Szkennelő szonda mikroszkóp
Szkennelő szondamikroszkópok (SPM - szkennelő szonda mikroszkóp) - egy mikroszkóp-osztály a felületi kép és helyi jellemzőinek megszerzéséhez. A képalkotás folyamata a szonda átvizsgálásával történik. Általában lehetővé teszi, hogy egy nagy felbontású háromdimenziós képet kapjon a felszínről (topográfia). A modern formában lévő pásztázó szondamikroszkóp feltalálta (ezen eszközök osztályának alapelveit korábban más kutatók tették meg), Gerd Karl Binnig és Henry Rohrer 1981-ben. A találmányt 1986-ban fizikai Nobel-díjat nyerték el. amelyet megosztottak közöttük és az E. Ruska transzmissziós elektronmikroszkóp feltalálójával. Az SPM megkülönböztető jellemzője:
- szonda
- a próbatest a 2. (X-Y) vagy a 3. (X-Y-Z) koordinátához képest a mintához képest mozgó rendszer,
- regisztrációs rendszer.
A rögzítési rendszer rögzíti a függvény értékét, amely függ a szonda-minta távolságától. Általában a rögzített értéket negatív visszacsatolási rendszerrel dolgozzák fel, amely szabályozza a minta vagy a szonda pozícióját a koordináták egyikén (Z). Visszacsatolt rendszerként leggyakrabban a PID szabályozó.
A pásztázó szonda mikroszkópjai fő típusai:
Az atomerő mikroszkópjának rendszere
A pásztázó szonda mikroszkóp működése a mintafelület és a szonda (konzolos, tűs vagy optikai szonda) kölcsönhatásán alapul. A felület és a szonda közötti kis távolságban a modern felvevő eszközök segítségével érzékelhetők az interakciós erők (repulzió, vonzerő és egyéb erők) és különböző hatások manifesztálása (például elektron-alagút). A regisztrációhoz különféle típusú érzékelőket használnak, amelyek érzékenysége kis méretű kis perturbációkat tesz lehetővé. Teljes raszterkép készítéséhez használjon különböző X és Y szkennereket (pl. Piezo csövek, sík párhuzamos szkennerek).
A legfontosabb technikai nehézségek a szkennelő szonda mikroszkóp létrehozásában:
- A próbatestnek a vizsgált tárgyakhoz hasonló méretekkel kell rendelkeznie.
- Mechanikus (beleértve a hő- és rezgésstabilitást) a 0,1 Angstromnál jobb szinten.
- Az érzékelőknek megbízhatóan fel kell jegyezniük a regisztrált paraméterek kis perturbációját.
- Precíziós letapogató rendszer létrehozása.
- Biztosítja a szonda sima megközelítését a felületre.
A szkennelési alagút mikroszkóp sémája
Atomerőmikroszkópos konzol (SEM kép, 1000 × nagyítás)
Szkennelő alagútmikroszkóp (STM) - kép készítéséhez a szonda és a minta között egy alagút áramot használnak, amely lehetővé teszi a minta topográfiájának és elektromos tulajdonságainak megismerését. Atom-erőmikroszkóp (AFM) - különböző érzékeléseket regisztrál a szonda és a minta között. Lehetővé teszi a felület topográfiájának és mechanikai tulajdonságainak felmérését. Közeli mező mikroszkóp (SNOM) szkennelése - a közelkép hatása a kép megszerzéséhez használható.
Jelenleg a legtöbb kutatólaboratóriumban a szondázó szondát és az elektronmikroszkópos vizsgálatokat többféle fizikai és technikai tulajdonság miatt alkalmazzák.
A pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) összehasonlítva a pásztázó mikroszkópnak számos előnye van. Tehát, ellentétben a SEM-el, amely a minta felszínének pszeudo-háromdimenziós képét adta, az SPM lehetővé teszi a felület valóban háromdimenziós megkönnyebbülését. Ezen túlmenően, általában egy pásztázószondás mikroszkóp lehetővé teszi képalkotó egyaránt vezető és nem-vezető felületen, míg a tanulmány a nem-vezető tárgyak SEM kell fémezett felületén. A SEM használatához vákuumra van szükség, míg a legtöbb SPM üzemmódot levegő-, vákuum- és folyadékkutatásra tervezték. Ennek köszönhetően az SPM segítségével anyagokat és biológiai tárgyakat lehet tanulmányozni normál körülmények között. Például a biomakromolekulák és kölcsönhatásuk, élő sejtek tanulmányozása. Elvben az SPM képes nagyobb felbontást biztosítani, mint a SEM. Tehát kimutatták, hogy az SPM képes ultrahangos vákuum esetén rezgésmentes állapotban valós atomfelbontást biztosítani. Az ultrahigh-felbontású SPM felbontás összehasonlítható a transzmissziós elektronmikroszkóppal.
Az SPM hátrányára, ha összehasonlítjuk a SEM-el, a beolvasási mező kis méretét is tartalmaznia kell. A SEM képes több milliméteres felületre szkennelni az oldalirányú síkban, a függőleges síkban több milliméteres magasságkülönbséggel. Az SPM esetében a maximális magasságkülönbség néhány mikrométer, általában nem több, mint 25 mikron, és a maximális beolvasási mező legfeljebb 150 × 150 mikrométer. Egy másik probléma az, hogy a képminőséget a szonda csúcsának görbületi sugara határozza meg, amely ha a szondát nem megfelelően választják ki vagy sérülnek, akkor a keletkező képen leletek keletkeznek. Ugyanakkor az SPM mintáinak elkészítése kevesebb időt vesz igénybe, mint a SEM esetében.
A szkenner piezokerámia nemlinearitása, hiszterézise [6] és kúszósága (kúszás) szintén az SPM-képek erős torzulásának okai. Ráadásul a torzulás egy része a lapolvasó X, Y, Z-manipulátorai közötti kölcsönös parazita kapcsolatoknak köszönhető. Ahhoz, hogy korrigálja a torzulása a valós idejű aktuális SPM szoftver segítségével (például egy funkció-alapú Vizsgálat [1] [7]), vagy a szkennerek, a követőelem van szerelve zárt rendszerek, amelyek közé tartoznak a lineáris pozíció érzékelők. Néhány SPM szkenner használata helyett piezo-cső XY és Z-alkatrész mechanikusan lekapcsolt egymástól, amely kiküszöböli a parazita csatlakoztató rész. Azonban bizonyos esetekben, például egy elektronmikroszkóppal vagy ultramikrotomokkal kombinálva, konstruktívan indokolt a szkennereket piezotubókon használni.
A kapott információk feldolgozása és a kapott képek visszaállítása
Példa SPM vizsgálatára: aspergillus spórák. amelyet egy pohár szubsztráton egy teafilton tenyésztenek
Általánosságban elmondható, hogy a beolvasó szondamikroszkópon felvett kép nehezen dekódolható a módszerben rejlő torzulások miatt. Gyakorlatilag mindig a kezdeti vizsgálat eredményeit matematikailag feldolgozzák. Ehhez az SPM-hez közvetlenül mellékelt szoftver kerül felhasználásra. A szoftver a GNU licensz alatt is forgalmazott. Például Gwyddion [8]
A pásztázó mikroszkóp aktuális állapota és fejlődése
Jelenleg a szkennelő szondamikroszkópok gyakorlatilag a tudomány minden területén megtalálhatók. A fizikában, a kémiai folyamatban a biológiát használják az SPM tanulmányozásának eszközeként. Különösen olyan interdiszciplináris tudományok, mint az anyagtudomány. biokémia. gyógyszerek. nanotechnológia. a fizika és a felületek kémiája, elektrokémia. korrózióvizsgálat. elektronika (például MEMS), fotokémia és még sok más. Az ígéretes terület a pásztázó szonda mikroszkópok kombinációja más hagyományos és modern kutatási módszerekkel, valamint alapvetően új eszközök létrehozásával. Például az SPM kombinációja optikai mikroszkóppal (hagyományos és konfokális mikroszkóp) [9] [10] [11]. elektronmikroszkópok [12]. spektrométerek (például Raman szórási spektrométerek és fluoreszcens spektrométerek) [13] [14] [15]. ultramikrotomok [16].
Az SPM gyártói Oroszországban és a CIS betűrendben
ANO "Nanotechnológiai Intézet IFC"
OOO AIST-NT
A Nano Scan Technologies LLC
«Microtestmushins», Fehéroroszország
Olyan cég, amely tudományos kutatási célú berendezéseket gyárt, beleértve egy pásztázó szonda mikroszkóp modelljét. [22]
"NT-MDT" CJSC
Az NT-MDT egy orosz cég, amely 1989-ben alakult Zelenogradban. Szkennelő szonda-mikroszkópok gyártásával foglalkozik az oktatás, a tudományos kutatás és a kisüzemi termelés területén. [23] Jelenleg a vállalat 4 modellt gyárt, valamint számos kiegészítőt és fogyóeszközt kínál: konzolos konzolok. kalibrációs rácsok, vizsgálati minták.
"Szuperkemény és új karbon anyagok technológiai intézete" (FGBNU TISNUM), Oroszország
- Az anyagok fizikai-mechanikai tulajdonságainak mérésére szolgáló új megközelítések kifejlesztése és fejlesztése nanoméretű.
- Eredeti mérési technikák és eszközök létrehozása.
- Nanoscan szkenner nanorodomerek előállítása. amely ötvözi a klasszikus nanoindentorok és a szkennelő mikroszkópok képességét, amelyek számos további egyedi tulajdonsággal rendelkeznek.
- Nanoindentátorok előállítása.