Pásztázó szonda mikroszkópok (SPM, eng. SPM - pásztázó szonda mikroszkóp ) - a mikroszkópok egy osztálya a felület és annak helyi jellemzőinek képének megszerzésére. A képalkotási folyamat a felület szondával történő letapogatásán alapul . Általában lehetővé teszi a felület háromdimenziós képének (topográfiájának) előállítását nagy felbontással. A pásztázó szondás mikroszkópot modern formájában (ennek az osztálynak az alapelveit más kutatók korábban lefektették) Gerd Karl Binnig és Heinrich Rohrer találta fel 1981-ben. Ezért a találmányért 1986 - ban megkapták a fizikai Nobel-díjat , amelyet megosztottak közöttük és a transzmissziós elektronmikroszkóp feltalálója , E. Ruska között . Az SPM megkülönböztető jellemzője a következők jelenléte:
A rögzítési rendszer a szonda-minta távolságtól függő függvény értékét rögzíti. A rögzített értéket általában egy negatív visszacsatolási rendszer dolgozza fel, amely a minta vagy a szonda helyzetét az egyik koordináta (Z) mentén szabályozza. A leggyakrabban használt visszacsatoló rendszer a PID szabályozó .
A pásztázó szonda mikroszkópok fő típusai:
A pásztázó szonda mikroszkóp működése a minta felületének szondával ( konzolos , tű vagy optikai szonda) való kölcsönhatásán alapul . A felület és a szonda közötti kis távolságban a kölcsönhatási erők (taszítás, vonzás és egyéb erők) hatása és a különféle hatások (például elektronalagút) megnyilvánulása rögzíthető modern rögzítő eszközökkel. A regisztrációhoz különféle típusú érzékelőket használnak, amelyek érzékenysége lehetővé teszi az apró zavarok észlelését. A teljes értékű raszteres kép elkészítéséhez az X és Y tengely mentén különböző letapogató eszközöket (például piezocsöveket, síkpárhuzamos szkennereket) használnak.
A pásztázó szonda mikroszkóp létrehozásának fő technikai nehézségei:
Jelenleg a legtöbb kutatólaboratóriumban pásztázó szondát és elektronmikroszkópiát alkalmaznak kutatási módszerként, amelyek számos fizikai és műszaki jellemző miatt kiegészítik egymást.
A pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) összehasonlítva a pásztázó szondás mikroszkóp számos előnnyel rendelkezik. Tehát a SEM-mel ellentétben, amely pszeudo-háromdimenziós képet ad a minta felületéről, az SPM lehetővé teszi, hogy valódi háromdimenziós felületi topográfiát kapjunk. Ezen túlmenően általános esetben a pásztázó szondás mikroszkóp lehetővé teszi mind a vezető, mind a nem vezető felület képét, míg a nem vezető tárgyak SEM segítségével történő vizsgálatához a felület fémezése szükséges. A SEM működéséhez vákuum szükséges, míg a legtöbb SPM mód levegőben, vákuumban és folyadékban végzett vizsgálatokra szolgál. Ennek köszönhetően az SPM segítségével lehetséges anyagok és biológiai tárgyak tanulmányozása normál körülmények között ezen objektumok esetében. Például biomakromolekulák és kölcsönhatásaik, élő sejtek vizsgálata. Az SPM elvileg nagyobb felbontást képes biztosítani, mint a SEM. Így bebizonyosodott, hogy az SPM képes valódi atomi felbontást biztosítani ultranagy vákuum körülmények között, rezgések nélkül. Az ultranagy vákuumú SPM felbontása hasonló a transzmissziós elektronmikroszkópéhoz.
Az SPM hátránya a SEM-hez képest a szkennelési mező kis mérete is. A SEM az oldalsó síkban néhány milliméteres felületet, a függőleges síkban néhány milliméteres magasságkülönbséget képes letapintani. Az SPM-eknél a maximális magasságkülönbség több mikrométer, általában nem több, mint 25 mikron, és a maximális szkennelési mező a legjobb esetben is körülbelül 150 × 150 mikrométer. További probléma, hogy a képminőséget a szonda csúcsának görbületi sugara határozza meg, ami ha a szondát nem megfelelően választják ki vagy megsérülnek, akkor az eredményül kapott képen műtermékek keletkeznek. Ugyanakkor a minták előkészítése az SPM-hez kevesebb időt vesz igénybe, mint a SEM-hez.
A hagyományos SPM nem képes olyan gyorsan pásztázni a felületet, mint a SEM. Az SPM kép elkészítése néhány perctől több óráig tart, míg a kiszivattyúzás utáni SEM szinte valós időben képes működni, bár viszonylag gyenge minőségben. Az SPM alacsony pásztási sebessége miatt a keletkező képeket termikus sodródás torzítja [1] [2] [3] , ami csökkenti a szkennelt dombormű elemeinek mérési pontosságát. Az SPM sebességének növelésére számos tervet javasoltak [4] [5] , amelyek közül kiemelhető a video AFM nevű szondamikroszkóp. A Video AFM kielégítő minőségű felületi képeket biztosít televíziós pásztázási frekvencián, ami még a hagyományos SEM-nél is gyorsabb. A VideoAFM használata azonban korlátozott, mivel csak kontakt módban és viszonylag kis magasságkülönbségű mintákon működik. Számos módszert javasoltak a termikus sodródás okozta torzítások korrigálására. [1] [2] [3]
A szkenner piezokerámiájának nemlinearitása, hiszterézise [6] és kúszása (kúszása) szintén az SPM képek erős torzulásának okai. Ezenkívül a torzítás egy része a szkenner X, Y, Z-manipulátorai között ható kölcsönös parazita kapcsolatok miatt következik be. A torzítások valós idejű kijavítására a modern SPM-ek szoftvert (például szolgáltatásorientált szkennelést [1] [7] ) vagy zárt nyomkövető rendszerrel felszerelt szkennereket használnak, amelyek lineáris helyzetérzékelőket tartalmaznak. Egyes SPM-ek piezocsöves szkenner helyett XY és Z elemeket használnak, amelyek mechanikusan nem kapcsolódnak egymáshoz, ami lehetővé teszi a parazita kapcsolatok egy részének megszüntetését. Bizonyos esetekben azonban, például elektronmikroszkóppal vagy ultramikrotomokkal kombinálva, szerkezetileg indokolt a piezocső szkennerek alkalmazása.
A pásztázó szonda mikroszkóppal készített képet általában nehéz megfejteni az ebben a módszerben rejlő torzulások miatt. A kezdeti szkennelés eredményeit szinte mindig matematikai feldolgozásnak vetik alá. Ehhez az SPM-hez közvetlenül mellékelt szoftvert használják. Vannak olyan szoftverek is, amelyeket GNU licenc alatt terjesztenek. Például Gwyddion [8]
Jelenleg a pásztázó szondás mikroszkópok a tudomány szinte minden területén alkalmazásra találtak. A fizikában, kémiában, biológiában az SPM-et kutatási eszközként használják. Különösen az olyan interdiszciplináris tudományok, mint az anyagtudomány , biokémia , gyógyszeripar , nanotechnológia , felületfizika és kémia , elektrokémia , korróziókutatás , elektronika (például MEMS ), fotokémia és sok más. Ígéretes irány a pásztázó szonda mikroszkópok kombinálása más hagyományos és modern kutatási módszerekkel, valamint alapvetően új eszközök létrehozása. Például az SPM kombinálása optikai mikroszkópokkal (hagyományos és konfokális mikroszkópokkal ) [9] [10] [11] , elektronmikroszkópokkal [12] , spektrométerekkel (például Raman (Raman) szórási spektrométerekkel és fluoreszcenciával ) [13] [14] [15] , ultramikrotomok [16] .
A Nemzetközi Konverziós Alap Nanotechnológiai Intézete. [17] egy orosz non-profit tudományos és műszaki vállalat, amely 1996 óta foglalkozik nanotechnológiai laboratóriumi berendezések létrehozásával. A jelenleg gyártott berendezések között szerepel az Umka nanotechnológiai komplexum. [18] pásztázó alagútmikroszkópon (STM) alapul, amely lehetővé teszi vezető és gyengén vezető anyagok tanulmányozását egyaránt. A komplexum egy STM szondák élezésére szolgáló berendezést is tartalmaz [19] .
Az AIST-NT LLC egy orosz cég, amelyet 2007-ben Zelenogradban alapított az NT-MDT CJSC - t elhagyó fejlesztők csoportja . Pásztázó szonda mikroszkópok gyártásával foglalkozik. [20] A cég jelenleg 2 egyedi darabot gyárt műszer, valamint tartozékok és fogyóeszközök az SPM-hez.
A Nano Scan Technology LLC egy 2007-ben Dolgoprudnyban alapított cég. A tudományos kutatás és oktatás céljára szolgáló pásztázó szonda mikroszkópok és az ezekre épülő komplexek fejlesztésére és gyártására specializálódott. [21] Jelenleg a vállalat 2 kutatási osztályú pásztázó szondás mikroszkóp modellt és 4 SPM-alapú kutatási komplexumot fejlesztett ki és gyárt. A vállalat által gyártott kutatási komplexumok közé tartozik az SPM, az optikai és spektrális berendezések a vizsgált objektumok tulajdonságainak komplex tanulmányozására.
Az NT-SPb LLC az Orosz Tudományos Akadémia Analitikai Műszerészeti Intézetének Szonda Mikroszkópiai Laboratóriuma alapján, Szentpéterváron alapított cég, 2003 óta a nanotechnológiai berendezések piacán működik, jelenleg az Orosz Tudományos Akadémia rezidense. az ITMO Egyetem Technoparkja . Az NT-SPb által javasolt és gyártott oktatási szonda mikroszkóp nagy népszerűségre tett szert Oroszországban és külföldön. A cég pásztázó szonda mikroszkópok gyártásával, valamint oktatási tevékenységgel foglalkozik iskolákban, egyetemeken és technológiai parkokban. A cég jelenleg a következőket kínálja:
Tudományos kutatási berendezéseket, köztük pásztázószondás mikroszkóp egy modelljét gyártó vállalat. [22]
Az NT-MDT CJSC egy orosz cég, amelyet 1989-ben alapítottak Zelenogradban. Oktatási, tudományos kutatási és kisipari gyártás céljára szolgáló pásztázó szondás mikroszkópok gyártásával foglalkozik. [23] Jelenleg a cég 4 modellsort, valamint tartozékok és fogyóeszközök széles választékát gyártja: konzolok , kalibráló rácsok, próbaminták.
Az LLC NPP " Center for Advanced Technologies " egy oroszországi vállalkozás, amely a nanotechnológia területén működik. 1990-ben jött létre. FemtoScan pásztázó szonda mikroszkópok, atomsúlyok és tartozékok gyártására, valamint szoftverfejlesztésre specializálódott. [24] Ez az első cég, amely szoftvercsomagot kínál pásztázó szonda mikroszkóp interneten keresztüli vezérléséhez.
| Pásztázó szonda mikroszkópia | ||
|---|---|---|
| A mikroszkópok fő típusai | ||
| Egyéb módszerek |
| |
| Eszközök és anyagok | ||
| Lásd még | ||
| Nanotechnológia | |
|---|---|
| Kapcsolódó tudományok | |
| Személyiségek | |
| Feltételek | Nanorészecske |
| Technológia | |
| Egyéb |
|