum teknolojisi, kararlı yüksek voltaj ve akım kaynakları ve iyi elektron yayıcılar üretti.

1931'de R. Rudenberg, transmisyon elektron mikroskobu için patent başvurusunda bulundu ve 1932'de M. Knoll ve E. Ruska, elektronları odaklamak için manyetik mercekler kullanan bu türden ilk mikroskobu inşa etti. Bu cihaz, modern optik transmisyon elektron mikroskobunun (OTEM) öncüsüydü. (Ruska, çabalarından dolayı 1986 Nobel Fizik Ödülü'nü kazanarak ödüllendirildi.) 1938'de Ruska ve B. von Borries, Almanya'da Siemens-Halske için bir prototip endüstriyel OPEM inşa etti; bu cihaz sonunda 100 nm'lik bir çözünürlüğe ulaşmayı mümkün kıldı. Birkaç yıl sonra A. Prebus ve J. Hiller, Toronto Üniversitesi'nde (Kanada) ilk yüksek çözünürlüklü OPEM'i kurdu.

OPEM'in geniş olanakları neredeyse anında ortaya çıktı. Almanya'da Siemens-Halske ve ABD'de RCA Corporation tarafından eş zamanlı olarak endüstriyel üretime başlandı. 1940'lı yılların sonunda başka firmalar da bu tür cihazları üretmeye başladı.

SEM şu anki haliyle 1952'de Charles Otley tarafından icat edildi. Doğru, böyle bir cihazın ön versiyonları 1930'larda Almanya'da Knoll tarafından ve 1940'larda Zworykin ve RCA Corporation'daki meslektaşları tarafından yapıldı, ancak yalnızca Otley'in cihazı bir dizi teknik iyileştirmenin temelini oluşturabildi. 1960'ların ortalarında SEM'in endüstriyel bir versiyonunun üretime girmesiyle. Üç boyutlu görüntüye ve elektronik çıkış sinyaline sahip, kullanımı oldukça kolay bir cihazın tüketici yelpazesi katlanarak genişledi. Şu anda, üç kıtada bir düzine endüstriyel SEM üreticisi bulunmaktadır ve dünya çapındaki laboratuvarlarda bu türden onbinlerce cihaz kullanılmaktadır. 1960'larda, daha kalın numuneleri incelemek için ultra yüksek voltajlı mikroskoplar geliştirildi. Geliştirme, 1970 yılında 3,5 milyon voltluk hızlanma voltajına sahip bir cihazın tanıtıldığı Fransa'daki G. Dupuy'du. RTM, 1979 yılında Zürih'te G. Binnig ve G. Rohrer tarafından icat edildi. tasarım, yüzeylerin atomik çözünürlüğünü sağlar Binnig ve Rohrer (Ruska ile aynı zamanda) RTM'nin yaratılmasıyla Nobel Ödülü'nü aldı.

1986 yılında taramalı prob mikroskobu Rohrer ve Binnig tarafından icat edildi. STM, icadından bu yana fizik, kimya, biyolojideki temel araştırmalardan spesifik teknolojik uygulamalara kadar hemen hemen tüm doğa bilimleri disiplinlerini kapsayan çeşitli uzmanlık alanlarındaki bilim adamları tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. STM'nin çalışma prensibi o kadar basit, potansiyel olasılıklar o kadar büyük ki, bilim ve teknolojiye etkisini yakın gelecekte bile tahmin etmek imkansız.

Daha sonra ortaya çıktığı gibi, uç probunun yüzeyle (mekanik, manyetik) hemen hemen her etkileşimi, uygun aletler ve bilgisayar programları kullanılarak yüzeyin bir görüntüsüne dönüştürülebilir.

Taramalı prob mikroskobu kurulumu, Şekil 2'de gösterilen çeşitli fonksiyonel bloklardan oluşur. 1. Bu, ilk olarak, probu kontrol etmek için bir piezomanipülatöre, bir tünel akım-voltaj dönüştürücüye ve numuneyi beslemek için bir kademeli motora sahip mikroskobun kendisidir; analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüştürücüler ve yüksek voltaj amplifikatörleri bloğu; step motor kontrol ünitesi; geri besleme sinyalini hesaplayan sinyal işlemcili bir kart; bilgi toplayan ve kullanıcıya arayüz sağlayan bir bilgisayar. Yapısal olarak DAC ve ADC ünitesi, step motor kontrol ünitesiyle aynı muhafazaya monte edilmiştir. Analog Devices'tan sinyal işlemcili (DSP - Dijital Sinyal İşlemcisi) ADSP 2171 içeren bir kart, kişisel bir bilgisayarın ISA genişletme yuvasına takılıdır.

Mikroskobun mekanik sisteminin genel bir görünümü Şekil 1'de gösterilmektedir. 2. Mekanik sistem, taramalı tünel açma ve atomik kuvvet mikroskobu modlarında çalışmak üzere bir dişli kutusu ve iki çıkarılabilir ölçüm başlığına sahip bir step motor üzerinde bir piezo manipülatörlü bir taban ve düzgün bir numune besleme sistemi içerir. Mikroskop, ek sismik ve akustik filtreler kullanılmadan geleneksel test yüzeylerinde kararlı atomik çözünürlük elde edilmesini sağlar.

7. Biyolojik nesnelerin incelenmesi için taramalı prob mikroskobunun kullanılması

7. Biyolojik nesnelerin incelenmesi için taramalı prob mikroskobunun uygulanması 1

7.1. İşin hedefleri 2

7.2. Öğretmen Bilgileri 3

7.4. Yönergeler 31

7.5. Güvenlik 32

7.6. Görev 32

7.7. Test soruları 32

7.8. Edebiyat 32

Laboratuvar çalışması Nizhny Novgorod Devlet Üniversitesi tarafından geliştirildi. N.I. Lobaçevski

7.1.İşin hedefleri

Biyolojik yapıların morfolojik parametrelerinin incelenmesi biyologlar için önemli bir görevdir, çünkü bazı yapıların boyutu ve şekli onların fizyolojik özelliklerini büyük ölçüde belirler. Morfolojik verileri fonksiyonel özelliklerle karşılaştırarak, canlı hücrelerin insan veya hayvan vücudunun fizyolojik dengesini korumaya katılımı hakkında kapsamlı bilgi elde edilebilir.

Daha önce biyologlar ve doktorlar preparatlarını yalnızca optik ve elektron mikroskopları kullanarak inceleme fırsatına sahipti. Bu çalışmalar, püskürtme yoluyla üretilen ince metal kaplamalarla sabitlenen, lekelenen ve kaplanan hücrelerin morfolojisine dair bazı bilgiler sağladı. Canlı nesnelerin morfolojisini ve çeşitli faktörlerin etkisi altındaki değişikliklerini incelemek mümkün değildi ama çok cazipti.

Taramalı prob mikroskobu (SPM), hücrelerin, bakterilerin, biyolojik moleküllerin ve DNA'nın doğal olanlara mümkün olduğunca yakın koşullar altında incelenmesinde yeni fırsatlar açmıştır. SPM, biyolojik nesneleri özel sabitleyiciler ve boyalar olmadan, havada ve hatta sıvı ortamda incelemenize olanak tanır.

Şu anda SPM, hem temel bilimsel araştırmalarda hem de uygulamalı yüksek teknoloji gelişmelerinde çok çeşitli disiplinlerde kullanılmaktadır. Ülkedeki birçok araştırma enstitüsü prob mikroskobu ekipmanıyla donatılmıştır. Bu bağlamda, yüksek nitelikli uzmanlara olan talep sürekli artmaktadır. Bu gereksinimi karşılamak için NT-MDT şirketi (Zelenograd, Rusya), taramalı prob mikroskobu için özel bir eğitim ve bilimsel laboratuvar geliştirmiştir. NanoEğitimci.

SPM NanoEğitimcisiÖğrencilerin laboratuvar çalışmaları için özel olarak tasarlanmıştır. Bu cihaz öğrenci kitlesine yöneliktir: tamamen bilgisayar kullanılarak kontrol edilir, basit ve sezgisel bir arayüze sahiptir, animasyon desteğine sahiptir, tekniklerin adım adım geliştirilmesini içerir, karmaşık ayarların bulunmaması ve ucuz sarf malzemeleri.

Bu laboratuvar çalışmasında taramalı prob mikroskobu hakkında bilgi edinecek, temellerini tanıyacak, eğitim mikroskobunun tasarımını ve çalışma prensiplerini öğreneceksiniz. SPM NanoEğitimcisi, araştırma için biyolojik preparatlar hazırlamayı öğrenin, bir laktik asit bakterisi kompleksinin ilk SPM görüntüsünü elde edin ve ölçüm sonuçlarının işlenmesi ve sunulmasıyla ilgili temelleri öğrenin.

7.2.Öğretmen için bilgiler 1

Laboratuvar çalışmaları birkaç aşamada gerçekleştirilir:

1. Numune hazırlama her öğrenci tarafından ayrı ayrı yapılır.

2. İlk görüntü bir öğretmen gözetiminde tek bir cihazda alınır, ardından her öğrenci kendi örneğini bağımsız olarak inceler.

3. Deneysel veriler her öğrenci tarafından ayrı ayrı işlenir.

Araştırma örneği: Bir kapak camındaki laktik asit bakterileri.

Çalışmaya başlamadan önce, en karakteristik genlik-frekans karakteristiğine (tek simetrik maksimum) sahip bir prob seçmek ve incelenen numunenin yüzeyinin bir görüntüsünü elde etmek gerekir.

Laboratuvar raporu şunları içermelidir:

1. teorik kısım (kontrol sorularının cevapları).

2. Deneysel bölümün sonuçları (yürütülen araştırmanın açıklaması, elde edilen sonuçlar ve çıkarılan sonuçlar).

1. Biyolojik nesnelerin morfolojisini inceleme yöntemleri.

2. Tarama probu mikroskobu:

SPM tasarımı;

SPM türleri: STM, AFM;

SPM veri formatı, SPM verilerinin görselleştirilmesi.

3. SPM çalışmaları için numunelerin hazırlanması:

bakteri hücrelerinin morfolojisi ve yapısı;

SPM kullanarak morfolojiyi incelemek için hazırlıkların hazırlanması.

4. NanoEducator SPM'nin tasarım ve kontrol programına giriş.

5. Bir SPM görüntüsünün elde edilmesi.

6. Elde edilen görüntülerin işlenmesi ve analizi. SPM görüntülerinin nicel karakterizasyonu.

Biyolojik nesnelerin morfolojisini inceleme yöntemleri

Hücrelerin karakteristik çapı 10  20 μm, bakteriler 0,5 ila 3  5 μm arasındadır, bu değerler çıplak gözle görülebilen en küçük parçacıktan 5 kat daha küçüktür. Bu nedenle hücrelerin ilk incelenmesi ancak optik mikroskopların ortaya çıkmasından sonra mümkün oldu. 17. yüzyılın sonunda. Antonio van Leeuwenhoek ilk optik mikroskobu yaptı; bundan önce insanlar patojen mikropların ve bakterilerin varlığından bile şüphelenmiyorlardı [Kaynak. 7-1].

Optik mikroskopi

Hücrelerin incelenmesindeki zorluklar renksiz ve şeffaf olmalarından kaynaklanmaktadır, dolayısıyla temel yapılarının keşfi ancak boyaların uygulamaya girmesinden sonra gerçekleşmiştir. Boyalar yeterli görüntü kontrastı sağladı. Optik bir mikroskop kullanarak birbirinden 0,2 µm uzaklıktaki nesneleri ayırt edebilirsiniz; Optik mikroskopta hala ayırt edilebilen en küçük nesneler bakteri ve mitokondridir. Daha küçük hücre elemanlarının görüntüleri, ışığın dalga doğasından kaynaklanan etkiler nedeniyle bozulur.

Uzun süreli preparatlar hazırlamak için hücreler, onları hareketsiz hale getirmek ve korumak amacıyla bir fiksatif madde ile muamele edilir. Ek olarak fiksasyon hücrelerin boyalara erişilebilirliğini artırır çünkü Hücre makromolekülleri, onları belirli bir pozisyonda sabitleyen ve sabitleyen çapraz bağlarla bir arada tutulur. Çoğu zaman, aldehitler ve alkoller fiksatif görevi görür (örneğin, glutaraldehit veya formaldehit, proteinlerin serbest amino grupları ile kovalent bağlar oluşturur ve komşu moleküllere çapraz bağlanır). Sabitlendikten sonra doku genellikle bir mikrotomla çok ince kesitlere (1 ila 10 µm kalınlığında) kesilir ve bunlar daha sonra bir cam slayt üzerine yerleştirilir. Bu hazırlama yöntemi hücrelerin veya makromoleküllerin yapısına zarar verebileceğinden hızlı dondurma tercih edilen yöntemdir. Dondurulmuş doku, soğuk bir odaya yerleştirilmiş bir mikrotomla kesilir. Bölümler hazırlandıktan sonra hücreler boyanır. Bu amaçla esas olarak organik boyalar (malakit yeşili, siyah sudan vb.) kullanılır. Bunların her biri hücresel bileşenler için belirli bir afinite ile karakterize edilir, örneğin hematoksilin negatif yüklü moleküller için bir afiniteye sahiptir ve bu nedenle hücrelerde DNA'nın tespit edilmesini mümkün kılar. Belirli bir molekül bir hücrede küçük miktarlarda mevcutsa, floresan mikroskobunun kullanılması en uygunudur.

Floresan mikroskobu

Floresan boyalar bir dalga boyundaki ışığı emer ve daha uzun dalga boyundaki ışığı yayar. Böyle bir madde, dalga boyu boya tarafından emilen ışığın dalga boyuna uyan bir ışıkla ışınlanırsa ve daha sonra analiz için boyanın yaydığı ışığa karşılık gelen dalga boyunda ışık ileten bir filtre kullanılırsa, floresan molekülü tespit edilebilir. karanlık bir alanda parlayarak. Yayılan ışığın yüksek yoğunluğu bu tür moleküllerin karakteristik bir özelliğidir. Hücreleri lekelemek için floresan boyaların kullanılması, özel bir floresan mikroskobun kullanımını içerir. Bu mikroskop, geleneksel bir optik mikroskoba benzer, ancak güçlü bir aydınlatıcıdan gelen ışık, biri aydınlatıcı radyasyonunun bir kısmını durdurmak için iki filtre setinden geçer. numunenin ön kısmı ve diğeri numuneden alınan ışığı filtrelemek için. Birinci filtre, yalnızca belirli bir floresan boyayı harekete geçiren dalga boyundaki ışığı iletecek şekilde seçilir; aynı zamanda, ikinci bir filtre gelen ışığı bloke eder ve boyanın flüoresans sırasında yaydığı dalga boyundaki ışığı iletir.

Floresan mikroskobu genellikle floresan boyalara kovalent olarak bağlandıktan sonra floresan hale gelen spesifik proteinleri veya diğer molekülleri tanımlamak için kullanılır. Bu amaçla genellikle iki boya kullanılır: floresan, açık mavi ışıkla uyarıldığında yoğun sarı-yeşil floresans üretir ve rodamin, sarı-yeşil ışıkla uyarıldıktan sonra koyu kırmızı floresansa neden olur. Boyama için hem floresan hem de rodamin kullanılarak çeşitli moleküllerin dağılımını elde etmek mümkündür.

Karanlık alan mikroskobu

Bir hücrenin yapısının ayrıntılarını görmenin en kolay yolu, hücrenin çeşitli bileşenleri tarafından saçılan ışığı gözlemlemektir. Karanlık alan mikroskobunda aydınlatıcıdan gelen ışınlar yandan yönlendirilir ve yalnızca dağınık ışınlar mikroskop merceğine girer. Buna göre hücre, karanlık bir alan üzerinde aydınlatılmış bir cisim gibi görünür. Karanlık alan mikroskobunun temel avantajlarından biri, bölünme ve göç süreci sırasında hücrelerin hareketini gözlemleyebilme yeteneğidir. Hücresel hareketler genellikle çok yavaştır ve gerçek zamanlı olarak gözlemlenmesi zordur. Bu durumda kare kare (hızlandırılmış) mikro film çekimi veya video kaydı kullanılır. Ardışık kareler zaman içinde ayrılır, ancak kayıt normal hızda oynatıldığında gerçek olayların resmi hızlandırılır.

Son yıllarda video kameralar ve ilgili görüntü işleme teknolojileri, optik mikroskopinin yeteneklerini büyük ölçüde geliştirdi. Kullanımları sayesinde insan fizyolojisinin özelliklerinden kaynaklanan zorlukların üstesinden gelmek mümkün oldu. Bunlar:

1. Normal şartlarda göz çok zayıf ışığı algılamaz.

2. Göz, parlak bir arka plandaki ışık yoğunluğundaki küçük farklılıkları tespit edemez.

Bu sorunlardan ilki mikroskoba ultra yüksek hassasiyetli video kameraların eklenmesiyle aşıldı. Bu, hücrelerin düşük ışıkta uzun süre gözlemlenmesini mümkün kıldı ve parlak ışığa uzun süre maruz kalmayı ortadan kaldırdı. Görüntüleme sistemleri, canlı hücrelerdeki floresan moleküllerin incelenmesi için özellikle önemlidir. Görüntü, video kamera tarafından elektronik sinyaller biçiminde üretildiğinden, uygun şekilde sayısal sinyallere dönüştürülebilir, bir bilgisayara gönderilebilir ve daha sonra gizli bilgilerin çıkarılması için daha fazla işlenebilir.

Bilgisayar girişim mikroskobu ile elde edilebilen yüksek kontrast, çapı ışık dalga boyunun (0,025 μm) onda birinden daha az olan tek tek mikrotübüller gibi çok küçük nesnelerin bile gözlemlenmesini mümkün kılar. Bireysel mikrotübüller ayrıca floresan mikroskobu kullanılarak da görülebilir. Ancak her iki durumda da kırınım etkileri kaçınılmazdır ve görüntüyü büyük ölçüde değiştirir. Bu durumda, mikrotübül çapı fazla tahmin edilmektedir (0,2 μm), bu da bireysel mikrotübüllerin birkaç mikrotübül demetinden ayırt edilmesine izin vermemektedir. Bu sorunu çözmek için, çözünürlük sınırı görünür ışığın dalga boyunun çok ötesine kaydırılan bir elektron mikroskobuna ihtiyaç vardır.

Elektron mikroskobu

Dalga boyu ile çözünürlük sınırı arasındaki ilişki elektronlar için de geçerlidir. Bununla birlikte, bir elektron mikroskobu için çözünürlük sınırı, kırınım sınırından önemli ölçüde düşüktür. Elektronun hızı arttıkça dalga boyu azalır. 100.000 V gerilime sahip bir elektron mikroskobunda elektronun dalga boyu 0,004 nm'dir. Teoriye göre böyle bir mikroskobun çözünürlüğü 0,002 nm'dir. Ancak gerçekte elektron merceklerinin sayısal açıklıklarının küçük olması nedeniyle modern elektron mikroskoplarının çözünürlüğü en iyi ihtimalle 0,1 nm'dir. Numune hazırlamadaki zorluklar ve radyasyon hasarı, biyolojik nesneler için 2 nm (ışık mikroskobundan yaklaşık 100 kat daha yüksek) olan normal çözünürlüğü önemli ölçüde azaltır.

Elektronların kaynağı transmisyon elektron mikroskobu (TEM) yaklaşık iki metre yüksekliğinde silindirik bir kolonun tepesinde bulunan bir katot filamanıdır. Hava molekülleriyle çarpıştığında elektron saçılmasını önlemek için kolonda bir vakum oluşturulur. Katot filamanından yayılan elektronlar yakındaki bir anot tarafından hızlandırılır ve küçük bir delikten geçerek kolonun tabanına giden bir elektron ışını oluşturur. Sütun boyunca belli bir mesafede, optik mikroskopta ışık ışınını odaklayan cam mercekler gibi, elektron ışınını odaklayan halka mıknatıslar vardır. Numune, elektron ışınının yolundaki bir hava kilidi aracılığıyla kolonun içine yerleştirilir. Numuneden geçtiği anda elektronların bir kısmı bu bölgedeki maddenin yoğunluğuna göre saçılır, geri kalan elektronlar odaklanarak bir görüntü oluşturur (optik mikroskopta görüntü oluşmasına benzer) bir fotoğraf plakası üzerinde veya fosforlu bir ekranda.

Elektron mikroskobunun en büyük dezavantajlarından biri biyolojik numunelerin özel işlemlere tabi tutulmasının gerekli olmasıdır. İlk olarak, önce glutaraldehitle, sonra da lipit ve proteinlerden oluşan çift tabakayı bağlayan ve stabilize eden osmik asitle sabitlenirler. İkincisi, elektronların nüfuz etme gücü düşüktür, bu nedenle ultra ince kesitler yapılması gerekir ve bunun için numuneler kurutulur ve reçinelerle emprenye edilir. Üçüncüsü, kontrastı arttırmak için numuneler osmiyum, uranyum ve kurşun gibi ağır metal tuzlarıyla işlenir.

Yüzeyin üç boyutlu görüntüsünü elde etmek için kullanılır. taramalı elektron mikroskobu (SEM) Numunenin yüzeyi tarafından saçılan veya yayılan elektronları kullanır. Bu durumda numune sabitlenir, kurutulur ve ince bir ağır metal filmi ile kaplanır ve ardından dar bir elektron ışınıyla taranır. Bu durumda yüzeyin ışınlanması sırasında saçılan elektronların sayısı tahmin edilir. Elde edilen değer, birinciyle senkronize hareket eden ve monitör ekranında bir görüntü oluşturan ikinci ışının yoğunluğunu kontrol etmek için kullanılır. Yöntemin çözünürlüğü yaklaşık 10 nm'dir ve hücre içi organellerin incelenmesi için geçerli değildir. Bu yöntemle incelenen numunelerin kalınlığı, elektronların nüfuz etme kabiliyeti veya enerjileri ile belirlenir.

Tüm bu yöntemlerin ana ve önemli dezavantajları numune hazırlamanın süresi, karmaşıklığı ve yüksek maliyetidir.

Taramalı prob mikroskobu

Taramalı prob mikroskobunda (SPM), numunenin yüzeyini taramak için elektron ışını veya optik radyasyon yerine keskin bir prob, yani bir iğne kullanılır. Mecazi anlamda konuşursak, bir numunenin optik veya elektron mikroskobunda incelenmesi durumunda SPM'de hissedildiğini söyleyebiliriz. Sonuç olarak, farklı ortamlardaki nesnelerin üç boyutlu görüntülerini elde etmek mümkündür: vakum, hava, sıvı.

Biyolojik araştırmalar için uyarlanan özel SPM tasarımları, hem çeşitli sıvı ortamlardaki canlı hücrelerin hem de havadaki sabit preparatların eş zamanlı optik gözlemle taranmasına olanak tanır.

Taramalı prob mikroskobu

Taramalı prob mikroskobunun adı, çalışma prensibini yansıtır - bir numunenin yüzeyinin taranması, bu sırada probun yüzey ile etkileşim derecesinin noktadan noktaya okunması gerçekleştirilir. Tarama alanının boyutu ve içindeki noktaların sayısı N X ·N Y belirtilebilir. Ne kadar çok nokta belirtilirse yüzey görüntüsü o kadar yüksek çözünürlükte elde edilir. Sinyal okuma noktaları arasındaki mesafeye tarama aralığı denir. Tarama adımı, incelenen yüzey detaylarından daha küçük olmalıdır. Prob, tarama işlemi sırasında (bkz. Şekil 7-1) ileri ve geri yönlerde (hızlı tarama yönünde) doğrusal olarak hareket eder, bir sonraki satıra geçiş dikey yönde (yavaş tarama yönünde) gerçekleştirilir. .

Pirinç. 7 1. Tarama sürecinin şematik gösterimi
(sinyal tarayıcının ileri hareketi sırasında okunur)

Okunan sinyalin doğasına bağlı olarak tarama mikroskoplarının farklı adları ve amaçları vardır:

atomik kuvvet mikroskobu (AFM), prob atomları ve örnek atomlar arasındaki atomlar arası etkileşimin kuvvetleri okunur;

tünel mikroskobu (STM), iletken numune ile iletken prob arasında akan tünel akımını okur;

manyetik kuvvet mikroskobu (MFM), manyetik malzeme ile kaplanmış bir prob ile manyetik özellikleri tespit eden bir numune arasındaki etkileşim kuvvetleri okunur;

Elektrostatik kuvvet mikroskobu (ESM), bir numunenin yüzeyindeki elektrik potansiyelinin dağılımının bir resmini elde etmeyi sağlar. Ucu ince iletken bir filmle (altın veya platin) kaplanmış problar kullanılır.

SPM tasarımı

SPM aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur (Şekil 7-2): bir prob, probu incelenen numunenin yüzeyi üzerinde X, Y, Z'de hareket ettiren piezoelektrik aktüatörler, bir geri besleme devresi ve taramayı kontrol etmek için bir bilgisayar. süreç ve görüntü elde etme.

Şekil 7 2. Taramalı prob mikroskobunun diyagramı

Prob sensörü – numuneyi tarayan kuvvet probu mikroskobunun bir bileşeni. Prob sensörü, sonunda sivri bir prob bulunan (Şekil 7-3) dikdörtgen (I şeklinde) veya üçgen (V şeklinde) tipte (Şekil 7-3) bir konsol (yay konsolu) içerir. genellikle konik veya piramidal bir şekle sahiptir. Konsolun diğer ucu alt tabakaya (sözde çip ile) bağlanır. Prob sensörleri silikon veya silikon nitrürden yapılmıştır. Konsolun temel özelliği kuvvet sabitidir (sertlik sabiti), 0,01 N/m ile 1020 N/m arasında değişir. Biyolojik nesneleri incelemek için sertliği 0,01  0,06 N/m olan "yumuşak" problar kullanılır.

Pirinç. 7 3. Piramidal AFM prob sensörlerinin görüntüleri
elektron mikroskobu kullanılarak elde edilen:
a – I şeklinde tip, b – V şeklinde tip, c – konsolun ucundaki piramit

Piezoelektrik aktüatörler veya tarayıcılar - sondanın numune üzerinde veya numunenin kendisi üzerinde son derece kısa mesafelerde proba göre kontrollü hareketi için. Piezoelektrik aktüatörler, üzerlerine elektrik voltajı uygulandığında boyut değiştiren piezoseramik malzemeler kullanır. Bir elektrik alanının etkisi altında geometrik parametreleri değiştirme sürecine ters piezoelektrik etki denir. En yaygın piezomalzeme kurşun zirkonat titanattır.

Tarayıcı, üç koordinat boyunca hareket sağlayan piezoseramik bir yapıdır: x, y (numunenin yanal düzleminde) ve z (dikey). Çeşitli tarayıcı türleri vardır; en yaygın olanları tripod ve tüp tarayıcılardır (Şekil 7-4).

Pirinç. 7 4. Tarayıcı tasarımları: a) – tripod, b) – boru şeklinde

Bir tripod tarayıcıda, üç koordinat boyunca hareketler, ortogonal bir yapı oluşturan üç bağımsız piezoseramik çubuk tarafından sağlanır.

Boru şeklindeki bir tarayıcıda içi boş bir piezoelektrik tüp, tüpün hareketlerini kontrol eden elektrotlara uygun voltajlar uygulandığında XZ ve ZY düzlemlerinde bükülür ve Z ekseni boyunca genişler veya daralır. XY düzlemindeki hareketi kontrol etmek için elektrotlar tüpün dış yüzeyinde bulunur; Z'deki hareketi kontrol etmek için X ve Y elektrotlarına eşit voltajlar uygulanır.

Geri bildirim devresi – tarama sırasında probun numunenin yüzeyinden sabit bir mesafede tutulduğu bir dizi SPM elemanı (Şekil 7-5). Tarama işlemi sırasında prob, numune yüzeyinin farklı topografyaya sahip alanlarına yerleştirilebilir, bu durumda prob-numune mesafesi Z değişecek ve uç-numune etkileşiminin büyüklüğü buna göre değişecektir.

Pirinç. 7 5. Tarama probu mikroskobu geri besleme devresi

Prob yüzeye yaklaştıkça prob-numune etkileşim kuvvetleri artar ve kayıt cihazından gelen sinyal de artar. V(T), Hangi gerilim birimleriyle ifade edilir. Karşılaştırıcı sinyali karşılaştırır V(T) referans gerilimi ile V destek ve bir düzeltme sinyali üretir V muhabir. Düzeltme sinyali V muhabir tarayıcıya beslenir ve prob numuneden geri çekilir. Referans voltajı, prob numuneden belirli bir mesafede olduğunda kayıt cihazından gelen sinyale karşılık gelen voltajdır. Geri besleme sistemi, tarama sırasında bu belirlenen prob-numune mesafesini koruyarak, belirtilen prob-numune etkileşim kuvvetini korur.

Pirinç. 7 6. Geri bildirim sistemi tarafından sabit bir uç-numune etkileşim kuvvetinin sürdürülmesi işlemi sırasında probun göreceli hareketinin yörüngesi

Şek. Şekil 7-6, sabit bir sonda-numune etkileşim kuvvetini korurken, sondanın örneğe göre yörüngesini gösterir. Prob çukurun üzerindeyse tarayıcıya bir voltaj uygulanır, bu da tarayıcının uzamasına ve probu alçaltmasına neden olur.

Geri besleme devresinin prob-numune mesafesindeki bir değişikliğe (sonda-numune etkileşimi) tepki verme hızı, geri besleme devresinin sabiti tarafından belirlenir. k. Değerler k belirli bir SPM'nin tasarım özelliklerine (tarayıcının tasarımı ve özellikleri, elektronik), SPM'nin çalışma moduna (tarama alanının boyutu, tarama hızı vb.) ve ayrıca incelenen yüzeyin özelliklerine bağlıdır (kabartma özelliklerinin ölçeği, malzeme sertliği vb.).

SPM Türleri

Taramalı tünelleme mikroskobu

STM'de kayıt cihazı (Şekil 7-7), numunenin yüzeyindeki potansiyele ve yüzeyinin topografyasına bağlı olarak değişen, metal sonda arasında akan tünelleme akımını ölçer. Prob, ucunun yarıçapı birkaç nanometreye ulaşabilen, keskin bir şekilde bilenmiş bir iğnedir. Prob malzemesi olarak genellikle yüksek sertliğe ve kimyasal dirence sahip metaller kullanılır: tungsten veya platin.

Pirinç. 7 7. Tünel prob sensörünün şeması

İletken prob ile iletken numune arasına bir voltaj uygulanır. Probun ucu numuneden yaklaşık 10A uzakta olduğunda, voltajın işaretine bağlı olarak numunedeki elektronlar boşluktan probun içine doğru veya tam tersi şekilde tünel açmaya başlar (Şekil 7 - 8).

Pirinç. 7 8. Prob ucunun numune ile etkileşiminin şematik gösterimi

Ortaya çıkan tünel akımı bir kayıt cihazı tarafından ölçülür. Boyutu BEN T tünel kontağına uygulanan voltajla orantılı V ve iğne ile numune arasındaki mesafeye üstel olarak bağlıdır D.

Böylece probun ucundan numuneye kadar olan mesafede küçük değişiklikler olur. D tünel akımındaki katlanarak artan büyük değişikliklere karşılık gelir BEN T(voltaj varsayılarak V sabit tutulur). Bu nedenle tünel prob sensörünün hassasiyeti, 0,1 nm'den daha düşük yükseklik değişikliklerini tespit etmek ve dolayısıyla bir katının yüzeyindeki atomların görüntüsünü elde etmek için yeterlidir.

Atomik kuvvet mikroskobu

Atomik kuvvet etkileşiminin en yaygın prob sensörü, ucunda bir prob bulunan bir yaylı konsoldur (İngiliz konsol konsolundan). Numune ile prob arasındaki kuvvet etkileşiminden kaynaklanan konsol bükülme miktarı (Şekil 7-9), bir optik kayıt devresi kullanılarak ölçülür.

Kuvvet sensörünün çalışma prensibi, prob atomları ile numune atomları arasında etki eden atomik kuvvetlerin kullanımına dayanmaktadır. Prob-numune kuvveti değiştiğinde konsol bükülme miktarı değişir ve bu değişiklik optik kayıt sistemi tarafından ölçülür. Bu nedenle atomik kuvvet sensörü, yüksek hassasiyete sahip, keskin kenarlı bir probtur ve bireysel atomlar arasındaki etkileşim kuvvetlerinin kaydedilmesini mümkün kılar.

Küçük bükülmeler için prob-numune kuvveti arasındaki ilişki F ve konsol ucunun sapması X Hooke yasası ile belirlenir:

Nerede k – konsolun kuvvet sabiti (sertlik sabiti).

Örneğin, sabiti olan bir konsol kullanılıyorsa k 1 n/m mertebesinde, daha sonra 0,1 nanonewton mertebesinde bir uç-numune etkileşim kuvvetinin etkisi altında, konsol sapmasının büyüklüğü yaklaşık olarak 0,1 nm olacaktır.

Bu tür küçük hareketleri ölçmek için genellikle yarı iletken bir lazer ve dört bölümlü bir fotodiyottan oluşan bir optik yer değiştirme sensörü (Şekil 7-9) kullanılır. Konsol büküldüğünde, ondan yansıyan lazer ışını fotodetektörün merkezine göre hareket eder. Böylece konsolun bükülmesi, fotodetektörün üst (T) ve alt (B) yarısının aydınlatmasındaki göreceli değişiklikle belirlenebilir.

Şekil 7 9. Güç sensörü şeması

Prob-numune etkileşim kuvvetlerinin prob-numune mesafesine bağımlılığı

Prob numuneye yaklaştığında, çekici kuvvetlerin (van der Waals kuvvetleri) varlığından dolayı ilk önce yüzeye çekilir. Prob numuneye daha fazla yaklaştıkça, probun ucundaki atomların elektron kabukları ile numunenin yüzeyindeki atomlar üst üste binmeye başlar ve bu da bir itme kuvvetinin ortaya çıkmasına neden olur. Mesafe azaldıkça itme kuvveti baskın hale gelir.

Genel olarak atomlar arası etkileşimin gücüne bağımlılık F atomlar arasındaki mesafe hakkında Rşu forma sahiptir:

Sabitler A Ve B ve üsler M Ve N atomların türüne ve kimyasal bağların türüne bağlıdır. Van der Waals kuvvetleri için M=7 ve n=3. Niteliksel olarak, F(R) bağımlılığı Şekil 2'de gösterilmektedir. 7-10.

Pirinç. 7 10. Atomlar arasındaki etkileşim kuvvetinin mesafeye bağlılığı

SPM veri formatı, SPM verilerinin görselleştirilmesi

Optik mikroskopla inceleme sırasında elde edilen yüzey morfolojisine ilişkin veriler, yüzey alanının büyütülmüş görüntüsü şeklinde sunulur. SPM kullanılarak elde edilen bilgiler iki boyutlu bir A ij tamsayı dizisi biçiminde yazılır. Her değer ij tarama alanı içindeki belirli bir yüzey noktasına karşılık gelir. Bu sayı dizisinin grafiksel temsiline SPM taranmış görüntüsü denir.

Taranan görüntüler iki boyutlu (2D) veya üç boyutlu (3D) olabilir. 2D görselleştirme ile her yüzey noktası Z= F(x,y) yüzey noktasının yüksekliğine göre belirli bir renk tonu atanır (Şekil 7-11 a). 3 boyutlu görselleştirmede yüzey görüntüsü Z= F(x,y), belirli bir şekilde hesaplanmış pikseller veya kabartma çizgileri kullanılarak aksonometrik bir perspektifte oluşturulur. 3 boyutlu görüntüleri renklendirmenin en etkili yolu, yüzeyin üzerindeki uzayda bir noktaya yerleştirilen bir nokta kaynağıyla yüzey aydınlatma koşullarını simüle etmektir (Şekil 7 -11 b). Aynı zamanda rölyefin bireysel küçük özelliklerini vurgulamak da mümkündür.

Pirinç. 7 11. İnsan kanı lenfositleri:
a) 2 boyutlu görüntü, b) Yan aydınlatmalı 3 boyutlu görüntü

SPM incelemesi için numunelerin hazırlanması

Bakteri hücrelerinin morfolojisi ve yapısı

Bakteriler, fonksiyonel aktivitelerinin çeşitliliğini belirleyen, farklı şekil ve karmaşık yapıya sahip tek hücreli mikroorganizmalardır. Bakteriler dört ana şekil ile karakterize edilir: küresel (küresel), silindirik (çubuk şeklinde), kıvrımlı ve ipliksi [Ref. 7-2].

Kok (küresel bakteriler) - bölünme düzlemine ve bireysel bireylerin konumuna bağlı olarak, mikrokoklara (ayrı koklar), diplokoklara (eşleştirilmiş koklar), streptokoklara (kok zincirleri), stafilokoklara (üzüm şeklinde), tetrakoklara ayrılırlar ( dört kok oluşumu) ve sarcina (8 veya 16 kokçuklu paketler).

Çubuk şeklinde – bakteriler tek hücreli, diplo- veya streptobakteri şeklinde bulunur.

Bükülmüş – vibriolar, spirillalar ve spiroketler. Vibriolar hafif kavisli çubuklar görünümündedir, spirilla ise birkaç spiral kıvrımlı kıvrımlı bir şekle sahiptir.

Bakterilerin boyutları 0,1 ile 10 mikron arasında değişmektedir. Bir bakteri hücresinin bileşimi bir kapsül, hücre duvarı, sitoplazmik membran ve sitoplazmayı içerir. Sitoplazmada nükleotidler, ribozomlar ve inklüzyonlar bulunur. Bazı bakteriler flagella ve villuslarla donatılmıştır. Bir dizi bakteri spor oluşturur. Hücrenin başlangıçtaki enine boyutunu aşan sporlar, ona iğ şeklinde bir şekil verir.

Bakterilerin morfolojisini optik bir mikroskopta incelemek için onlardan doğal (intravital) preparatlar veya anilin boyası ile lekelenmiş sabit smearlar hazırlanır. Flagella'yı, hücre duvarlarını, nükleotidleri ve çeşitli sitoplazmik kalıntıları tanımlamak için özel boyama yöntemleri vardır.

Bakteri hücrelerinin morfolojisinin SPM incelemesi preparatın boyanmasını gerektirmez. SPM, bakterilerin şeklinin ve boyutunun yüksek çözünürlükle belirlenmesine olanak tanır. İlacın dikkatli bir şekilde hazırlanması ve küçük bir eğrilik yarıçapına sahip bir probun kullanılmasıyla flagellayı tanımlamak mümkündür. Aynı zamanda bakteri hücre duvarının büyük sertliği nedeniyle, bazı hayvan hücrelerinde yapılabileceği gibi hücre içi yapıları "araştırmak" imkansızdır.

Morfolojinin SPM çalışması için hazırlıkların hazırlanması

SPM ile ilk çalışma deneyimi için, karmaşık hazırlık gerektirmeyen bir biyolojik preparatın seçilmesi tavsiye edilir. Lahana turşusu salamura veya fermente süt ürünlerinden kolayca erişilebilen ve patojen olmayan laktik asit bakterileri oldukça uygundur.

Havada SPM araştırması için, incelenen nesnenin alt tabakanın yüzeyine, örneğin bir kapak camına sıkıca sabitlenmesi gerekir. Ek olarak, süspansiyondaki bakteri yoğunluğu, hücrelerin alt tabakaya bırakıldığında birbirine yapışmayacağı şekilde olmalı ve aralarındaki mesafe çok büyük olmamalıdır, böylece tarama sırasında birkaç nesneyi tek bir karede almak mümkün olacaktır. . Numune hazırlama modu doğru seçilirse bu koşullar karşılanır. Bir alt tabakaya bakteri içeren bir çözeltiden bir damla uygularsanız, bunların kademeli olarak birikmesi ve yapışması meydana gelecektir. Ana parametreler çözeltideki hücrelerin konsantrasyonu ve sedimantasyon süresi olarak dikkate alınmalıdır. Süspansiyondaki bakteri konsantrasyonu optik bulanıklık standardı kullanılarak belirlenir.

Bizim durumumuzda yalnızca bir parametre rol oynayacaktır; kuluçka süresi. Damla camın üzerinde ne kadar uzun süre kalırsa bakteri hücrelerinin yoğunluğu o kadar artar. Aynı zamanda, eğer bir damla sıvı kurumaya başlarsa, preparat, çözeltinin çökelmiş bileşenleri tarafından aşırı derecede kirlenmiş olacaktır. Bakteri hücreleri (tuzlu su) içeren bir çözelti damlası bir kapak camına uygulanır ve 5-60 dakika bekletilir (çözeltinin bileşimine bağlı olarak). Daha sonra damlanın kurumasını beklemeden damıtılmış suyla iyice durulayın (preparasyonu cımbızla bir bardağa birkaç kez batırın). Kuruduktan sonra preparat bir SPM kullanılarak ölçüme hazır hale gelir.

Örnek olarak lahana turşusundan laktik asit bakterilerinin preparatlarını hazırladık. Bir damla tuzlu suyun kapak camı üzerinde tutulma süresi 5 dakika, 20 dakika ve 1 saat olarak seçildi (damla zaten kurumaya başlamıştı). SPM çerçeveleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 7-12, Şek. 7-13,
Pirinç. 7-14.

Şekillerden bu çözüm için en uygun inkübasyon süresinin 510 dakika olduğu açıktır. Damlanın substrat yüzeyinde tutulma süresinin arttırılması, bakteri hücrelerinin yapışmasına yol açar. Solüsyonun bir damlası kurumaya başladığında, solüsyonun bileşenleri camın üzerinde birikir ve yıkanamaz.

Pirinç. 7 12. Laktik asit bakterilerinin lamel üzerindeki görüntüleri,
SPM kullanılarak elde edilmiştir.

Pirinç. 7 13. Laktik asit bakterilerinin lamel üzerindeki görüntüleri,
SPM kullanılarak elde edilmiştir. Solüsyon inkübasyon süresi 20 dk

Pirinç. 7 14. Laktik asit bakterilerinin lamel üzerindeki görüntüleri,
SPM kullanılarak elde edilmiştir. Solüsyon inkübasyon süresi 1 saat

Seçilen preparatlardan birini kullanarak (Şekil 7-12), laktik asit bakterilerinin ne olduğunu ve bu durumda onlar için hangi formun tipik olduğunu düşünmeye çalıştık. (Şekil 7-15)

Pirinç. 7 15. Laktik asit bakterilerinin lamelli AFM görüntüsü.
Solüsyon inkübasyon süresi 5 dk

Pirinç. 7 16. Laktik asit bakterisi zincirinin laktik cam üzerindeki AFM görüntüsü.
Solüsyon inkübasyon süresi 5 dk

Tuzlu su, bakterilerin çubuk şeklinde olması ve bir zincir halinde düzenlenmesi ile karakterize edilir.

Pirinç. 7 17. Eğitimsel SPM NanoEducator için kontrol programının penceresi.
Araç Çubuğu

Eğitimsel SPM programı NanoEducator'ın araçlarını kullanarak bakteri hücrelerinin boyutlarını belirledik. Yaklaşık 0,5 × 1,6 µm arasında değişiyorlardı
0,8 × 3,5 µm'ye kadar.

Elde edilen sonuçlar Bergey bakteri determinantında verilen verilerle karşılaştırılır [Kaynak. 7-3].

Laktik asit bakterileri laktobasiller (Lactobacillus) olarak sınıflandırılır. Hücreler genellikle düzenli şekilli çubuk görünümündedir. Çubuklar uzun, bazen neredeyse kokoid şeklinde, genellikle kısa zincirler halindedir. Boyutlar 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikron. Bir anlaşmazlık oluşturmazlar; Nadir durumlarda peritrişiyal flagella nedeniyle hareketlidirler. Çevrede yaygın olarak dağılır, özellikle hayvansal ve bitkisel kaynaklı gıda ürünlerinde yaygındır. Laktik asit bakterileri sindirim sisteminin normal mikroflorasının bir parçasıdır. Lahana turşusunun vitamin içermesinin yanı sıra bağırsak mikroflorasını iyileştirmek için de faydalı olduğunu herkes bilir.

Taramalı prob mikroskobunun tasarımı NanoEğitimci

Şek. 7 -18 ölçüm kafasının görünümünü gösterir SPM NanoEğitimcisi ve çalışma sırasında kullanılan cihazın ana elemanları belirtilmiştir.

Pirinç. 7 18. NanoEducator SPM ölçüm kafasının görünümü
1- taban, 2- numune tutucu, 3- etkileşim sensörü, 4- sensör sabitleme vidası,
Manuel giriş için 5 vida, tarayıcıyı numune yatay düzlemde hareket ettirecek 6 vida, video kameralı 7 koruyucu kapak

Şek. Şekil 7 -19 ölçüm kafasının tasarımını göstermektedir. Tabanda (1) bir numune tutucuya (7) sahip bir tarayıcı (8) ve bir step motora dayalı olarak numuneyi sondaya (2) beslemek için bir mekanizma bulunmaktadır. Eğitimde SPM NanoEğitimcisi numune tarayıcıya bağlanır ve numune sabit bir sondaya göre taranır. Kuvvet etkileşim sensörüne (4) monte edilen sonda (6), manuel besleme vidası (3) kullanılarak numuneye de getirilebilir. Numune üzerindeki çalışma konumunun ön seçimi, vida (9) kullanılarak gerçekleştirilir.

Pirinç. 7 19. SPM NanoEducator'ın Tasarımı: 1 – taban, 2 – besleme mekanizması,
3 – manuel besleme vidası, 4 – etkileşim sensörü, 5 – sensör sabitleme vidası, 6 – prob,
7 – numune tutucu, 8 – tarayıcı, 9, 10 – tarayıcıyı numuneyle birlikte hareket ettirmek için vidalar

Eğitim SPM NanoEğitimcisi bir ölçüm başlığı, bir SPM kontrolörü ve kablolarla birbirine bağlanan bir kontrol bilgisayarından oluşur. Mikroskop bir video kamera ile donatılmıştır. Etkileşim sensöründen gelen sinyal, ön amplifikatörde dönüştürüldükten sonra SPM kontrol cihazına girer. İş yönetimi SPM NanoEğitimcisi SPM denetleyicisi aracılığıyla bilgisayardan gerçekleştirilir.

Kuvvet etkileşimi sensörü ve probu

Cihazda NanoEğitimci sensör, uzunluğa sahip bir piezoseramik tüp şeklinde yapılır ben=7 mm, çap D=1,2 mm ve et kalınlığı H=0,25 mm, bir ucundan sağlam şekilde sabitlenmiştir. Borunun iç yüzeyine iletken bir elektrot uygulanır. Borunun dış yüzeyine iki adet elektriksel olarak yalıtılmış yarı silindirik elektrot uygulanır. Çapı tungsten olan bir tel
100 µm (Şekil 7-20).

Pirinç. 7 20. NanoEducator cihazının evrensel sensörünün tasarımı

Prob olarak kullanılan telin serbest ucu elektrokimyasal olarak keskinleştirilmiştir, eğrilik yarıçapı 0,2  0,05 µm'dir. Prob, cihazın topraklanmış gövdesine bağlı olan tüpün iç elektrodu ile elektriksel temasa sahiptir.

Piezoelektrik tüp üzerinde iki harici elektrotun bulunması, piezoelektrik tüpün bir kısmının (Şekil 7-21'e göre üst kısım) kuvvet etkileşim sensörü (mekanik titreşim sensörü) olarak kullanılmasına ve diğer kısmının kullanılmasına olanak tanır. Piezo vibratör olarak. Piezovibratöre, kuvvet sensörünün rezonans frekansına eşit bir frekansa sahip alternatif bir elektrik voltajı verilir. Büyük bir prob-numune mesafesindeki salınımların genliği maksimumdur. Şekil 2'den görülebileceği gibi. Şekil 7-22'de, salınım işlemi sırasında prob, zorlanmış mekanik salınımlarının genliğine eşit bir miktar A o kadar denge konumundan sapar (bu bir mikrometrenin bir kısmıdır), ikincisinde ise alternatif bir elektrik voltajı belirir. Piezotüpün (salınım sensörü) bir kısmı, cihaz tarafından ölçülen ve probun yer değiştirmesiyle orantılıdır.

Prob numunenin yüzeyine yaklaştıkça prob titreşimler sırasında numuneye temas etmeye başlar. Bu, yüzeyden uzakta ölçülen AFC ile karşılaştırıldığında sensör salınımlarının genlik-frekans yanıtında (AFC) sola doğru bir kaymaya yol açar (Şekil 7-22). Piezotüpün zorlayıcı salınımlarının frekansı sabit tutulduğundan ve serbest durumda salınım frekansına  o eşit olduğundan, prob yüzeye yaklaştığında salınımlarının genliği azalır ve A'ya eşit olur. Bu salınım genliği kaydedilir. piezotüpün ikinci kısmından.

Pirinç. 7 21. Piezoelektrik tüpün çalışma prensibi
kuvvet etkileşim sensörü olarak

Pirinç. 7 22. Kuvvet sensörünün salınım frekansının değiştirilmesi
numune yüzeyine yaklaşırken

Tarayıcı

Cihazda kullanılan mikro hareketleri düzenleme yöntemi NanoEğitimci, yüzeyine bir piezoelektrik plakanın yapıştırıldığı, çevre etrafına kenetlenmiş metal bir membranın kullanımına dayanmaktadır (Şekil 7-23 a). Kontrol voltajının etkisi altında piezoelektrik plakanın boyutlarının değiştirilmesi membranın bükülmesine yol açacaktır. Bu tür membranları küpün üç dik kenarına yerleştirerek ve merkezlerini metal iticilerle bağlayarak 3 koordinatlı bir tarayıcı elde edebilirsiniz (Şekil 7 -23 b).

Pirinç. 7 23. NanoEducator cihazının tarayıcısının çalışma prensibi (a) ve tasarımı (b)

Küpün (2) yüzlerine bağlanan her bir piezoelektrik eleman (1), kendisine elektrik voltajı uygulandığında, kendisine bağlı olan iticiyi (3) karşılıklı olarak üç dik doğrultudan birinde - X, Y veya Z - hareket ettirebilir. Şekilde, üç iticinin tümü bir noktada bağlanmıştır 4 Biraz yaklaşık olarak bu noktanın X, Y, Z koordinatları boyunca hareket ettiğini düşünebiliriz. Aynı noktaya bir numune tutucusu (6) içeren bir stand (5) bağlanır. Böylece numune, üç bağımsız voltaj kaynağının etkisi altında üç koordinat boyunca hareket eder. Cihazlarda NanoEğitimci numunenin maksimum hareketi yaklaşık 5070 µm'dir ve bu, maksimum tarama alanını belirler.

Probun numuneye otomatik yaklaşma mekanizması (geri bildirim yakalama)

Tarayıcının Z ekseni boyunca hareket aralığı yaklaşık 10 μm'dir, bu nedenle taramadan önce probu bu mesafeden numuneye yaklaştırmak gerekir. Tedarik mekanizması, diyagramı Şekil 2'de gösterilen bu amaç için tasarlanmıştır. 7-19. Adım motoru (1), kendisine elektrik darbeleri uygulandığında, besleme vidasını (2) döndürür ve çubuğu (3) sonda (4) ile hareket ettirerek tarayıcıya (6) monte edilen numuneye (5) yaklaştırır veya uzaklaştırır. Bir adımın boyutu yaklaşık 2 μm'dir.

Pirinç. 7 24. Probu numunenin yüzeyine getirme mekanizmasının şeması

Yaklaşma mekanizmasının eğimi, tarama işlemi sırasında gerekli prob-numune mesafesini önemli ölçüde aştığı için, probun deformasyonunu önlemek amacıyla, yaklaşma, step motor çalışırken ve tarayıcı Z ekseni boyunca hareket ederken gerçekleştirilir. aşağıdaki algoritmaya göre:

1. Geri bildirim sistemi kapatılır ve tarayıcı "geri çekilir", yani numuneyi en düşük uç konuma indirir.

2. Prob yaklaşma mekanizması bir adım atar ve durur.

3. Geri bildirim sistemi açılır ve tarayıcı numuneyi sorunsuz bir şekilde kaldırırken aynı anda uç-numune etkileşiminin varlığını analiz eder.

4. Herhangi bir etkileşim yoksa işlem 1. adımdan itibaren tekrarlanır.

Tarayıcı yukarı çekilirken sıfırdan farklı bir sinyal ortaya çıkarsa, geri bildirim sistemi tarayıcının yukarı doğru hareketini durduracak ve etkileşim miktarını belirli bir seviyede sabitleyecektir. Cihazda prob beslemesinin duracağı ve tarama işleminin gerçekleşeceği kuvvet etkileşiminin büyüklüğü NanoEğitimci parametre ile karakterize edilir Genlik bastırma (GenlikBastırma) :

A=A o . (1- Genlik Bastırma)

SPM görüntüsü alma

Programı çağırdıktan sonra NanoEğitimci Ana program penceresi bilgisayar ekranında belirir (Şekil 7 -20). İş menü öğesinden başlamalıdır Dosya ve onu seç Açık veya Yeni veya araç çubuğundaki karşılık gelen düğmelere (, ).

Takım seçimi Dosya Yeni SPM ölçümlerini gerçekleştirmeye ve komutu seçmeye geçiş anlamına gelir Dosya Açıkönceden alınan verilerin görüntülenmesine ve işlenmesine geçiş anlamına gelir. Program, verileri ölçümlere paralel olarak görüntülemenize ve işlemenize olanak tanır.

Pirinç. 7 25. NanoEducator programının ana penceresi

Komutu yürüttükten sonra Dosya Yeni Ekranda, mevcut ölçümün sonuçlarının varsayılan olarak yazılacağı bir çalışma klasörü seçmenize veya oluşturmanıza olanak tanıyan bir iletişim kutusu görünür. Ölçüm işlemi sırasında alınan tüm veriler sırayla dosyalara kaydedilir. ScanData+i.spm, nerede indeks Ben program başladığında sıfırlanır ve her yeni ölçümle artar. Dosyalar ScanData+i.spmölçümlere başlamadan önce kurulan çalışma klasörüne yerleştirilir. Ölçüm alırken farklı bir çalışma klasörü seçmek mümkündür. Bunu yapmak için düğmeye basmanız gerekir , ana program penceresinin araç çubuğunda bulunur ve menü öğesini seçin Çalışma klasörünü değiştir.

Mevcut ölçümün sonuçlarını kaydetmek için düğmesine basmalısınız. Farklı kaydet Görüntülenen iletişim kutusundaki Tarama Penceresinde bir klasör seçin ve dosya adını ve dosyayı belirtin. ScanData+i.spmÖlçümler yapılırken geçici veri depolama dosyası görevi gören dosya, belirttiğiniz dosya adıyla yeniden adlandırılacaktır. Varsayılan olarak dosya, ölçümlere başlamadan önce atanan çalışma klasörüne kaydedilecektir. Ölçüm sonuçlarını kaydetme işlemini yapmazsanız, programı bir sonraki başlatışınızda sonuçlar geçici dosyalara kaydedilir. ScanData+i.spm, sırayla üzerine yazılacaktır (çalışma klasörü değiştirilmediği sürece). Programı kapatmadan önce ve programı başlattıktan sonra, çalışma klasöründe geçici ölçüm sonuçları dosyalarının varlığına ilişkin bir uyarı verilir. Ölçümlere başlamadan önce çalışma klasörünü değiştirmek, önceki deneyin sonuçlarının silinmeye karşı korunmasını sağlar. Standart ad Verileri Taraçalışma klasörü seçim penceresinde ayarlanarak değiştirilebilir. Düğmeye bastığınızda çalışma klasörü seçme penceresi çağrılır , ana program penceresinin araç çubuğunda bulunur. Ayrıca ölçüm sonuçlarını pencereye kaydedebilirsiniz. Tarayıcıyı tara, gerekli dosyaları tek tek seçip seçilen klasöre kaydediyoruz.

NanoEducator cihazı kullanılarak elde edilen sonuçların, NT MDT Nova programı, Görüntü Analizi ve diğer programlar tarafından içe aktarılabilen ASCII formatına ve Nova formatına (NTMDT) aktarılması mümkündür. Tarama görüntüleri, kesit verileri ve spektroskopi ölçüm sonuçları ASCII formatına aktarılır. Verileri dışa aktarmak için düğmeye tıklayın İhracat ana program penceresinin araç çubuğunda bulunur veya İhracat menü öğesinde Dosya bu pencereyi açın ve uygun dışa aktarma formatını seçin. İşleme ve analize yönelik veriler, önceden başlatılan Görüntü Analizi programına anında gönderilebilir.

Diyalog penceresini kapattıktan sonra ekranda gösterge kontrol paneli belirir.
(Şekil 7-26).

Pirinç. 7 26. Cihaz kontrol paneli

Gösterge kontrol panelinin sol tarafında SPM yapılandırmasını seçmek için düğmeler bulunur:

SSM– tarama kuvveti mikroskobu (SFM)

STM– taramalı tünelleme mikroskobu (STM).

Bir eğitim SPM NanoEducator'da ölçümlerin yapılması aşağıdaki işlemlerin gerçekleştirilmesinden oluşur:

1. Örnek kurulum

DİKKAT! Numuneyi yerleştirmeden önce, probun zarar görmesini önlemek için sensörü ve probu çıkarmak gerekir.

Örneği eklemenin iki yolu vardır:

manyetik bir aşamada (bu durumda numunenin manyetik bir alt tabakaya bağlanması gerekir);

çift taraflı yapışkan bant üzerinde.

DİKKAT! Örneği çift taraflı yapışkan bant üzerine takmak için, tutucuyu standdan sökmeniz (tarayıcıya zarar vermemek için) ve ardından biraz durana kadar tekrar vidalamanız gerekir.

Manyetik sabitleme durumunda numune, numune tutucunun vidaları sökülmeden değiştirilebilir.

2. Prob sensörünün kurulumu

DİKKAT! Numuneyi taktıktan sonra daima sensörü probla birlikte takın.

İstenilen prob sensörünü seçtikten sonra (sensörü tabanın metal kenarlarından tutun) (bkz. Şekil 7 -27), ölçüm başlığının kapağı üzerindeki prob sensörünü 2 sabitleyen vidayı gevşetin, sensörü tutucu soketine yerleştirin durana kadar sabitleme vidasını saat yönünde hafifçe durana kadar vidalayın.

Pirinç. 7 27. Prob sensörünün kurulumu

3. Tarama konumu seçimi

Bir numune üzerinde çalışmak üzere bir alan seçerken, cihazın alt kısmında bulunan iki koordinatlı tablanın hareketli vidalarını kullanın.

4. Probun numuneye ön yaklaşımı

Ön yaklaşma işlemi her ölçüm için zorunlu değildir; bunun gerçekleştirilmesi gerekliliği numune ile probun ucu arasındaki mesafeye bağlıdır. Probun ucu ile numunenin yüzeyi arasındaki mesafe 0,51 mm'yi aşarsa ön yaklaşma işleminin gerçekleştirilmesi tavsiye edilir. Probun numuneye aralarında büyük bir mesafeden otomatik yaklaşması kullanıldığında, yaklaşma süreci çok uzun zaman alacaktır.

Probu indirmek için manuel vidayı kullanın ve prob ile numune yüzeyi arasındaki mesafeyi görsel olarak kontrol edin.

5. Rezonans eğrisinin çizilmesi ve çalışma frekansının ayarlanması

Bu işlem her ölçümün başında gerçekleştirilmelidir ve bu işlem gerçekleştirilinceye kadar ölçümlerin sonraki aşamalarına geçiş engellenir. Ayrıca ölçüm işlemi sırasında bazen bu işlemin tekrarlanmasını gerektiren durumlar ortaya çıkabilir (örneğin temasın kesilmesi).

Rezonans arama penceresi, gösterge kontrol panelindeki düğmeye basılarak çağrılır. Bu işlem, jeneratör tarafından ayarlanan zorlanmış salınımların frekansı değiştiğinde probun salınımlarının genliğinin ölçülmesini içerir. Bunu yapmak için düğmeye basmanız gerekir KOŞMAK(Şekil 7-28).

Pirinç. 7 28. Rezonans arama ve çalışma frekansını ayarlama penceresi:
a) – otomatik mod, b) – manuel mod

Modunda Otomatik Jeneratör frekansı otomatik olarak prob salınımlarının maksimum genliğinin gözlemlendiği frekansa eşit olarak ayarlanır. Belirli bir frekans aralığında (Şekil 7-28a) probun titreşim genliğindeki değişimi gösteren bir grafik, rezonans zirvesinin şeklini gözlemlemenizi sağlar. Rezonans zirvesi yeterince belirgin değilse veya rezonans frekansındaki genlik küçükse ( 1V'den az), daha sonra ölçüm parametrelerini değiştirmek ve rezonans frekansını yeniden belirlemek gerekir.

Mod bunun için tasarlandı Manuel. Pencerede bu modu seçtiğinizde Rezonans frekansının belirlenmesi ek bir panel belirir
(Şekil 7 -28b), aşağıdaki parametreleri ayarlamanıza olanak tanır:

Prob tahrik voltajı, jeneratör tarafından ayarlanır. Bu değerin minimuma (sıfıra kadar) ve 50 mV'den fazla olmayacak şekilde ayarlanması önerilir.

Genlik kazancı ( Genlik Kazanımı). Prob salınım genliği yetersizse (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Genlik Kazanımı.

Rezonans arama işlemini başlatmak için düğmesine basmalısınız. Başlangıç.

Mod Manuel fareyi kullanarak yeşil imleci grafik üzerinde hareket ettirerek seçilen frekansı manuel olarak değiştirmenize ve seçilen frekansın etrafındaki dar bir değer aralığında salınımların genliğindeki değişimin doğasını netleştirmenize olanak tanır (bunun için anahtarı ayarlamanız gerekiyor Manuel mod konumlandırmak Kesinlikle ve düğmeye basın Başlangıç).

6. Etkileşim Yakalama

Etkileşimi yakalamak için, otomatik bir yaklaşma mekanizması kullanılarak uç ve numuneye kontrollü bir yaklaşım gerçekleştirilir. Bu prosedüre ilişkin kontrol penceresi, gösterge kontrol panelindeki düğmeye basılarak çağrılır. SCM ile çalışırken, arama işlemi gerçekleştirilip rezonans frekansı ayarlandıktan sonra bu düğme kullanılabilir hale gelir. Pencere SSM, Tedarik(Şekil 7-29), prob yaklaşımına yönelik kontrollerin yanı sıra prosedürün ilerleyişini analiz etmenize olanak tanıyan parametre göstergelerini içerir.

Pirinç. 7 29. Prob yaklaşma penceresi

pencerede Tedarik Kullanıcı aşağıdaki miktarları gözlemleme olanağına sahiptir:

tarayıcıyı genişleterek ( TarayıcıZ) birlik olarak alınan mümkün olan maksimuma göre Z ekseni boyunca. Tarayıcının göreceli uzama değeri, sol göstergenin, tarayıcının o anda bulunduğu bölgeye karşılık gelen renkle doldurulma seviyesi ile karakterize edilir: yeşil - çalışma bölgesi, mavi - çalışma bölgesinin dışı, kırmızı - çalışma bölgesi tarayıcı numune yüzeyine çok yaklaştı, bu da probun deformasyonuna neden olabilir. İkinci durumda program sesli bir uyarı verir;

prob salınımı genliği birlik olarak alınan kuvvet etkileşiminin yokluğunda salınımlarının genliğine göre. Prob salınımlarının bağıl genliği sağ göstergede bordo dolum seviyesiyle gösterilir. Göstergedeki yatay işaret Prob salınımı genliği tarayıcının durumunun analiz edildiği ve otomatik olarak çalışma konumuna getirildiği seviyeyi belirtir;

adım sayısı ( ŞEvet), belirli bir yönde geçti: Yaklaşma - yaklaşma, Geri çekilme - uzaklaşma.

Prob indirme işlemine başlamadan önce şunları yapmalısınız:

Yaklaşma parametrelerinin doğru ayarlandığını kontrol edin:

Geri bildirim kazancı İşletim sistemi güçlendirmesi değere ayarla 3 ,

Parametrenin olduğundan emin olun Bastırmagenlik (Güç) büyüklüğü yaklaşık 0,2'dir (bkz. Şekil 7-29). Aksi takdirde düğmeye basın Kuvvet ve pencerede Etkileşim parametrelerinin ayarlanması(Şek. 7 -30) ayar değeri Bastırmagenlikler eşit 0.2. Daha hassas bir giriş için parametre değeri Bastırmagenlikler belki daha az .

Parametreler penceresinde ayarların doğru olup olmadığını kontrol edin Seçenekler, sayfa Yaklaşım parametreleri.

Etkileşimin olup olmadığı soldaki gösterge ile belirlenebilir TarayıcıZ. Tarayıcının tam uzantısı (tüm gösterge TarayıcıZ mavi boyalı) ve tamamen bordo boyalı bir gösterge Prob salınımı genliği(Şekil 7-29) etkileşim olmadığını gösterir. Rezonans arandıktan ve çalışma frekansı ayarlandıktan sonra probun serbest salınımlarının genliği birlik olarak alınır.

Tarayıcı yaklaşmadan önce veya yaklaşma sırasında tamamen açılmamışsa veya program şu mesajı gösteriyorsa: 'Hata! Prob numuneye çok yakın. Bağlantı parametrelerini veya fiziksel montajı kontrol edin. Güvenli bir yere gitmek istiyorsanız" yaklaşma prosedürünü duraklatmanız ve:

A. parametrelerden birini değiştirin:

etkileşimin büyüklüğünü arttırmak, parametre Bastırmagenlikler, veya

değeri artır İşletim sistemi güçlendirmesi, veya

yaklaşma adımları arasındaki gecikme süresini artırın (parametre Entegrasyon süresi sayfada Yaklaşım parametreleri pencereler Seçenekler).

B. Probun ucu ile numune arasındaki mesafeyi artırın (Bunu yapmak için paragrafta anlatılan adımları takip edin ve işlemi gerçekleştirin) Rezonans ardından prosedüre geri dönün Tedarik.

Pirinç. 7 30. Prob ile numune arasındaki etkileşim miktarının ayarlandığı pencere

Bir etkileşimi yakaladıktan sonra “ Tedarik tamamlandı”.

Bir adım yaklaşmanız gerekiyorsa düğmeye basın. Bu durumda önce adım yürütülür ve ardından etkileşim yakalama kriterleri kontrol edilir. Hareketi durdurmak için düğmeye basın. Geri çekme işlemini gerçekleştirmek için hızlı geri çekme düğmesine basmanız gerekir

veya yavaş geri çekilme için düğmeye basın. Bir adım geri çekilmeniz gerekiyorsa düğmeye basın. Bu durumda önce adım yürütülür ve ardından etkileşim yakalama kriterleri kontrol edilir.

7. Tara

Yaklaşma prosedürünü tamamladıktan sonra ( Tedarik) ve etkileşimi yakalayın, tarama kullanılabilir hale gelir (gösterge kontrol paneli penceresindeki düğme).

Bu düğmeye tıklayarak (tarama penceresi Şekil 7-31'de gösterilmektedir), kullanıcı doğrudan ölçüm almaya ve ölçüm sonuçlarını elde etmeye devam eder.

Tarama işlemini gerçekleştirmeden önce tarama parametrelerini ayarlamanız gerekir. Bu seçenekler pencerenin üst panelinin sağ tarafında gruplandırılmıştır. Tarama.

Programı başlattıktan sonra ilk kez varsayılan olarak yüklenirler:

Tarama alanı - Bölge (Xnm*enm): 5000*5000 nm;

Puan sayısıeksen ölçümleri- X, Y: NX=100, New York=100;

Tarama yolu - Yön tarama yönünü belirler. Program hızlı tarama ekseninin (X veya Y) yönünü seçmenize olanak sağlar. Programı başlattığınızda kurulur Yön

Tarama parametrelerini ayarladıktan sonra düğmesine basmalısınız. Uygula Girilen parametreleri ve düğmeyi onaylamak için Başlangıç Taramayı başlatmak için.

Pirinç. 7 31. Sürecin kontrol edildiği ve SCM taramasının sonuçlarının görüntülendiği pencere

7.4 Metodolojik talimatlar

NanoEducator tarama probu mikroskobu üzerinde çalışmaya başlamadan önce cihazın kullanım kılavuzunu [Ref. 7-4].

7.5.Güvenlik

Cihaz, 220 V'luk bir voltajla çalışır. NanoEducator taramalı prob mikroskobu, 1000 V'a kadar voltajlara sahip tüketici elektrik tesisatlarının PTE ve PTB'sine uygun olarak çalıştırılır.

7.6.Görev

1. SPM çalışmaları için kendi biyolojik örneklerinizi hazırlayın.

2. NanoEducator cihazının genel tasarımını uygulamalı olarak inceleyin.

3. NanoEducator cihaz kontrol programını tanıyın.

4. İlk SPM görüntüsünü bir öğretmen gözetiminde çekin.

5. Ortaya çıkan görüntüyü işleyin ve analiz edin. Çözümünüz için hangi bakteri türleri tipiktir? Bakteri hücrelerinin şeklini ve boyutunu ne belirler?

6. Bergey Bakteri Belirleyicisini alın ve elde edilen sonuçları orada açıklananlarla karşılaştırın.

7.7.Güvenlik soruları

1. Biyolojik nesneleri incelemek için hangi yöntemler mevcuttur?

2. Taramalı prob mikroskobu nedir? Bunun temelinde hangi prensip yatmaktadır?

3. SPM'nin ana bileşenlerini ve amaçlarını adlandırın.

4. Piezoelektrik etki nedir ve SPM'de nasıl kullanılır? Farklı tarayıcı tasarımlarını açıklayın.

5. NanoEducator'ın genel tasarımını açıklayın.

6. Kuvvet sensörünü ve çalışma prensibini açıklayınız.

7. Probu NanoEducator cihazındaki numuneye getirme mekanizmasını açıklayın. Prob ile numune arasındaki etkileşimin kuvvetini belirleyen parametreleri açıklayın.

8.Tarama prensibini ve geri bildirim sisteminin çalışmasını açıklayınız. Tarama parametrelerini seçme kriterlerini bize anlatın.

7.8.Literatür

Yaktı. 7 1. Paul de Cruy. Mikrop avcıları. Bay Terra. 2001.

Yaktı. 7 2. Mikrobiyolojide uygulamalı derslere yönelik rehber. Düzenleyen: Egorova N.S. M.: Nauka, 1995.

Yaktı. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams. // Bergey bakterisinin tanımlayıcısı. M.:Mir, 1997. T. No. 2. S. 574.

Yaktı. 7 4. Cihaz kullanım kılavuzu NanoEğitimci.. Nijniy Novgorod. Bilim ve eğitim merkezi...

"Biyolojide taramalı prob mikroskobu" dersi için ders notları Ders planı

Soyut

... Taramasondamikroskopi biyolojide" Ders planı: Giriş, SPM'nin tarihçesi. sınırlar uygulamalar... ve nanoyapılar, araştırmabiyolojiknesneler: Nobel ödüllüler... İçinaraştırma spesifik örnek: B taramasondamikroskopiİçin ...

xxiii Rusya Elektron Mikroskobu Konferansının ön programı 1 Haziran Salı sabahı 10 00 – 14 00 Konferansın açılışı açılış konuşması

programı

B.P. Karadzhyan, Yu.L. Ivanova, Yu.F. Ivlev, V.I. Popenko Başvurusonda ve eş odaklı taramamikroskopiİçinaraştırma nanodispers greftler kullanılarak onarım süreçleri...

1. Tüm Rusya Bilimsel Konferansı Fonksiyonel malzemelerin bileşimini ve yapısını incelemek için yöntemler

Belge

ÇOKLU ELEMAN NESNELER STANDARTLAR OLMADAN... Lyakhov N.Z. ARAŞTIRMA NANOKOMPOZİTLER BİYOLOJİK OLARAK AKTİF... Aliev V.Ş. BAŞVURU YÖNTEM PROBMİKROSKOPİLERİÇİNARAŞTIRMA ETKİ... TARAMA KALORİMETRİ VE TERMOSİMÜLE AKIMLAR İÇİNARAŞTIRMA ...

giriiş

1. Tarihsel arka plan

Taramalı prob mikroskobu kurulumu, Şekil 2'de gösterilen çeşitli fonksiyonel bloklardan oluşur. 1. Bu, ilk olarak, probu kontrol etmek için bir piezomanipülatöre, bir tünel akım-voltaj dönüştürücüye ve numuneyi beslemek için bir kademeli motora sahip mikroskobun kendisidir; analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüştürücüler ve yüksek voltaj amplifikatörleri bloğu; step motor kontrol ünitesi; geri besleme sinyalini hesaplayan sinyal işlemcili bir kart; bilgi toplayan ve kullanıcıya arayüz sağlayan bir bilgisayar. Yapısal olarak DAC ve ADC ünitesi, step motor kontrol ünitesiyle aynı muhafazaya monte edilmiştir. Analog Devices'tan sinyal işlemcili (DSP – Dijital Sinyal İşlemcisi) ADSP 2171 içeren bir kart, kişisel bir bilgisayarın ISA genişletme yuvasına takılıdır.

2. Taramalı prob mikroskoplarının çalışma prensipleri

Taramalı prob mikroskoplarında, yüzey mikrorölyefinin ve yerel özelliklerinin incelenmesi, iğne şeklinde özel olarak hazırlanmış problar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu tür probların çalışma kısmı (uç) yaklaşık on nanometrelik boyutlara sahiptir. Prob mikroskoplarında prob ile numune yüzeyi arasındaki karakteristik mesafe 0,1 – 10 nm mertebesindedir. Prob mikroskoplarının çalışması, prob ile yüzey arasındaki çeşitli etkileşim türlerine dayanmaktadır. Bu nedenle, bir tünelleme mikroskobunun çalışması, bir metal iğne ile iletken bir numune arasında akan tünelleme akımı olgusuna dayanmaktadır; Atomik kuvvet, manyetik kuvvet ve elektrik kuvvet mikroskoplarının çalışmasının temelinde çeşitli kuvvet etkileşimleri yatmaktadır. Çeşitli prob mikroskoplarının doğasında bulunan ortak özellikleri ele alalım. Probun yüzeyle etkileşiminin belirli bir P parametresi ile karakterize edilmesine izin verin. P parametresinin prob-numune mesafesine yeterince keskin ve bire bir bağımlılığı varsa, o zaman bu parametre bir prob ile numune arasındaki mesafeyi kontrol eden geri bildirim sistemi (FS). Şek. Şekil 3, SPM geri bildirimini organize etmenin genel ilkesini şematik olarak göstermektedir.

Geri besleme sistemi, P parametresinin değerini, operatör tarafından belirlenen değere eşit olarak sabit tutar. Prob yüzeyi mesafesi değişirse, P parametresi değişir. OS sisteminde, gerekli değere yükseltilen ve IE aktüatör elemanına beslenen ΔP = P - P değeriyle orantılı bir fark sinyali oluşturulur. Aktüatör bu fark sinyalini işler, fark sinyali sıfır olana kadar probu yüzeye yaklaştırır veya uzaklaştırır. Bu şekilde prob-numune mesafesi büyük bir doğrulukla korunabilir. Prob numunenin yüzeyi boyunca hareket ettiğinde, yüzey topografyasına bağlı olarak etkileşim parametresi P değişir. OS sistemi bu değişiklikleri işler, böylece prob X, Y düzleminde hareket ettiğinde aktüatördeki sinyalin yüzey topoğrafyasıyla orantılı olduğu ortaya çıkar. Bir SPM görüntüsü elde etmek için numunenin özel olarak organize edilmiş bir tarama işlemi gerçekleştirilir. Tarama sırasında, prob ilk önce numune üzerinde belirli bir çizgi boyunca hareket eder (hat taraması), bu sırada aktüatör üzerindeki yüzey topografyasıyla orantılı sinyal değeri bilgisayar belleğine kaydedilir. Prob daha sonra başlangıç noktasına döner ve bir sonraki tarama çizgisine (kare tarama) geçer ve işlem tekrar tekrarlanır. Tarama sırasında bu şekilde kaydedilen geri bildirim sinyali bir bilgisayar tarafından işlenir ve ardından bilgisayar grafik araçları kullanılarak yüzey kabartmasının bir SPM görüntüsü oluşturulur. Yüzey topografyasının incelenmesinin yanı sıra, prob mikroskopları çeşitli yüzey özelliklerinin incelenmesini mümkün kılar: mekanik, elektriksel, manyetik, optik ve diğerleri.

3. Prob mikroskoplarının tarama elemanları (tarayıcıları)

3.1 Tarama öğeleri

Prob mikroskoplarını çalıştırmak için, prob-numune çalışma mesafesini kontrol etmek ve probu numune düzleminde yüksek doğrulukla (bir angstromun kesirleri düzeyinde) hareket ettirmek gerekir. Bu sorun, özel manipülatörlerin - tarama elemanlarının (tarayıcıların) yardımıyla çözülür. Prob mikroskoplarının tarama elemanları piezoelektrik özelliklere sahip piezoelektrik malzemelerden yapılmıştır. Piezoelektrikler harici bir elektrik alanında boyutlarını değiştirir. Kristaller için ters piezoelektrik etkinin denklemi şu şekilde yazılır:

burada u gerinim tensörüdür, E elektrik alan bileşenleridir, d piezoelektrik katsayı tensörünün bileşenleridir. Piezoelektrik katsayı tensörünün şekli kristallerin simetri tipine göre belirlenir.

Piezoseramik malzemelerden yapılan dönüştürücüler çeşitli teknik uygulamalarda yaygınlaşmıştır. Piezoseramikler, kristalin ferroelektriklerden tozların sinterlenmesiyle elde edilen polarize bir polikristalin malzemedir. Seramiklerin polarizasyonu şu şekilde gerçekleştirilir. Seramikler Curie sıcaklığının üzerinde ısıtılır (çoğu piezoseramik için bu sıcaklık 30°C'nin altındadır) ve ardından güçlü (yaklaşık 3 kV/cm) bir elektrik alanında yavaşça soğutulur. Soğuduktan sonra piezoseramikler polarizasyona neden olur ve boyutunu değiştirme yeteneği kazanır (polarizasyon vektörünün ve dış elektrik alan vektörünün karşılıklı yönüne bağlı olarak artma veya azalma).

Tübüler piezoelementler taramalı prob mikroskobunda yaygınlaşmıştır (Şekil 4). Nispeten küçük kontrol voltajlarıyla nesnelerin oldukça büyük hareketlerini elde etmeyi mümkün kılarlar. Boru şeklindeki piezoelemanlar, piezoseramik malzemelerden yapılmış içi boş ince duvarlı silindirlerdir. Tipik olarak ince metal tabakalar formundaki elektrotlar tüpün dış ve iç yüzeylerine uygulanırken tüpün uçları açıkta kalır.

İç ve dış elektrotlar arasındaki potansiyel farkının etkisi altında tüpün boylamasına boyutları değişir. Bu durumda, radyal bir elektrik alanının etkisi altındaki uzunlamasına deformasyon şu şekilde yazılabilir:

burada l, deforme olmayan bir durumda tüpün uzunluğudur. Piezo tüpünün mutlak uzaması şuna eşittir:

burada h piezotüpün duvar kalınlığıdır, V ise iç ve dış elektrotlar arasındaki potansiyel farktır. Böylece, aynı V voltajında, borunun uzaması daha büyük olacaktır, uzunluğu ne kadar büyükse ve duvarının kalınlığı da o kadar küçük olacaktır.

Üç tüpün tek bir üniteye bağlanması, mikroskop probunun hassas hareketlerini karşılıklı olarak üç dik yönde düzenlemenize olanak tanır. Bu tarama elemanına tripod denir.

Böyle bir tarayıcının dezavantajları, üretimin karmaşıklığı ve tasarımın güçlü asimetrisidir. Bugün, tek bir boru şekilli elemana dayanan tarayıcılar, taramalı prob mikroskobunda en yaygın şekilde kullanılmaktadır. Boru şeklindeki tarayıcının genel görünümü ve elektrotların düzeni Şekil 1'de gösterilmektedir. 5. Tüp malzemesi polarizasyon vektörünün radyal yönüne sahiptir.

İç elektrot genellikle katıdır. Tarayıcının harici elektrodu silindir boyunca dört bölüme ayrılmıştır. Dış elektrotun zıt bölümlerine (iç tarafa göre) antifaz voltajları uygulandığında, tüpün bölümü, alanın yönünün polarizasyon yönüyle çakıştığı yerde daralır ve zıt yönde yönlendirildikleri yerde uzar. yönler. Bu, tüpün uygun yönde bükülmesine neden olur. Bu şekilde tarama X, Y düzleminde gerçekleştirilir. İç elektrotun potansiyelinin tüm dış bölümlere göre değiştirilmesi, tüpün Z ekseni boyunca uzamasına veya kısalmasına yol açar. Böylece üçlü bir düzenleme mümkün olur. Tek bir piezo tüpe dayalı koordinat tarayıcı. Gerçek tarama elemanları genellikle daha karmaşık bir tasarıma sahiptir ancak çalışma prensipleri aynı kalır.

Bimorf piezoelementlere dayanan tarayıcılar da yaygınlaştı. Bimorf, her birindeki polarizasyon vektörleri zıt yönlere yönlendirilecek şekilde birbirine yapıştırılmış iki piezoelektrik plakadan oluşur (Şekil 6). Şekil 2'de gösterildiği gibi bimorf elektrotlara voltaj uygulanırsa. 6, daha sonra plakalardan biri genişleyecek ve diğeri daralacak, bu da tüm elemanın bükülmesine yol açacaktır. Bimorf elemanların gerçek tasarımlarında, iç ortak ve dış elektrotlar arasında potansiyel bir fark yaratılır, böylece bir elemanda alan polarizasyon vektörünün yönü ile çakışır, diğerinde ise ters yönde yönlendirilir.

Bir bimorfun elektrik alanlarının etkisi altında bükülmesi, bimorf piezo tarayıcıların çalışmasının temelini oluşturur. Üç bimorf elemanı tek bir tasarımda birleştirerek, bimorf elemanların üzerine bir tripod uygulamak mümkündür.

Bimorf elemanın dış elektrotları dört sektöre ayrılırsa, probun hareketini Z ekseni boyunca ve X, Y düzleminde bir bimorf elemanı üzerinde düzenlemek mümkündür (Şekil 7).

Aslında, harici elektrotların karşıt bölüm çiftlerine antifaz voltajları uygulayarak, bimorfu, probun X, Y düzleminde hareket edeceği şekilde bükmek mümkündür (Şekil 7 (a, b)). Ve iç elektrotun potansiyelini dış elektrotların tüm bölümlerine göre değiştirerek, probu Z yönünde hareket ettirerek bimorfu bükmek mümkündür (Şekil 7 (c, d)).

3.2 Piezoseramiklerin doğrusal olmayışı

Kristallere göre bir takım teknolojik avantajlara rağmen piezoseramiklerin tarama elemanlarının çalışmasını olumsuz yönde etkileyen bazı dezavantajları vardır. Bu dezavantajlardan biri piezoelektrik özelliklerin doğrusal olmamasıdır. Şek. Örnek olarak Şekil 8, piezoelektrik tüpün Z yönündeki yer değiştirmesinin büyüklüğünün uygulanan alanın büyüklüğüne bağımlılığını göstermektedir. Genel durumda (özellikle büyük kontrol alanlarında), piezoseramikler deformasyonların alana (veya kontrol voltajına) doğrusal olmayan bağımlılığı ile karakterize edilir.

Dolayısıyla piezoseramiklerin deformasyonu dış elektrik alanının karmaşık bir fonksiyonudur:

Küçük kontrol alanları için bu bağımlılık aşağıdaki biçimde sunulabilir:

u= d* E+ α* E*E+…

burada d ve α piezoelektrik etkinin doğrusal ve ikinci dereceden modülleridir.

Doğrusal olmayan etkilerin görülmeye başladığı tipik alan değerleri E, 100 V/mm düzeyindedir. Bu nedenle tarama elemanlarının doğru çalışması için seramiğin doğrusallık bölgesindeki kontrol alanları (E< Е) .

tarama probu elektron mikroskobu

3.3 Piezoseramiklerin sürünmesi ve piezoseramiklerin histerezisi

Piezoseramiklerin diğer bir dezavantajı, kontrol elektrik alanının değerindeki bir değişikliğe gecikmiş bir tepki olan sözde sürünmedir (sürünme).

Sürünme, SPM görüntülerinde gözlemlenen bu etkiyle ilişkili geometrik bozulmalara neden olur. Sürünme, tarayıcıları yerel ölçümler yapmak üzere belirli bir noktaya getirirken ve tarama sürecinin ilk aşamalarında özellikle güçlü bir etkiye sahiptir. Seramik kaymanın etkisini azaltmak için bu işlemlerde zaman gecikmeleri kullanılır, bu da tarayıcı gecikmesinin kısmen telafi edilmesini mümkün kılar.

Piezoseramiklerin diğer bir dezavantajı, uzamanın elektrik alanındaki değişim yönüne (histerezis) bağımlılığının belirsizliğidir.

Bu, aynı kontrol voltajlarında piezoseramiklerin hareket yönüne bağlı olarak yörüngenin farklı noktalarında görünmesine yol açar. Piezoseramiklerin histerezisinin neden olduğu SPM görüntülerindeki bozulmaları ortadan kaldırmak için, bağımlılığın yalnızca bir dalındaki numuneler taranırken bilgi kaydedilir.

4. Probun ve numunenin hassas hareketleri için cihazlar

4.1 Mekanik dişli kutuları

Taramalı prob mikroskobundaki önemli teknik sorunlardan biri, mikroskobun çalışma aralığını oluşturmak ve incelenecek yüzey alanını seçmek için probun ve numunenin hassas hareketine ihtiyaç duymasıdır. Bu sorunu çözmek için nesneleri yüksek doğrulukla hareket ettiren çeşitli türde cihazlar kullanılır. Orijinal hareket ettiricinin kaba hareketinin, yeri değiştirilen nesnenin ince hareketine karşılık geldiği çeşitli mekanik dişli kutuları yaygınlaştı. Hareketleri azaltma yöntemleri farklı olabilir. Kolların kol uzunluğundaki fark nedeniyle hareket miktarındaki azalmanın gerçekleştirildiği kaldıraç cihazları yaygın olarak kullanılmaktadır. Kol dişli kutusunun şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 9.

Mekanik kol, katsayılı harekette bir azalma elde etmenizi sağlar

Dolayısıyla, L kolunun l koluna oranı ne kadar büyük olursa, proba ve numuneye yaklaşma süreci o kadar doğru bir şekilde kontrol edilebilir.

Ayrıca mikroskop tasarımlarında, seri bağlı iki elastik elemanın sertlik katsayılarındaki farklılık nedeniyle hareketlerin azaltılmasının sağlandığı mekanik dişli kutuları yaygın olarak kullanılmaktadır (Şekil 10). Yapı sert bir taban, bir yay ve elastik bir kirişten oluşur. Yayın k sertliği ve elastik kiriş K, koşulu sağlayacak şekilde seçilir: k< K .

İndirgeme katsayısı, elastik elemanların sertlik katsayılarının oranına eşittir:

Böylece, ışın sertliğinin yay sertliğine oranı ne kadar büyük olursa, mikroskop çalışma elemanının yer değiştirmesi o kadar doğru bir şekilde kontrol edilebilir.

4.2 Adım motorları

Adım motorları (SEM), elektriksel darbeleri ayrı mekanik hareketlere dönüştüren elektromekanik cihazlardır. Adım motorlarının önemli bir avantajı, rotor konumunun giriş akımı darbelerine açık bir şekilde bağımlı olmasını sağlamaları, böylece rotorun dönme açısının kontrol darbelerinin sayısı ile belirlenmesidir. SHED'de tork, birbirine göre uygun şekilde yönlendirilmiş stator ve rotor kutupları tarafından üretilen manyetik akılarla üretilir.

En basit tasarım sabit mıknatıslı motorlar içindir. Sargıları olan bir stator ve kalıcı mıknatıslar içeren bir rotordan oluşurlar. Şek. Şekil 11, bir step motorun basitleştirilmiş tasarımını göstermektedir.

Alternatif rotor kutupları doğrusal bir şekle sahiptir ve motor eksenine paralel olarak yerleştirilmiştir. Şekilde gösterilen motorda 3 çift rotor kutbu ve 2 çift stator kutbu bulunmaktadır. Motorun her biri statorun iki zıt kutbuna sarılmış 2 bağımsız sargısı vardır. Gösterilen motorun adım boyutu 30 derecedir. Sargılardan birinde akım açıldığında rotor, rotor ve statorun zıt kutuplarının birbirine zıt olduğu bir pozisyon alma eğilimindedir. Sürekli dönüş elde etmek için sargıları dönüşümlü olarak açmanız gerekir.

Uygulamada, daha karmaşık bir tasarıma sahip olan ve rotor devri başına 100 ila 400 adım sağlayan step motorlar kullanılır. Böyle bir motor dişli bir bağlantıyla eşleştirilirse, yaklaşık 0,1 mm'lik bir diş adımıyla yaklaşık 0,25 - 1 mikronluk bir nesne konumlandırma doğruluğu sağlanır. Doğruluğu artırmak için ek mekanik dişli kutuları kullanılır. Elektriksel kontrol olanağı, taramalı prob mikroskoplarının probuna ve numunesine yaklaşmak için SheD'nin otomatik sistemlerde etkili bir şekilde kullanılmasını mümkün kılar.

4.3 Piezo step motorlar

Aletlerin dış titreşimlerden iyi bir şekilde izole edilmesine yönelik gereklilikler ve prob mikroskoplarının vakum koşullarında çalıştırılması ihtiyacı, prob ve numunenin hareket ettirilmesi için tamamen mekanik cihazların kullanımına ciddi kısıtlamalar getirmektedir. Bu bağlamda prob mikroskoplarında nesnelerin hareketinin uzaktan kontrol edilmesini sağlayan piezoelektrik dönüştürücülere dayalı cihazlar yaygınlaşmıştır.

Adımlı atalet piezo motorunun tasarımlarından biri Şekil 2'de gösterilmektedir. 12. Bu cihaz, üzerine piezoelektrik tüpün (2) sabitlendiği bir taban (1) içerir. Borunun dış ve iç yüzeylerinde elektrotlar (3) bulunmaktadır. Borunun ucunda, ayrı yay yaprakları olan bir silindir olan bölünmüş bir yay (4) bulunmaktadır. Yayın içine bir nesne tutucusu (5) monte edilmiştir - cilalı yüzeye sahip oldukça büyük bir silindir. Hareket ettirilen nesne, cihazın uzayda herhangi bir yönde çalışmasına olanak tanıyan bir yay veya rakor somunu kullanılarak tutucuya tutturulabilir.

Cihaz aşağıdaki gibi çalışır. Nesne tutucuyu Z ekseni yönünde hareket ettirmek için piezo tüpünün elektrotlarına testere dişi darbe voltajı uygulanır (Şekil 13).

Testere dişi voltajının düz ön tarafında, tüp, voltajın polaritesine bağlı olarak düzgün bir şekilde uzar veya daralır ve ucu, yay ve nesne tutucuyla birlikte mesafe kadar yer değiştirir:

Testere dişi voltajının serbest bırakıldığı anda tüp, başlangıçta maksimum değere sahip olan a ivmesi ile orijinal konumuna geri döner:

burada ω tüpün boyuna titreşimlerinin rezonans frekansıdır. F koşulu sağlandığında< 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. Prob mikroskoplarının dış etkenlerden korunması

5.1 Titreşim koruması

Cihazları dış titreşimlerden korumak için çeşitli tipte titreşim izolasyon sistemleri kullanılmaktadır. Geleneksel olarak pasif ve aktif olarak ayrılabilirler. Pasif titreşim izolasyon sistemlerinin arkasındaki ana fikir aşağıdaki gibidir. Uyarıcı kuvvetin frekansı ile sistemin doğal rezonans frekansı arasındaki fark arttıkça, mekanik bir sistemin zorlanmış salınımlarının genliği hızla azalır (bir salınım sisteminin tipik bir genlik-frekans tepkisi (AFC), Şekil 14'te gösterilmektedir). ).

Bu nedenle, ω> ω frekanslarına sahip dış etkilerin salınım sistemi üzerinde neredeyse hiçbir gözle görülür etkisi yoktur. Sonuç olarak, bir prob mikroskobunun ölçüm başlığını titreşim yalıtımlı bir platform veya elastik bir süspansiyon üzerine yerleştirirseniz (Şekil 15), o zaman yalnızca titreşim yalıtım sisteminin rezonans frekansına yakın frekanslara sahip dış titreşimler içinden geçecektir. mikroskop gövdesi. SPM kafalarının doğal frekansları 10–100 kHz olduğundan, titreşim izolasyon sisteminin rezonans frekansını oldukça düşük seçerek (yaklaşık 5–10 Hz), cihazı dış titreşimlerden çok etkili bir şekilde koruyabilirsiniz. Doğal rezonans frekanslarındaki titreşimleri azaltmak için titreşim izolasyon sistemlerine viskoz sürtünmeli enerji tüketen elemanlar eklenir.

Bu nedenle etkili koruma sağlamak için titreşim izolasyon sisteminin rezonans frekansının mümkün olduğu kadar düşük olması gerekir. Ancak çok düşük frekansların pratikte gerçekleştirilmesi zordur.

SPM kafalarını korumak için dış titreşimleri bastıran aktif sistemler başarıyla kullanılmaktadır. Bu tür cihazlar, titreşim yalıtımlı platformun uzayda sabit konumunu sağlayan, negatif geri beslemeli elektromekanik sistemlerdir (Şekil 16).

5.2 Akustik gürültü koruması

Prob mikroskoplarının tasarım elemanlarındaki diğer bir titreşim kaynağı da çeşitli nitelikteki akustik gürültüdür.

Akustik girişimin bir özelliği, akustik dalgaların SPM kafalarının yapısal elemanlarını doğrudan etkilemesidir; bu da, incelenen numunenin yüzeyine göre probun salınımlarına yol açar. SPM'yi akustik parazitlerden korumak için, mikroskobun çalışma boşluğu alanındaki akustik parazit seviyesini önemli ölçüde azaltabilen çeşitli koruyucu kapaklar kullanılır. Akustik girişime karşı en etkili koruma, prob mikroskobunun ölçüm başlığını bir vakum odasına yerleştirmektir (Şekil 17).

5.3 Prob konumunun yüzey üzerindeki termal kaymasının stabilizasyonu

SPM'nin önemli sorunlarından biri, incelenen numunenin yüzeyi üzerinde probun konumunu stabilize etme görevidir. Prob pozisyonundaki kararsızlığın ana kaynağı, ortam sıcaklığındaki bir değişiklik veya çalışması sırasında prob mikroskobunun yapısal elemanlarının ısınmasıdır. Bir katının sıcaklığındaki değişiklik termoelastik deformasyonların oluşmasına yol açar. Bu tür deformasyonların prob mikroskoplarının çalışması üzerinde çok önemli bir etkisi vardır. Termal kaymayı azaltmak için SPM ölçüm kafalarının termostatı kullanılır veya kafaların tasarımına termal dengeleme elemanları eklenir. Isıl kompanzasyon fikri şu şekildedir. Herhangi bir SPM tasarımı, farklı termal genleşme katsayılarına sahip bir dizi eleman olarak temsil edilebilir (Şekil 18 (a)).

Termal kaymayı telafi etmek için, SPM ölçüm kafalarının tasarımına farklı genleşme katsayılarına sahip dengeleme elemanları dahil edilir, böylece yapının farklı kollarındaki sıcaklık genleşmelerinin toplamının sıfıra eşit olması koşulu sağlanır:

ΔL = ∑ ΔL= ΔT ∑αl0

Z ekseni boyunca prob konumunun termal kaymasını azaltmanın en basit yolu, SPM tasarımına ana yapısal elemanlarla aynı malzemeden ve aynı karakteristik boyutlara sahip dengeleme elemanları eklemektir (Şekil 18 (b)). Bu tasarımın sıcaklığı değiştiğinde probun Z yönündeki yer değiştirmesi minimum düzeyde olacaktır. Probun konumunu X, Y düzleminde stabilize etmek için mikroskopların ölçüm kafaları eksenel olarak simetrik yapılar şeklinde üretilir.

6. SPM görüntülerinin oluşturulması ve işlenmesi

6.1 Tarama işlemi

Taramalı prob mikroskobunda bir yüzeyin taranması işlemi, bir TV katot ışın tüpünde bir elektron ışınının ekran boyunca hareketine benzer. Prob çizgi (çizgi) boyunca önce ileri yönde, sonra ters yönde (çizgi taraması) hareket eder ve ardından bir sonraki satıra (kare taraması) geçer (Şek. 19). Prob, dijital-analog dönüştürücüler tarafından üretilen testere dişi voltajlarının etkisi altında bir tarayıcı kullanarak küçük adımlarla hareket eder. Yüzey topografyası hakkındaki bilgilerin kaydı, kural olarak doğrudan geçişle gerçekleştirilir.

Bir taramalı prob mikroskobu kullanılarak elde edilen bilgiler, iki boyutlu bir tamsayı dizisi (matris) olan bir SPM çerçevesi biçiminde saklanır. Bu sayıların fiziksel anlamı, tarama işlemi sırasında sayısallaştırılan değere göre belirlenir. Bir çift indeks ij'nin her değeri, tarama alanı içindeki belirli bir yüzey noktasına karşılık gelir. Yüzey noktalarının koordinatları, ilgili endeksin bilginin kaydedildiği noktalar arasındaki mesafeyle çarpılmasıyla hesaplanır.

Kural olarak, SPM çerçeveleri 2 boyutunda kare matrislerdir (çoğunlukla 256x256 ve 512x512 öğe). SPM çerçevelerinin görselleştirilmesi, esas olarak üç boyutlu (3D) ve iki boyutlu parlaklık (2D) görüntüler biçiminde bilgisayar grafikleri kullanılarak gerçekleştirilir. 3 boyutlu görselleştirmede, bir yüzeyin görüntüsü pikseller veya çizgiler kullanılarak aksonometrik bir perspektifte oluşturulur. Buna ek olarak yüzey rölyefinin farklı yüksekliklerine karşılık gelen piksellerin vurgulanması için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. 3 boyutlu görüntüleri renklendirmenin en etkili yolu, yüzeyin üzerindeki uzayda bir noktaya yerleştirilen bir nokta kaynağıyla yüzey aydınlatma koşullarını simüle etmektir (Şekil 20). Aynı zamanda rölyefin küçük ölçekli eşitsizliğini vurgulamak da mümkündür. Ayrıca bilgisayar işleme ve grafikler kullanılarak 3D SPM görüntülerinin ölçeklendirilmesi ve döndürülmesi gerçekleştirilir. 2D görselleştirmede her yüzey noktasına bir renk atanır. En yaygın olarak kullanılanlar, görüntünün yüzeydeki bir noktanın yüksekliğine göre belirli bir rengin tonunda renklendirildiği degrade paletleridir.

Yerel SPM ölçümleri, kural olarak, incelenen miktarların çeşitli parametrelere bağımlılığının kaydedilmesini içerir. Örneğin bunlar, prob-yüzey teması yoluyla elektrik akımının büyüklüğünün uygulanan voltaja bağımlılığı, prob ile yüzey arasındaki kuvvet etkileşiminin çeşitli parametrelerinin prob-numune mesafesine bağımlılığı vb. bilgiler vektör dizileri veya 2 x N matrisler biçiminde saklanır. Bunların görselleştirilmesi için Mikroskop yazılımı, fonksiyon grafiklerini görüntülemek için bir dizi standart araç sağlar.

6.2 Görüntü oluşturma ve işleme yöntemleri

Taramalı prob mikroskobu yöntemlerini kullanarak nesnelerin özelliklerini incelerken, bilimsel araştırmanın ana sonucu, kural olarak, bu nesnelerin yüzeyinin üç boyutlu görüntüleridir. Görüntü yorumlamanın yeterliliği uzmanın niteliğine bağlıdır. Aynı zamanda görüntüleri işlerken ve oluştururken, görüntüleri analiz ederken bilmeniz gereken bir takım geleneksel teknikler kullanılır. Taramalı prob mikroskobu, bilgisayar teknolojisinin yoğun bir şekilde geliştiği bir zamanda ortaya çıktı. Bu nedenle üç boyutlu görüntüleri kaydederken bilgisayarlar için geliştirilen dijital depolama yöntemlerini kullandı. Bu, görüntü analizinde ve işlenmesinde önemli kolaylık sağladı, ancak elektron mikroskobu yöntemlerinin doğasında bulunan fotoğraf kalitesinden fedakarlık etmek gerekiyordu. Prob mikroskobu kullanılarak elde edilen bilgiler bilgisayarda iki boyutlu bir tamsayı matrisi olarak temsil edilir. Bu matristeki her sayı, tarama moduna bağlı olarak bir tünel geçerli değeri, bir sapma değeri veya daha karmaşık bir fonksiyonun değeri olabilir. Bu matrisi bir kişiye gösterirseniz, o zaman incelenen yüzey hakkında tutarlı bir fikir edinemeyecektir. Dolayısıyla ilk sorun, sayıları anlaşılması kolay bir forma dönüştürmektir. Bu şu şekilde yapılır. Orijinal matristeki sayılar belirli bir aralıkta yer alır; minimum ve maksimum değerler vardır. Bu tam sayı aralığına bir renk paleti atanır. Böylece matrisin her değeri dikdörtgen görüntü üzerinde belirli bir renkteki bir noktaya eşlenir. Bu değerin bulunduğu satır ve sütun noktanın koordinatları olur. Sonuç olarak, örneğin yüzeyin yüksekliğinin coğrafi bir haritada olduğu gibi renkle aktarıldığı bir resim elde ediyoruz. Ancak bir haritada genellikle yalnızca düzinelerce renk kullanılır, ancak bizim resmimizde bunlardan yüzlerce, binlercesi vardır. Algılama kolaylığı açısından birbirine yakın yüksekliklerdeki noktalar benzer renklerle oluşturulmalıdır. Başlangıç değerleri aralığının olası renk sayısından daha büyük olduğu ortaya çıkabilir ve kural olarak her zaman olur. Bu durumda bilgi kaybı olur ve insan gözünün yetenekleri sınırlı olduğundan renk sayısını artırmak çözüm olmaz. Ek bilgi işleme gereklidir ve işleme, görevlere bağlı olarak farklı olmalıdır. Bazı insanlar resmin tamamını görmek isterken bazıları ise ayrıntılara bakmak ister. Bunun için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.

6.3 Sabit bir eğimin çıkarılması

Prob mikroskoplarıyla elde edilen yüzey görüntüleri tipik olarak genel bir eğime sahiptir. Bunun birkaç nedeni olabilir. İlk olarak, numunenin proba göre yanlış yerleştirilmesi nedeniyle eğim görünebilir; ikinci olarak, probun numuneye göre yer değiştirmesine yol açan sıcaklık kayması ile ilişkili olabilir; üçüncüsü, piezoscanner hareketlerinin doğrusal olmamasından kaynaklanıyor olabilir. Eğimin görüntülenmesi SPM çerçevesinde büyük miktarda kullanılabilir alan tüketir, böylece görüntünün küçük ayrıntıları görünmez hale gelir. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için sabit eğim çıkarma işlemi yapılır. Bunun için ilk aşamada en küçük kareler yöntemi kullanılarak yaklaşım düzlemi bulunur.

Z = f(x,y) yüzey kabartmasından minimum sapmaya sahip olan P(x,y), bu durumda bu düzlem SPM görüntüsünden çıkarılır. Eğimin niteliğine göre çıkarma işleminin farklı şekillerde yapılması tavsiye edilir.

SPM görüntüsündeki eğim, numunenin prob numunesine göre eğiminden kaynaklanıyorsa, düzlemin, düzlemin normali ile Z ekseni arasındaki açıya karşılık gelen bir açı kadar döndürülmesi tavsiye edilir; bu durumda Z = f(x,y) yüzey koordinatları uzaysal dönme dönüşümlerine uygun olarak dönüştürülür. Ancak bu dönüşümle yüzeyin çok değerli fonksiyonu Z = f(x,y) şeklinde bir görüntü elde etmek mümkündür. Eğim termal kaymadan kaynaklanıyorsa eğimi çıkarma prosedürü, düzlemin Z koordinatlarını SPM görüntüsünün Z koordinatlarından çıkarmaya indirgenir:

Sonuç, daha küçük değer aralığına sahip bir dizidir ve görüntüdeki ince ayrıntılar daha fazla renkte yansıtılarak daha görünür hale gelir.

6.4 Tarayıcı kusurlarından kaynaklanan bozulmaların ortadan kaldırılması

Tarayıcı özelliklerinin kusurlu olması, SPM görüntüsünün bir takım spesifik bozulmalar içermesine neden olur. Tarayıcının ileri ve geri vuruşunun eşitsizliği (histerezis), piezoseramiklerin kayması ve doğrusal olmaması gibi tarayıcının kısmi kusurları, donanım ve en uygun tarama modlarının seçimi ile telafi edilir. Ancak buna rağmen SPM görüntüleri donanım düzeyinde ortadan kaldırılması zor olan bozulmalar içermektedir. Özellikle, tarayıcının numune düzlemindeki hareketi, probun yüzey üzerindeki konumunu etkilediğinden, SPM görüntüleri, gerçek kabartmanın ve ikinci (ve çoğunlukla daha yüksek) düzeydeki bazı yüzeylerin bir üst üste binmesidir.

Bu tür bozulmayı ortadan kaldırmak için, orijinal Z = f(x,y) fonksiyonundan minimum sapmalara sahip olan ikinci dereceden yaklaşık P(x,y) yüzeyini bulmak için en küçük kareler yöntemi kullanılır ve sonra bu yüzey şu şekilde hesaplanır: orijinal SPM görüntüsünden çıkarıldı:

Başka bir bozulma türü, X, Y düzlemindeki tarayıcı hareketlerinin doğrusal olmaması ve dik olmamasıyla ilişkilidir. Bu, yüzeyin SPM görüntüsünün çeşitli kısımlarında geometrik oranların bozulmasına yol açar. Bu tür bozulmaları ortadan kaldırmak için, belirli bir tarayıcı test yapılarını iyi bilinen bir rahatlama ile taradığında oluşturulan bir düzeltme katsayısı dosyası kullanarak SPM görüntülerini düzeltmek için bir prosedür gerçekleştirilir.

6.5 SPM görsellerini filtreleme

Ekipman gürültüsü (esas olarak oldukça hassas giriş amplifikatörlerinin gürültüsü), tarama sırasında prob-numune temasının dengesizliği, harici akustik gürültü ve titreşimler, SPM görüntülerinin, yararlı bilgilerle birlikte bir gürültü bileşenine sahip olmasına yol açar. SPM görüntülerindeki kısmi gürültü yazılım kullanılarak giderilebilir.

6.6 Medyan filtreleme

Medyan filtreleme, SPM çerçevelerindeki yüksek frekanslı rastgele gürültüyü giderirken iyi sonuçlar verir. Bu, özü aşağıdaki gibi açıklanabilecek doğrusal olmayan bir görüntü işleme yöntemidir. Nxn noktalarından oluşan çalışan bir filtre penceresi seçilir (kesinlik sağlamak için 3 x 3, yani 9 nokta içeren bir pencere alalım (Şekil 24)).

Filtreleme işlemi sırasında bu pencere çerçeve üzerinde noktadan noktaya hareket eder ve aşağıdaki prosedür gerçekleştirilir. Bu pencerenin noktalarındaki SPM görüntüsünün genlik değerleri artan şekilde düzenlenir ve sıralanan satırın ortasında yer alan değer, pencerenin orta noktasına girilir. Daha sonra pencere bir sonraki noktaya taşınır ve sıralama işlemi tekrarlanır. Bu nedenle, bu tür bir sıralama sırasındaki güçlü rastgele aykırı değerler ve hatalar her zaman sıralanan dizinin kenarında yer alır ve son (filtrelenmiş) görüntüye dahil edilmez. Bu işlemle çerçevenin kenarlarında filtrelenmemiş alanlar kalır ve bunlar son görüntüde atılır.

6.7 Bir yüzeyi SPM görüntüsünden yeniden oluşturma yöntemleri

Taramalı prob mikroskobunun tüm yöntemlerinde bulunan dezavantajlardan biri, kullanılan probların çalışma kısmının sonlu boyutudur. Bu, probun çalışma kısmının karakteristik boyutlarıyla karşılaştırılabilecek kabartma düzensizliklerine sahip yüzeyleri tararken, mikroskopların uzaysal çözünürlüğünde önemli bir bozulmaya ve SPM görüntülerinde önemli bozulmalara yol açar.

Aslında SPM'de elde edilen görüntü, probun ve incelenen yüzeyin bir "evrişimidir". Prob şeklinin yüzey kabartmasıyla "evrişimi" süreci, Şekil 2'deki tek boyutlu durumda gösterilmektedir. 25.

Bu sorun, SPM görüntülerinin yeniden yapılandırılması için son zamanlarda geliştirilen ve probların spesifik şekli dikkate alınarak SPM verilerinin bilgisayarda işlenmesine dayalı yöntemlerle kısmen çözülebilir. Yüzey restorasyonu için en etkili yöntem, test yapılarının (iyi bilinen bir yüzey topoğrafyasına sahip) taranmasıyla deneysel olarak elde edilen prob şeklini kullanan sayısal ters evrişim yöntemidir.

Numune yüzeyinin tamamen onarılmasının ancak iki koşulun karşılanması durumunda mümkün olabileceğine dikkat edilmelidir: tarama işlemi sırasında prob yüzeyin tüm noktalarına dokundu ve her anda prob yüzeyin yalnızca bir noktasına dokundu. Tarama sırasında prob yüzeyin belirli alanlarına ulaşamazsa (örneğin, numunede kabartmanın sarkan alanları varsa), o zaman kabartmanın yalnızca kısmi restorasyonu gerçekleşir. Ayrıca, tarama sırasında probun temas ettiği yüzeyde ne kadar çok nokta olursa, yüzey o kadar güvenilir bir şekilde yeniden oluşturulabilir.

Uygulamada, SPM görüntüsü ve deneysel olarak belirlenen prob şekli, türevinin zayıf tanımlanmış bir miktar olduğu iki boyutlu ayrık değerler dizileridir. Bu nedenle pratikte SPM görüntülerinin sayısal ters evrişimi sırasında ayrık fonksiyonların türevini hesaplamak yerine, sabit ortalama yükseklikle tarama yaparken prob ile yüzey arasındaki minimum mesafe koşulu kullanılır.

Bu durumda, belirli bir noktadaki yüzey kabartmasının yüksekliği, yüzeye göre sondanın belirli bir konumu için sonda noktası ile karşılık gelen yüzey noktası arasındaki minimum mesafe olarak alınabilir. Fiziksel anlamında bu durum, türevlerin eşitliği koşuluna eşdeğerdir, ancak daha yeterli bir yöntem kullanarak probun yüzeyle temas noktalarını aramanıza olanak tanır, bu da rölyefin yeniden inşası süresini önemli ölçüde azaltır.

Probların çalışma kısmının şeklini kalibre etmek ve belirlemek için bilinen yüzey kabartma parametrelerine sahip özel test yapıları kullanılır. En yaygın test yapılarının türleri ve bunların atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak elde edilen karakteristik görüntüleri Şekil 2'de sunulmaktadır. 26 ve Şek. 27.

Keskin sivri uçlar şeklindeki kalibrasyon ızgarası, probun ucunu doğru bir şekilde tanımlamanıza olanak tanırken, dikdörtgen ızgara, yan yüzeyin şeklini geri kazanmaya yardımcı olur. Bu ızgaraların taranmasının sonuçlarını birleştirerek, probların çalışma kısmının şeklini tamamen eski haline getirmek mümkündür.

7. Modern SPM

1) Taramalı prob mikroskobu SM-300

Gözenek alanının morfolojik özelliklerini ve yapısını incelemek için tasarlanmıştır. SM-300 (Şekil 28), ilgi duyulan bir alanı sonsuza kadar arama ihtiyacını ortadan kaldıran yerleşik bir optik konumlandırma mikroskobuna sahiptir. Numunenin hafif büyütülmüş renkli optik görüntüsü bir bilgisayar monitöründe görüntülenir. Optik görüntüdeki artı işareti elektron ışınının konumuna karşılık gelir. Artı işaretlerini kullanarak tarama analizi için ilgi alanını hızlı bir şekilde tanımlayacak şekilde konumlandırabilirsiniz.

Pirinç. 28. SPM SM-300 elektron mikroskobu. Optik konumlandırma ünitesi, donanımının tarama mikroskobundan bağımsız olmasını sağlayan ayrı bir bilgisayarla donatılmıştır.

KAPASİTELER SM - 300

· 4 nm garantili çözünürlük

· Benzersiz optik konumlandırma mikroskobu (isteğe bağlı)

· Sezgisel Windows® yazılımı

Tamamen bilgisayar kontrollü tarama mikroskobu ve görüntüleme

Dijital sinyal işlemeli standart TV çıkışı

· Düşük vakum sisteminin bilgisayar kontrolü (isteğe bağlı)

· Tüm çalışmalar aplikatör ekseninin aynı konumunda (12 mm) gerçekleştirilir

· Düşük ve yüksek vakum modlarında elementel X-ışını mikroanalizi (isteğe bağlı)

Normal oda aydınlatma koşullarında çalışabilme

· Yalıtkan numunelerin ön hazırlık yapılmadan incelenmesi

Düşük vakum modunda çözünürlük 5,5 nm

· Mod değiştirmenin yazılım kontrolü

Seçilebilir hazne vakum aralığı 1,3 – 260 Pa

· Görüntülerin bilgisayar monitörü ekranında görüntülenmesi

· Seri V-geri saçılımlı Robinson sensörü

2) INCA Energy+Oxford mikroanaliz sistemine sahip Supra50VP yüksek çözünürlüklü taramalı prob mikroskobu.

Cihaz (Şekil 29), nano ve biyoteknolojiler alanında malzeme biliminin tüm alanlarında araştırma yapmak için tasarlanmıştır. Cihaz, büyük numunelerle çalışmanıza olanak tanır ve ayrıca iletken olmayan numunelerin hazırlık gerektirmeden incelenmesi için değişken basınç modunu da destekler. Pirinç. 29.SPM Supra50VP

PARAMETRELER:

Hızlanma voltajı 100 V – 30 kV (alan emisyon katodu)

Maks. x 900000'e artır

Ultra yüksek çözünürlük – 1 nm'ye kadar (20 kV'de)

2'den 133 Pa'ya kadar değişken basınçlı vakum modu

Hızlanma gerilimi – 0,1'den 30 kV'a

Beş serbestlik derecesine sahip motorlu tabla

Ka(Mn) hattında EDX dedektör çözünürlüğü 129 eV, 100.000 sayım/s'ye kadar sayma hızı

3) “GEMINI” sütunlu ve alan emisyonlu LEO SUPRA 25 modernize mikroskop (Şekil 30).

– Nanoanaliz araştırmaları için tasarlandı

– Mikro analiz için hem EDX hem de WDX sistemlerini bağlayabilir

– Çözünürlük 20 kV'de 1,5 nm, 1 kV'de 2 nm.

Çözüm

Geçtiğimiz yıllarda prob mikroskobunun kullanımı fizik, kimya ve biyolojinin çeşitli alanlarında benzersiz bilimsel sonuçlara ulaşmayı mümkün kılmıştır.

İlk taramalı prob mikroskopları nitel araştırma için gösterge cihazlarıysa, modern taramalı prob mikroskobu da 50'ye kadar farklı araştırma tekniğini entegre eden bir cihazdır. Prob-numune sisteminde belirlenen hareketleri %0,1 doğrulukla gerçekleştirebilme, prob form faktörünü hesaplayabilme, oldukça büyük boyutlarda (tarama düzleminde 200 µm'ye kadar ve 15 – 20 µm yüksekliğe kadar) hassas ölçümler yapabilme yeteneğine sahiptir. ) ve aynı zamanda molekül altı çözünürlük sağlar.

Taramalı prob mikroskopları, dünya pazarında bilimsel araştırmalar için en popüler cihaz sınıflarından biri haline geldi. Çeşitli uygulamalar için uzmanlaşmış yeni cihaz tasarımları sürekli olarak oluşturulmaktadır.

Nanoteknolojinin dinamik gelişimi, araştırma teknolojisinin yeteneklerinin giderek daha fazla genişletilmesini gerektirir. Dünyanın dört bir yanındaki yüksek teknoloji şirketleri, Raman spektroskopisi, lüminesans spektroskopisi, element analizi için X-ışını spektroskopisi, yüksek çözünürlüklü optik mikroskopi, elektron mikroskobu gibi tüm analitik yöntem gruplarını birleştiren araştırma ve teknolojik nanokomplekslerin oluşturulması üzerinde çalışıyor. , odaklanmış iyon teknikleri demetleri. Sistemler güçlü entelektüel yetenekler kazanır: görüntüleri tanıma ve sınıflandırma yeteneği, gerekli kontrastları vurgulama yeteneği, sonuçları simüle etme yeteneği ile donatılmıştır ve bilgi işlem gücü, süper bilgisayarların kullanımıyla sağlanır.

Geliştirilmekte olan teknoloji güçlü yeteneklere sahiptir ancak kullanımının nihai amacı bilimsel sonuçlar elde etmektir. Bu teknolojinin yeteneklerine hakim olmak, oldukça karmaşık bir görevdir ve bu cihazları ve sistemleri etkin bir şekilde kullanabilen yüksek nitelikli uzmanların eğitimini gerektirir.

Referanslar

1. Nevolin V.K. Tünel sonda teknolojisinin temelleri / V.K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996, - 91 s.

2. Kulakov Yu.A. Elektron mikroskobu / Yu.A. Kulakov, – M.: Znanie, 1981, – 64 s.

3. Volodin A.P. Taramalı mikroskopi / A.P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 s.

4. Biyopolimerlerin taramalı prob mikroskobu / Düzenleyen: I. V. Yaminsky, - M.: Scientific World, 1997, - 86 s.

5. Mironov V. Taramalı prob mikroskobunun temelleri / V. Mironov, – M.: Tekhnosfer, 2004, – 143 s.

6. Rykov S. A. Yarı iletken malzemelerin taramalı prob mikroskobu / S. A. Rykov, – St. Petersburg: Nauka, 2001, – 53 s.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Bilim ve endüstri için taramalı prob mikroskobu / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronik: bilim, teknoloji, işletme, – 1997, – No. 5, – İle. 7 – 14.