Microscoape cu sondă de scanare (SPM, ing. SPM - microscop cu sondă de scanare ) - o clasă de microscoape pentru obținerea unei imagini a suprafeței și a caracteristicilor sale locale. Procesul de imagistică se bazează pe scanarea suprafeței cu o sondă . În cazul general, permite obținerea unei imagini tridimensionale a suprafeței (topografie) cu rezoluție mare. Microscopul cu sondă de scanare în forma sa modernă a fost inventat (principiile acestei clase de dispozitive au fost stabilite mai devreme de alți cercetători) de Gerd Karl Binnig și Heinrich Rohrer în 1981. Pentru această invenţie li s-a acordat Premiul Nobel pentru Fizică în 1986 , care a fost împărţit între ei şi inventatorul microscopului electronic cu transmisie , E. Ruska . O caracteristică distinctivă a SPM este prezența:
Sistemul de înregistrare fixează valoarea funcției care depinde de distanța sondă-probă. De obicei, valoarea înregistrată este procesată de un sistem de feedback negativ care controlează poziția probei sau a sondei de-a lungul uneia dintre coordonatele (Z). Cel mai des folosit sistem de feedback este controlerul PID .
Principalele tipuri de microscoape cu sondă de scanare:
Funcționarea unui microscop cu sondă de scanare se bazează pe interacțiunea suprafeței probei cu o sondă ( consolă , ac sau sondă optică). La o distanță mică între suprafață și sondă, acțiunea forțelor de interacțiune (repulsie, atracție și alte forțe) și manifestarea diferitelor efecte (de exemplu, tunelul de electroni) pot fi înregistrate folosind instrumente moderne de înregistrare. Pentru înregistrare se folosesc diverse tipuri de senzori, a căror sensibilitate face posibilă detectarea unor mici perturbări. Pentru a obține o imagine raster cu drepturi depline, sunt utilizate diverse dispozitive de scanare de-a lungul axelor X și Y (de exemplu, piezotuburi, scanere plan-paralele).
Principalele dificultăți tehnice în crearea unui microscop cu sondă de scanare:
În prezent, în majoritatea laboratoarelor de cercetare, sonda de scanare și microscopia electronică sunt folosite ca metode de cercetare care se completează reciproc datorită unui număr de caracteristici fizice și tehnice.
În comparație cu un microscop electronic cu scanare (SEM), un microscop cu sondă de scanare are o serie de avantaje. Deci, spre deosebire de SEM, care oferă o imagine pseudo-tridimensională a suprafeței probei, SPM vă permite să obțineți o topografie tridimensională adevărată a suprafeței. În plus, în cazul general, un microscop cu sondă de scanare face posibilă obținerea unei imagini atât a unei suprafețe conductoare, cât și a unei suprafețe neconductoare, în timp ce pentru a studia obiectele neconductoare folosind SEM, este necesară metalizarea suprafeței. Funcționarea SEM necesită un vid, în timp ce majoritatea modurilor SPM sunt destinate studiilor 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, s-a demonstrat că SPM este capabil să ofere o rezoluție atomică reală în condiții de vid ultraînalt în absența vibrațiilor. Rezoluția unui SPM cu vid ultraînalt este comparabilă cu cea a unui microscop electronic cu transmisie.
Dezavantajul SPM în comparație cu SEM este și dimensiunea mică a câmpului de scanare. SEM este capabil să scaneze o suprafață de câțiva milimetri în plan lateral cu o diferență de înălțime de câțiva milimetri în plan vertical. Pentru SPM, diferența maximă de înălțime este de câțiva micrometri, de obicei nu mai mult de 25 de microni, iar câmpul maxim de scanare, în cel mai bun caz, este de aproximativ 150 × 150 micrometri. O altă problemă este că calitatea imaginii este determinată de raza de curbură a vârfului sondei, care, dacă sonda este selectată incorect sau deteriorată, duce la artefacte în imaginea rezultată. În același timp, pregătirea probelor pentru SPM durează mai puțin decât pentru SEM.
SPM convențional nu este capabil să scaneze suprafața la fel de repede ca SEM. Este nevoie de câteva minute până la câteva ore pentru a obține o imagine SPM, în timp ce un SEM după pompare este capabil să funcționeze aproape în timp real, deși cu o calitate relativ scăzută. Datorită vitezei reduse de baleiaj a SPM, imaginile rezultate sunt distorsionate de deriva termică [1] [2] [3] , ceea ce reduce acuratețea măsurării elementelor reliefului scanat. Pentru a crește viteza SPM, au fost propuse mai multe modele [4] [5] , printre care se poate evidenția un microscop cu sondă numit video AFM. Video AFM oferă o calitate satisfăcătoare a imaginilor de suprafață la o frecvență de scanare a televiziunii, care este chiar mai rapidă decât SEM convențional. Cu toate acestea, utilizarea VideoAFM este limitată, deoarece funcționează numai în modul de contact și pe mostre cu o diferență de înălțime relativ mică. Au fost propuse mai multe metode pentru a corecta distorsiunile introduse de deriva termica. [1] [2] [3]
Neliniaritatea, histereza [6] și fluajul (fluajul) piezoceramicelor scanerului sunt, de asemenea, cauzele distorsiunilor puternice ale imaginilor SPM. În plus, o parte din distorsiune are loc datorită conexiunilor parazitare reciproce care acționează între manipulatorii X, Y, Z ai 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 folosesc elemente XY și Z, care sunt neconectate mecanic între ele, în locul unui scanner piezotub, ceea ce face posibilă eliminarea unora dintre conexiunile parazitare. Cu toate acestea, în anumite cazuri, de exemplu, atunci când sunt combinate cu un microscop electronic sau ultramicrotomi , utilizarea scanerelor piezotub este justificată structural.
De regulă, imaginea luată pe un microscop cu sondă de scanare este dificil de descifrat din cauza distorsiunilor inerente acestei metode. Aproape întotdeauna, rezultatele scanării inițiale sunt supuse prelucrării matematice. Pentru aceasta, se utilizează software-ul furnizat direct împreună cu SPM. Există, de asemenea, software distribuit sub licență GNU . De exemplu, Gwyddion [8]
În prezent, microscoapele cu sondă de scanare și-au găsit aplicații în aproape toate domeniile științei. În fizică, chimie, biologie, SPM este folosit ca instrument de cercetare. În special, științele interdisciplinare, cum ar fi știința materialelor , biochimia , farmaceutica , nanotehnologia , fizica și chimia suprafețelor, electrochimia , cercetarea coroziunii , electronica (cum ar fi MEMS ), fotochimia și multe altele. O direcție promițătoare este combinarea microscoapelor cu sondă de scanare cu alte metode de cercetare tradiționale și moderne, precum și crearea de dispozitive fundamental noi. De exemplu, combinarea SPM cu microscoape optice (microscoape tradiționale și confocale ) [9] [10] [11] , microscoape electronice [12] , spectrometre (de exemplu, spectrometre de împrăștiere Raman (Raman) și fluorescență ) [13] [14] [15 ] , ultramicrotoame [16] .
Institutul de Nanotehnologie al Fondului Internațional de Conversie. [17] este o companie rusă non-profit științifică și tehnică care lucrează în domeniul creării de echipamente de laborator nanotehnologice din 1996. Printre echipamentele care se produc în prezent se numără complexul nanotehnologic Umka. [18] bazat pe un microscop cu scanare tunel (STM), care face posibilă studierea atât a materialelor conductoare, cât și a materialelor slab conductoare. Complexul include și o instalație pentru ascuțirea sondelor STM [19] .
AIST-NT LLC este o companie rusă înființată în Zelenograd în 2007 de un grup de dezvoltatori care a părăsit NT-MDT CJSC. Angajat în producția de microscoape cu sondă de scanare. [20] Compania produce în prezent 2 unice instrument, precum si accesorii si consumabile pentru SPM.
Nano Scan Technology LLC este o companie fondată în Dolgoprudny în 2007. Este specializată în dezvoltarea și producția de microscoape cu sonde de scanare și complexe bazate pe acestea pentru cercetare și educație științifică. [21] În prezent, compania a dezvoltat și produce 2 modele de microscoape cu sondă de scanare de clasa de cercetare și 4 complexe de cercetare bazate pe SPM. Complexele de cercetare produse de această companie includ SPM, echipamente optice și spectrale pentru studii complexe ale proprietăților obiectelor de studiu.
NT-SPb LLC este o companie cu sediul în Sankt Petersburg pe baza Laboratorului de Microscopie Sondă al Institutului de Instrumentare Analitică al Academiei Ruse de Științe și din 2003 operează pe piața echipamentelor nanotehnologice și este în prezent rezident în Tehnoparcul Universității ITMO . Microscopul cu sondă educațională propus și produs de NT-SPb a câștigat o mare popularitate în Rusia și în străinătate. Compania este angajată în producția de microscoape cu sondă de scanare, precum și în activități educaționale în școli, universități și parcuri tehnologice. Compania ofera in prezent:
O companie care produce echipamente de cercetare științifică, inclusiv un model de microscop cu sondă de scanare. [22]
NT-MDT CJSC este o companie rusă înființată în Zelenograd în 1989. Angajat în producția de microscoape cu sondă de scanare pentru educație, cercetare științifică și producție la scară mică. [23] În prezent, compania produce 4 linii de modele, precum și o gamă largă de accesorii și consumabile: console , grătare de calibrare, probe de testare.
LLC NPP " Centrul pentru Tehnologii Avansate " este o întreprindere rusă care operează în domeniul nanotehnologiei. Creat în 1990. Este specializat în producția de microscoape cu sondă de scanare FemtoScan, greutăți atomice și accesorii, precum și în dezvoltarea de software. [24] Este prima companie care oferă un pachet software pentru controlul unui microscop cu sondă de scanare prin Internet.
| Microscopie cu sondă de scanare | ||
|---|---|---|
| Principalele tipuri de microscoape | ||
| Alte metode |
| |
| Dispozitive și materiale | ||
| Vezi si | ||
| Nanotehnologie | |
|---|---|
| Științe conexe | |
| Personalități | |
| Termeni | Nanoparticule |
| Tehnologie | |
| Alte |
|