Microscopie (ISS). # 956; # 953; # 954; # 961; # 972; # 962; - mici, mici și mici # 963; # 954; # 959; π # 941; # 969; - a se vedea) - studiul obiectelor cu ajutorul microscopului, observarea și înregistrarea imaginilor mărite ale probei.
Din punct de vedere istoric, există mai multe clase de microscopie:
· Microscopie sonde de scanare;
Ideea unui microscop cu transmisie electronică a constat în înlocuirea radiației electromagnetice de referință cu un fascicul de electroni. Este cunoscut faptul că pentru creșterea rezoluției microscopului, folosind radiația electromagnetică, radiația electromagnetică necesară pentru a reduce lungimea de undă la ultraviolete de până la raze X (lungime de undă este comparabilă cu distanțele interatomice în materialul) și principala dificultate constă în concentrarea ultraviolet și, mai ales, raze X.
Particularitatea interacțiunii dintre raze X și materie distinge sistemele optice cu raze X de sistemele optice pentru fasciculele de lumină și electroni. Micile deviații ale indicelui de refracție al razelor X de la unitate (cu mai puțin de 10-4) fac practic imposibilă utilizarea lentilelor și a prismelor pentru a le focaliza. Lentilele electrice și magnetice în acest scop sunt, de asemenea, inaplicabile, deoarece razele X sunt inerte la câmpurile electrice și magnetice. Prin urmare, în microscopia cu raze X, fenomenul reflexiei lor externe totale prin planurile orizontale înclinate sau reflecția de pe planurile curbate cristalografice este folosit pentru a focaliza razele X. Reflectoare cu microscoape cu raze X sunt construite pe acest principiu.
Gradul de penetrare în microcosmos, studiul său depinde de posibilitatea de a lua în considerare magnitudinea elementului următor, de la rezoluția microscopului. Cel mai adesea, rezoluția unui microscop este înțeleasă ca distanța minimă dintre obiectele distincte.
Atunci când este depășită mărirea, la care este atinsă rezoluția posibilă, granițele detaliilor imaginii se îmbină datorită difracției razelor. Creșterea suplimentară a imaginii eșantionului își pierde semnificația.
În microscopie optică se face în prezent descoperire, în urma căruia a depăși criteriul fundamental Rayleigh constă în faptul că dimensiunea minimă a unui obiect distinge ceva mai mică decât lungimea de undă a luminii și a radiațiilor limitate în mod fundamental de second-hand de difracție. Aceasta a fost limita posibilă în microscopia optică. Până de curând, a fost imposibil de a depăși Barer să se facă distincția între structurile cu distanța dintre elementele de la 0,20 microni.
Cu toate acestea, cel mai recent sistem optic remarcabil de dezvoltare nanoscope cu o rezoluție optică de 10 nm gamă extinsă de -nanoskopii microscopie optică la zeci de nanometri, comparativ cu 0,20 microni până la 20 de ori pentru a reduce distanța dintre elementele distincte. (De exemplu, dimensiunea moleculelor de proteine care alcătuiesc corpul nostru variază de la 3 la 10 nm).
Scanarea microscoapelor sondei
Microscoape de scanare (SPM) - o clasă de microscoape pentru obținerea unei imagini de suprafață și a caracteristicilor sale locale. Procesul de construire a unei imagini se bazează pe scanarea suprafeței printr-o sondă. În general, vă permite să obțineți o imagine tridimensională a suprafeței (topografie) cu rezoluție ridicată. Microscopul sondei de scanare în forma modernă a fost inventat (principiile acestei clase de dispozitive au fost prezentate anterior de alți cercetători) Gerd Karl Binnig și Henry Rohrer în 1981. Pentru această invenție i sa acordat Premiul Nobel pentru Fizică pentru anul 1986, care a fost împărțit între ei și inventatorul microscopului electronic de transmisie E. Ruska. O caracteristică distinctivă a SPM este disponibilitatea:
· Sistemele de deplasare a probei în raport cu proba de pe coordonatele 2 (X-Y) sau 3-m (X-Y-Z)
Sistemul de înregistrare stabilește valoarea funcției, care depinde de distanța probei. De obicei, valoarea înregistrată este procesată de un sistem de feedback negativ care controlează poziția eșantionului sau a sondei de-a lungul uneia dintre coordonate (Z). Ca sistem de feedback, controlerul PID este cel mai des utilizat.
Principalele tipuri de microscoape ale sondei de scanare sunt:
· Scanarea microscopului de tunel;
Microscop optic de câmp;
· Scanarea microscopului cu forță atomică;
În prezent, în majoritatea laboratoarelor de cercetare, sondajul de scanare și microscopia electronică sunt utilizate ca metode complementare de cercetare datorită unui număr de caracteristici fizice și tehnice.
Principiul SPM
Lucrarea microscopului sondei de scanare a suprafeței probei cu sonda (consolă, ac sau sonda optică). Cu o mică distanță între suprafață și sonerie, forțele de interacțiune (repulsie, atracție și alte forțe) și manifestarea diferitelor efecte (de exemplu, tunelul cu electroni) pot fi detectate cu ajutorul dispozitivelor moderne de înregistrare. Pentru înregistrare se folosesc diferite tipuri de senzori, sensibilitatea acestora permițând înregistrarea perturbațiilor mici de mărime mică. Pentru a obține o imagine rastrară completă, utilizați diferite dispozitive de scanare X și Y (de exemplu, tuburi piezo, scanere paralele plane).
Principalele dificultăți tehnice în crearea microscopului sondei de scanare:
· Vârful sondei trebuie să fie de o dimensiune comparabilă cu obiectele studiate.
· Asigurarea stabilității mecanice (inclusiv a temperaturii și vibrațiilor) la un nivel mai bun de 0,1 Angstrom (10-10).
· Detectoarele ar trebui să înregistreze în mod fiabil perturbări mici ale parametrului detectat.
· Crearea unui sistem de scanare de precizie.
· Asigurarea unei abordări netede a sondei la suprafață.
În comparație cu un microscop electronic de scanare (SEM), microscopul sondei de scanare are mai multe avantaje. Deci, spre deosebire de SEM, care dă o imagine pseudo-tridimensională a suprafeței probei, SPM face posibilă obținerea unei reliefări cu adevărat tridimensionale a suprafeței. În plus, în general, microscopul sondei de scanare face posibilă obținerea unei imagini atât a suprafețelor conducătoare cât și a celor neconductoare, în timp ce pentru studiul obiectelor neconductoare prin intermediul SEM este necesară metalizarea suprafeței. Pentru a lucra cu SEM, este necesar un vid, în timp ce majoritatea modurilor SPM sunt concepute pentru cercetarea în aer, vid și lichid. Datorită acestui fapt, cu ajutorul SPM este posibilă studierea materialelor și a obiectelor biologice în condiții normale pentru aceste obiecte. De exemplu, studiul biomacromoleculelor și interacțiunile lor, celulele vii. În principiu, SPM este capabil să ofere o rezoluție mai mare decât SEM. Astfel, sa demonstrat că SPM este capabil să asigure o rezoluție atomică reală în condiții de vid ultrahigh în absența vibrațiilor. Rezoluția SPM cu rezoluție ultra-înaltă este comparabilă cu microscopul electronic de transmisie.
Dezavantajul SPM atunci când îl comparați cu SEM este de a include și o dimensiune mică a câmpului de scanare. SEM este capabil să scaneze o suprafață de câțiva milimetri în dimensiune în planul lateral, cu o diferență de înălțime de câțiva milimetri în planul vertical. La SPM, diferența maximă de înălțime este de câteva micrometri, de obicei nu mai mare de 25 microni, iar câmpul maxim de scanare este cel mai bine de ordinul a 150 × 150 micrometri. O altă problemă este că calitatea imaginii este determinată de raza de curbură a vârfului sondei, care, dacă sonda nu este selectată sau deteriorată corect, duce la artefacte pe imaginea rezultată. În același timp, pregătirea probelor pentru SPM necesită mai puțin timp decât pentru SEM.
Nonlinearitatea, histerezisul și fluajul piezoceramic al scanerului sunt, de asemenea, cauzele distorsionării puternice a imaginilor SPM. În plus, o parte din distorsiune se datorează legăturilor parazitare reciproce dintre manipulatoarele X, Y, Z ale scanerului. Pentru a corecta distorsiunile în timp real, SPM-urile moderne utilizează software (de exemplu, scanare orientată pe caracteristici) sau scanere echipate cu sisteme de urmărire închise, care includ senzori de poziție liniară. Unele SPM-uri utilizează elemente XY și Z, care nu au legătură mecanică între ele, în locul unui scaner sub forma unei piezotube, care permite excluderea unor legături parazitare. Cu toate acestea, în anumite cazuri, de exemplu, atunci când sunt combinate cu un microscop electronic sau cu ultra-microcurne, este justificat constructiv să se utilizeze scanere pe tuburi piezo.
AFM. Istoria creației
Microscopul cu forță atomică (AFM) este un microscop cu sonde de scanare de înaltă rezoluție. Folosit pentru a determina relieful de suprafață cu o rezoluție de zeci de angstromi până la atomi.
microscop de forță atomică a fost înființat în 1982 de Gerd Binnig, Calvin Kueytom și Christopher Gerber în SUA, ca o modificare a microscopului skaniruyuscheo tunelare inventat anterior.
braț elastic (cantilever) utilizat pentru determinarea topografiei suprafetelor corpurilor neconductoare, a cărei deviere, la rândul său, determinată de modificarea curentului de tunel ca un microscop de scanare de tunel. Cu toate acestea, o astfel de metodă de înregistrare a modificărilor în poziția consolei nu a fost cel mai mare succes, deoarece STM pot fi investigate numai substanțe conductoare de curent, iar doi ani mai târziu, circuitul optic a fost propus: fasciculul laser este direcționată pe suprafața exterioară a consolei, se reflectă și este incident pe fotodetector. Această metodă de detectare a deviației cantilever este realizată în majoritatea microscoapelor de forță atomică moderne.
Inițial, microscopul cu forță atomică era de fapt un profilometru, doar raza de curbură a acului era de ordinul a zeci de angstromi. Dorința de a îmbunătăți rezoluția laterală a dus la dezvoltarea unor metode dinamice. Piezoelectronul vibrează consola cu o anumită frecvență și o fază. Pe măsură ce suprafața se apropie de consola, forțele care își schimbă proprietățile de frecvență încep să acționeze. Astfel, prin monitorizarea frecvenței și fazei oscilațiilor consolei, se poate concluziona că forța care acționează pe partea de suprafață și, în consecință, asupra reliefului se schimbă.
Dezvoltarea ulterioară a microscopiei forței atomice a dus la apariția unor metode precum microscopia forței magnetice, microscopia de putere a răspunsului piezoelectric și microscopia cu electrozoare.
Principiul funcționării AFM
Calitativ, activitatea AFM poate fi explicată prin exemplul forțelor van der Waals. Cel mai des, energia interacțiunii van der Waals a doi atomi situați la o distanță r una de alta este aproximată de o funcție de putere - potențialul Lennard-Jones: