Русская Википедия:Сканирующий зондовый микроскоп
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, Шаблон:Lang-en) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 году, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. Отличительной особенностью СЗМ является наличие:
- зонда,
- системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
- регистрирующей системы.
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образца. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор.
Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:
- Сканирующий атомно-силовой микроскоп
- Сканирующий туннельный микроскоп
- Ближнепольный оптический микроскоп
Принцип работы
Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).
Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:
- Конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами.
- Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.
- Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.
- Создание прецизионной системы развёртки.
- Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.
Особенности работы
В настоящий момент в большинстве исследовательских лабораторий сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования в силу ряда физических и технических особенностей.
В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для работы с РЭМ необходим вакуум, в то время как большая часть режимов СЗМ предназначена для исследований на воздухе, в вакууме и жидкости. Благодаря этому, с помощью СЗМ возможно изучать материалы и биологические объекты в нормальных для этих объектов условиях. Например, изучение биомакромолекул и их взаимодействий, живых клеток. В принципе, СЗМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так, было показано, что СЗМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума при отсутствии вибраций. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом.
К недостатку СЗМ 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 СЗМ максимальный перепад высот составляет несколько микрометров, как правило, не более 25 мкм, а максимальное поле сканирования в лучшем случае — порядка 150×150 микрометров. Другая проблема заключается в том, что качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда или его повреждении приводит к появлению артефактов на получаемом изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает меньше времени, чем для РЭМ.
Обычный СЗМ не в состоянии сканировать поверхность так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения СЗМ-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 СЗМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом[1][2][3], что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия СЗМ 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. Однако, применение ВидеоАСМ ограничено, так как он работает только в контактном режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом высот. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько способов.[1][2][3]
Нелинейность, гистерезис[6] и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения СЗМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные СЗМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование[1][7]) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые СЗМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами, конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.
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]
Современное состояние и развитие сканирующей зондовой микроскопии
В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования СЗМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как 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 исследований, 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].
Производители СЗМ в России и СНГ в алфавитном порядке
АНО «Институт нанотехнологий МФК»
Институт нанотехнологий Международного фонда конверсии .[17] — российская некоммерческая научно-технническая компания, работающая в сфере создания нанотехнологического лабораторного оборудования с 1996 года. Среди выпускаемого в настоящее время оборудования — нанотехнологический комплекс «Умка» .[18] на базе сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), позволяющего исследовать как проводящие, так и слабопроводящие материалы. В комплекс также входит установка для заточки зондов СТМ[19].
ООО «АИСТ-НТ»
ООО «АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году группой разработчиков, вышедших из ЗАО «NT-MDT». Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов.[20]
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.[21] В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирующих зондовых микроскопов исследовательского класса и 4 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ. Научно-исследовательские комплексы, производимой этой компанией, включают в себя СЗМ, оптическое и спектральное оборудование для комплексных исследований свойств объектов изучения.
ООО «НТ-СПб»
ООО «НТ-СПб» — компания, созданная в Санкт-Петербурге на основе лаборатории Зондовой микроскопии Института аналитического приборостроения РАН и с 2003 года работает на рынке нанотехнологического оборудования и в настоящее время компания является резидентом Технопарка Университета ИТМО. Предложенный и произведенный в «НТ-СПб» учебный зондовый микроскоп завоевал большую популярность в России и за рубежом. Компания занимается производством сканирующих зондовых микроскопов, а также образовательной деятельностью в школах, ВУЗах и технопарках. В настоящее время компания предлагает:
- Учебно-образовательный комплекс NanoTutor.
- СЗМ модуль для оптического микроскопа MicProbe.
- СЗМ для электронного микроскопа ProBeam.
- Дополнительное оборудование и аксессуары для СЗМ.
«Микротестмашины», Белоруссия
Компания, производящая оборудование для научных исследований, в том числе одну модель сканирующего зондового микроскопа. [22]
ЗАО «NT-MDT»
ЗАО «NT-MDT» — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.[23] В настоящее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тестовые образцы.
«Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ФГБНУ ТИСНУМ), Россия
- Разработка и развитие новых подходов к измерению физико-механических свойств материалов на наномасштабах.
- Создание оригинальных измерительных методик и приборов.
- Производство сканирующих нанотвердомеров серии «НаноСкан», сочетающих возможности классических наноинденторов и сканирующих зондовых микроскопов, имеющих ряд дополнительных уникальных возможностей.
- Производство наноинденторов.
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.[24] Является первой компанией, предложившей комплекс программного обеспечения для управления сканирующим зондовым микроскопом через Интернет.
См. также
Примечания
Литература
- 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
- 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) // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89
Ссылки
- Информация с сайта нобелевского комитетаШаблон:Ref-en
- Архив статей по зондовой микроскопии
- Описание методик АСМ на сайте компании NT-MDT Шаблон:Wayback
- Scanning Probe Microscopy by John W. Cross
- Scanning Probe Microscopy at the Institute of Food Research
- Characterization in nanotechnology some pdfs
- Overview of STM/AFM/SNOM principles with educative Flash animations
- SPM Image Gallery — AFM STM SEM MFM NSOM and More
- How SPM Works
- SPM Scan Image Gallery
- SPM Glossary
- СЗМ галерея: сканы поверхности, коллажи, иллюстрации, обои
- Галерея СЗМ изображений
- СЗМ в работе, режим быстрого сканирования
Шаблон:Сканирующая зондовая микроскопия Шаблон:Нанотехнология
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Шаблон:Статья
- ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Статья
- ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья (имеется перевод на русский Шаблон:Wayback).
- ↑ Шаблон:Книга Шаблон:Wayback
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Комплекс для исследований, совмещающий электронный и сканирующий зондовый микроскопыШаблон:Недоступная ссылка
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Комплекс СЗМ с конфокальным рамановским и флюоресцентным спектрометромШаблон:Недоступная ссылка
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- Русская Википедия
- Страницы с неработающими файловыми ссылками
- Материаловедение
- Физика поверхности
- 1986 год в науке
- Сканирующий зондовый микроскоп
- Методы биологических исследований
- Методы молекулярной биологии
- Нанотехнология
- Приборостроение
- Оборудование для физических экспериментов
- Страницы, где используется шаблон "Навигационная таблица/Телепорт"
- Страницы с телепортом
- Википедия
- Статья из Википедии
- Статья из Русской Википедии
.svg){kind=link}
_cantilever_in_Scanning_Electron_Microscope,_magnification_1000x.GIF){kind=link}
