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 în 1986. care a fost împărțită între ei și inventatorul microscopului electronic de transmisie E. Ruska. O caracteristică distinctivă a SPM este disponibilitatea:
- sondă
- (X-Y) sau a treia (X-Y-Z) coordonate, în cazul în care,
- sistem de înregistrare.
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:
Schema microscopului forței atomice
Funcționarea microscopului sondei de scanare se bazează pe interacțiunea suprafeței probei cu sonda (consola, sonda sau sonda optică). Cu o mică distanță între suprafață și sonde, 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:
- Capătul sondei trebuie să aibă dimensiuni comparabile cu obiectele studiate.
- Furnizarea de stabilitate mecanică (inclusiv termică și vibrații) la un nivel mai bun de 0,1 Angstrom.
- Detectoarele ar trebui să înregistreze în mod fiabil perturbări mici ale parametrului înregistrat.
- Crearea unui sistem de scanare de precizie.
- Asigurarea unei apropierii netede a sondei de suprafață.
Schema microscopului de scanare
Cantilever de microscop de forță atomică (imagine SEM, mărire 1000 ×)
Scanarea microscopului de tunel (STM) - pentru a obține o imagine, se utilizează un curent tunel între sonde și mostră, care permite obținerea de informații privind topografia și proprietățile electrice ale eșantionului. Atomic microscop de forță (AFM) - înregistrează diferite forțe între sonde și eșantion. Vă permite să obțineți topografia suprafeței și proprietățile sale mecanice. Scanarea microscopului în apropierea câmpului (SNOM) - efectul câmpului apropiat este utilizat pentru obținerea imaginii.
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.
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 suprafețelor neconductoare, în timp ce pentru studiul obiectelor neconductoare prin intermediul SEM este necesară metalizarea suprafeței. Pentru a lucra cu SEM, este necesar un vacuum, 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 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 câteva milimetri în dimensiune în planul lateral, cu o diferență de înălțime de câțiva milimetri în plan vertical. La SPM, diferența maximă de înălțime este de câțiva 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 [6] și creepul (creepul) piezoceramicii 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 folosesc software (de exemplu, scanare orientată pe caracteristici [1] [7]) 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 ultramicrotomes, este justificat constructiv utilizarea scanerelor pe piezotuburi.
Procesarea informațiilor primite și restaurarea imaginilor primite
Exemplu de scanare SPM: sporii aspergillus. cultivate pe o cultură de ceai pe un substrat de sticlă
Ca o regulă, imaginea realizată pe un microscop al sondei de scanare este dificil de decodat datorită distorsiunilor inerente ale acestei metode. Practic, întotdeauna rezultatele procesului de scanare inițială sunt procesate matematic. Pentru aceasta, se utilizează software-ul livrat direct cu SPM. Există, de asemenea, software distribuit sub licența GNU. De exemplu, Gwyddion [8]
Starea actuală și dezvoltarea microscopiei sondei de scanare
În prezent, microscoapele de scanare au găsit aplicații practic în toate domeniile științei. În fizică, chimie, biologia este folosită ca un instrument pentru studiul SPM. În special, astfel de științe interdisciplinare ca știința materialelor. biochimie. produse farmaceutice. nanotehnologie. fizica si chimia suprafetelor, electrochimie. investigarea coroziunii. electronică (de exemplu, MEMS), fotochimie și multe altele. O arie promițătoare este combinația de microscoape cu sonde de scanare cu alte metode tradiționale și moderne de cercetare, precum și crearea unor instrumente fundamentale noi. De exemplu, combinația SPM cu microscoape optice (microscoape tradiționale și confocale) [9] [10] [11]. electroni cu microscoape [12]. spectrometre (de exemplu, spectrometre de dispersie Raman și spectrometre de fluorescență) [13] [14] [15]. ultramicrotomuri [16].
Producătorii SPM în Rusia și CSI în ordine alfabetică
ANO "Institutul de Nanotehnologii IFC"
OOO AIST-NT
Nano Scan Technologies LLC
«Microtestmushins», Belarus
O companie care produce echipamente pentru cercetarea științifică, inclusiv un model al unui microscop de sonde de scanare. [22]
"NT-MDT" CJSC
NT-MDT este o companie rusească înființată în Zelenograd în 1989. El este implicat în producerea de microscoape de sonde de scanare pentru educație, cercetare științifică și producție la scară mică. [23] În prezent, compania produce 4 modele, precum și o gamă largă de accesorii și consumabile: console. gratare de calibrare, probe de testare.
"Institutul Tehnologic al Materialelor Superhard și Noi Carbon" (FGBNU TISNUM), Rusia
- Dezvoltarea și dezvoltarea de noi abordări pentru măsurarea proprietăților fizico-mecanice ale materialelor pe nanometri.
- Crearea de tehnici și instrumente de măsurare originale.
- Producția de nanorodomeri de scanare Nanoscan. combinând capabilitățile nanoindentorilor clasici și microscoapelor sonde de scanare, care au un număr de caracteristici unice suplimentare.
- Producția de nanoindentatoare.