Сканирующий атомно-силовой микроскоп

метки: Микроскоп, Атомный, Силовой, Probe, Программный, Использовать, Worldcat, Publication

(АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope ) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии зонда кантилевера с поверхностью исследуемого образца.

Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание зонда кантилевера, вызванное силами Ван-дер-Ваальса. При использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью АСМ можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, АСМ способен измерять рельеф образца, погружённого в жидкость, что позволяет работать с органическими молекулами, включая ДНК. Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от радиуса кривизны кончика зонда. Разрешение достигает атомарного по вертикали и существенно превышает его по горизонтали.

1. История изобретения

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом и Кристофом Гербером в США. Атомно-силовой микроскоп применяется для измерения рельефа поверхности, модификации поверхности, а также для манипулирования микро- и нанообъектами на поверхности.

2. Принцип работы

Атомно-силовой микроскоп представляет собой систему образец + игла (кантилевер) ^[1] . На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, в частности, используют оптические, ёмкостные или туннельные сенсоры. Добавив к этой системе устройство развёртки по осям X и Y, получают сканирующий АСМ.

Основные технические сложности при создании микроскопа:

• Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.
• Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.
• Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.
• Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.
• Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

3. Особенности работы

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

Принцип работы электронного микроскопа

... разновидностью электронных микроскопов растрового типа является микрорентгеноспектральный анализатор. Прибор основан на возбуждении так называемого характеристического рентгеновского излучения атомов малого участка поверхности - образца с помощью тонкого высокоскоростного электронного зонда. Электронный зонд с ...

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрон². Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-изображения, требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки АСМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, ^{[2] [3]} что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия АСМ было предложено несколько конструкций,^{[4] [5]} среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько методов.^{[2] [3]}

Кроме термодрейфа АСМ-изображения могут также быть искажены из-за таких свойств пьезокерамики, как нелинейность, крип и гистерезис ^[6] и перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z-элементами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные АСМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые АСМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей.

Сканирующая зондовая микроскопия

... резонансных уровней туннелирования. Зависимость I(Z) применяется, также, для определения качества иглы Сканирующие Зондовые Микроскопы российской компании НТ-МДТ моделей Р4-8РМ-16 и Р4-ЗРМ-18 дают ... образца, но и локальными электронными свойствами поверхности. Например, участок проводника, покрытый неэлектропроводной пленкой, может выглядеть на СТМ изображении как провал, хотя на самом деле, это ...

АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке. ^[7]

4. Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений

Как правило, снятое на сканирующем зондовом микроскопе изображение трудно поддается расшифровке из-за присущих данному методу искажений. Практически всегда результаты первоначального сканирования подвергаются математической обработке. Для этого используется программное обеспечение непосредственно поставляемое с СЗМ. Существует и программное обеспечение распространяемое по GNU лицензии. Например, Gwyddion ^[8]

5. Современное состояние и развитие сканирующей зондовой микроскопии

В настоящее время сканирующий зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования АСМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как биофизика, материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, МЭМС), фотохимия и многие другие. Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследованиями, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами) ^{[9] [10] [11]} , электронными микроскопами^[12] , спектрометрами (например, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресцентными)^{[13] [14] [15]} , ультрамикротомами^[16] .

6. Интересные следствия

Манипулятор АСМ и СТМ позволяет при габаритах в несколько сантиметров передвигать иглу с разрешением лучше 0,1 Å. Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров.

Температурный коэффициент линейного расширения большинства материалов около 10 ⁻⁶ . При размерах манипулятора в несколько сантиметров изменение температуры на 0,01° приводит к перемещению иглы вследствие теплового дрейфа на 1 Å.

7. Производители АСМ в России и СНГ в алфавитном порядке

7.1. ООО «АИСТ-НТ»

ООО «АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году группой разработчиков, вышедших из ЗАО «Нанотехнология МДТ». Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов. ^[17] В настоящее время компания производит 2 уникальных прибора, а также аксессуары и расходные материалы для СЗМ.

7.2. ООО «Нано Скан Технология»

ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования. ^[18] В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирующих зондовых микроскопов исследовательского класса и 3 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ.

Филипас 1. Термодинамическое исследование скважин

... пласта для определения его параметров. Эти исследования также можно применять и для изучения газовых скважин. 1. Термодинамическое исследование скважин. Известно, что колебания температуры на земной ... геотерма. Термограмма - распределение температуры в работающей скважине имеет отклонения от геотермы, которые связаны с термодинамическими и гидродинамическими процессами, происходящими в продуктивном ...

7.3. «Микротестмашины», Беларусь

Компания, производящая оборудование для научных исследований, в том числе одну модель сканирующего зондового микроскопа. ^[19]

7.4. ЗАО «Нанотехнология МДТ»

ЗАО «Нанотехнология МДТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства. ^[20] В настоящее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тестовые образцы.

7.5. ООО НПП «Центр перспективных технологий»

ООО НПП «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения. ^[21] Является первой компанией, предложившей комплекс программного обеспечения для управления сканирующим зондовым микроскопом через Интернет.

Примечания

1. Описание принципа АСМ — www.ntmdt.ru/spm-principles/view/afm
2. ↑ ^{1 2} R. V. Lapshin (2004).

   «Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology — www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#feature2004» (PDF).

   Nanotechnology 15 (9): 1135-1151. DOI:10.1088/0957-4484/15/9/006 — dx.doi.org/10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN 0957-4484 — worldcat.org/issn/0957-4484.

3. ↑ ^{1 2} R. V. Lapshin (2007).

   «Automatic drift elimination in probe microscope images based on techniques of counter-scanning and topography feature recognition — www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#automatic2007» (PDF).

   Measurement Science and Technology 18 (3): 907-927. DOI:10.1088/0957-0233/18/3/046 — dx.doi.org/10.1088/0957-0233/18/3/046. ISSN 0957-0233 — worldcat.org/issn/0957-0233.

4. G. Schitter, M. J. Rost (2008).

   «Scanning probe microscopy at video-rate — www.materialstoday.com/view/2194/scanning-probe-microscopy-at-videorate/» (PDF).

   Materials Today (special issue): 40-48. DOI:10.1016/S1369-7021(09)70006-9 — dx.doi.org/10.1016/S1369-7021(09)70006-9. ISSN 1369-7021 — worldcat.org/issn/1369-7021.

5. R. V. Lapshin, O. V. Obyedkov (1993).
   14 стр., 6737 слов

   Топливно-энергетический комплекс

   ... предприятий энергетического комплекса» рассмотрены основы отраслевой экономики предприятий топливно-энергетического комплекса. 1. ЗНАЧЕНИЕ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В МИРОВОМ ХОЗЯЙСТВЕ Топливно-энергетический комплекс ... 80 % природного газа). 2. СОСТАВ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА, Топливно-энергетический комплекс Топливная промышленность-это комплексная базовая отрасль, основной ...

   «Fast-acting piezoactuator and digital feedback loop for scanning tunneling microscopes — www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#fast1993» (PDF).

   Review of Scientific Instruments 64 (10): 2883-2887. DOI:10.1063/1.1144377 — dx.doi.org/10.1063/1.1144377. ISSN 0034-6748 — worldcat.org/issn/0034-6748.

6. R. V. Lapshin (1995).

   «Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to the scanning tunneling microscope — www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995» (PDF).

   Review of Scientific Instruments 66 (9): 4718-4730. DOI:10.1063/1.1145314 — dx.doi.org/10.1063/1.1145314. ISSN 0034-6748 — worldcat.org/issn/0034-6748.

   (имеется перевод на русский — www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995).

7. Sugimoto Y. et al ., Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy, Nature 446 , 66 (2007) DOI:10.1038/nature05530 — dx.doi.org/10.1038/nature05530.
8. Свободное программное обеспечение для обработки СЗМ изображений — gwyddion.net
9. Комплекс для исследований в области биологии и материаловедения, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп — www.jpk.com/nanowizard-ii-bioafm.350.html
10. Комплекс для исследований на основе прямого или инвертированного микроскопа, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп — www.nanoscantech.com/ru/products/spm/spm-74.html
11. Комплекс для исследований в области биологии, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп — www.veeco.com/bioscope-catalyst-atomic-force-microscope/index.aspx
12. Комплекс для исследований совмещающий электронный и сканирующий зондовый микроскопы — www.omicron.de/index2.html ?/products/in_situ_spm_sem_sam_solutions/index.html ~Omicron
13. Комплекс на основе СЗМ, оптического микроскопа и спектрометра — www.jpk.com/tao-tm-module.372.html
14. Комплекс СЗМ с конфокальным рамановским и флюоресцентным спектрометром — www.aist-nt.ru/Продукция/omegascope™-СЗМ-с-конфокальным-рамановским-и/
15. Исследовательский комплекс совмещающий СЗМ, конфокальный лазерный микроскоп, рамановский и флюоресцентный спектрометры, оптический микроскоп — www.nanoscantech.com/ru/products/confocal/confocal-81.html
16. АСМ установленный в криоультрамикротом — www.nanoscantech.com/en/products/cryoafm/cryoafm-91.html
17. Официальный сайт ООО «АИСТ-НТ». — www.aist-nt.ru
18. Официальный сайт ООО «Нано Скан Технология». — www.nanoscantech.ru
19. Microtestmachines Co. ::: SPM NT-206 — microtm.com/nt206/nt206r.htm#feat
20. Официальный сайт ЗАО «Нанотехнология МДТ». — www.ntmdt.ru
21. Официальный сайт ООО НПП «Центр перспективных технологий». — www.nanoscopy.net

Растровый электронный микроскоп

... Ричард Торнли, изобретя новый детектор («детектор Эверхарта-Торнли»), ускорили развитие растрового электронного микроскопа. Этот детектор, крайне эффективный для сбора как вторичных, так и ... [9] . 3. Устройство Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (10 — 50 ...

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/atomno-silovoy-mikroskop/

• R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge Universtiy Press, Cambridge (1994)
• D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences, Oxford University Press, New York (1991)
• R. Dagani, Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March 2007, page 13. Published by American Chemical Society
• Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V. B. Elings, Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).

• V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning, Atomic Force Microscopy for Biologists. (Book) (December 1999) Imperial College Press.
• J. W. Cross SPM — Scanning Probe Microscopy Website — www.mobot.org/jwcross/spm/
• P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne, Nature Methods, 3, 5 (2006)
• F. Giessibl, Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 (3), 949—983 (2003).

• R. H. Eibl, V.T. Moy, Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439-50 (2005)
• P. M. Hoffmann, A. Oral, R. A. Grimble, H. Ö. Özer, S. Jeffery, J. B. Pethica, Proc. Royal Soc. A 457, 1161 (2001).

• Eibl RH, First measurement of physiologic VLA-4 activation by SDF-1 at the single-molecule level on a living cell. In: Advances in Single Molecule Research for Biology and Nanoscience. Hinterdorfer P, Schuetz G, Pohl P (Editors),Trauner, ISBN (2007).

• West P, Introduction to Atomic Force Microscopy: Theory, Practice and Applications — www.AFMUniversity.org
• Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) — microtm.narod.ru/art-spm/art-spm.htm // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89

Данный реферат составлен на основе .