Что такое сканирующий зондовый микроскоп?

Что такое сканирующий зондовый микроскоп?

Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) — это микроскоп, который использует игольчато-острый зонд для наблюдения за неровностями поверхности в нанометровом масштабе.

Он часто используется в высоком вакууме для очистки поверхности образца, но может также использоваться на воздухе. Недавно были разработаны микроскопы, которые можно использовать в жидкости.

Существуют различные типы сканирующих зондовых микроскопов, включая сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) и атомно-силовые микроскопы (АСМ). Последний из них был удостоен Нобелевской премии по физике в 1986 году за свою способность захватывать отдельные атомы и за значительный вклад в развитие науки и технологии наноструктур.

Применение сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующие зондовые микроскопы используются для наблюдения за состоянием поверхности и измерения шероховатости полупроводников, стекла, жидких кристаллов и других материалов, поскольку они могут наблюдать поверхности на нанометровом уровне, что является чрезвычайно тонким.

Конкретные цели для наблюдения включают атомное расположение кремниевых монокристаллов и фенильных групп в органических соединениях. Его также можно использовать для наблюдения и манипулирования ДНК в биологических образцах, таких как микроорганизмы, бактерии и биомембраны.

Сканирующие зондовые микроскопы — это новые микроскопы, разработанные в 1980-х годах, но их применение быстро расширяется, с заметными достижениями в технологии наблюдения на атомном уровне и разработкой моделей, которые могут измерять трение, вязкоупругость и поверхностный потенциал. Измерение в жидкостях также используется в таких областях, как электрохимия и биохимия, позволяя измерять условия, более близкие к реальным средам.

Принцип сканирующих зондовых микроскопов

В этом разделе описываются принципы работы АСМ и СТМ, двух наиболее часто используемых сканирующих зондовых микроскопов. Кончик тонкого иглоподобного зонда сканирует поверхность образца для получения изображения и информации о положении. Зонд тонкий и сканирует на атомном уровне, поэтому он не подходит для измерения образцов со слишком большой неровностью.

1. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)

STM использует тот факт, что сила туннельного тока, испускаемого кончиком металлического зонда к образцу, чувствительно зависит от толщины изолятора, вакуума и между ними. Он может точно измерять локальную высоту поверхности образца с высоким разрешением (кратчайшее расстояние между двумя соседними точками), что позволяет нам разрешать отдельные атомы на поверхности материала. Зонд также позволяет наблюдать атомно-масштабные узоры неровностей, когда зонд сканирует поверхность образца.

Зонд изготовлен из вольфрама или платины с заостренным кончиком. Когда зонд и образец подносятся достаточно близко, чтобы их электронные облака перекрывались, и прикладывается небольшое напряжение смещения (напряжение, используемое для определения рабочей точки постоянного тока для усиления слабого сигнала усилителя), из-за туннельного эффекта течет туннельный ток.

В СТМ туннельный ток поддерживается постоянным за счет перемещения металлического зонда по горизонтали (X, Y) по поверхности образца и управления с помощью обратной связи расстоянием между зондом и образцом (Z). Обычно вертикальное перемещение выполняется с помощью пьезоэлектрического элемента, который может контролировать расстояние с точностью, меньшей, чем размер одного атома, и обнаруживается взаимодействие между отдельными атомами. Таким образом, СТМ имеет атомное разрешение в трех измерениях. Пьезоэлектрический элемент — это пассивное устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект, явление, при котором при приложении давления генерируется напряжение.

2. Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

АСМ измеряет разницу в микроскопических атомных силах (слабые силы сцепления между атомами, которые не связаны химически) между зондом и поверхностью образца и наблюдает за поверхностью, сканируя ее. Разработано большое количество моделей для измерения силы трения, вязкоупругости, диэлектрической проницаемости и поверхностного потенциала с применением технологии АСМ.

Зонд, прикрепленный к концу кантилевера (кантилевера), приводится в контакт с поверхностью образца с помощью очень малой силы. Расстояние (Z) между зондом и образцом контролируется обратной связью для поддержания постоянной силы (прогиба) на кантилевер при горизонтальном сканировании (X, Y) для получения изображения рельефа поверхности.

Другая информация о сканирующих зондовых микроскопах

Типы зондов

AFM и SPM, которые являются типичными примерами сканирующих зондовых микроскопов, оба используют зонды, но они различаются по типу. Кроме того, существует множество типов АСМ, включая материалы и длины, и важно выбрать тот, который лучше всего подходит для объекта измерения.

В дополнение к контактному режиму, описанному в принципе, АСМ также имеет режим постукивания, который используется для измерения хрупких органических образцов и использует специальный зонд. Зонд является расходным материалом и должен быть заменен пользователем.