Scanning probe mikroskoper (SPM, eng. SPM - scanning probe microscope ) - en klasse af mikroskoper til at opnå et billede af overfladen og dens lokale karakteristika. Billeddannelsesprocessen er baseret på scanning af overfladen med en sonde . I det generelle tilfælde giver det mulighed for at opnå et tredimensionelt billede af overfladen (topografi) med høj opløsning. Scanning-probe-mikroskopet i sin moderne form blev opfundet (principperne for denne klasse af enheder blev lagt tidligere af andre forskere) af Gerd Karl Binnig og Heinrich Rohrer i 1981. For denne opfindelse blev de tildelt Nobelprisen i fysik i 1986 , som blev delt mellem dem og opfinderen af transmissionselektronmikroskopet , E. Ruska . Et karakteristisk træk ved SPM er tilstedeværelsen af:
Registreringssystemet fastsætter værdien af funktionen, der afhænger af probe-prøveafstanden. Typisk behandles den registrerede værdi af et negativt feedback-system, der styrer positionen af prøven eller sonden langs en af koordinaterne (Z). Det mest almindeligt anvendte feedbacksystem er PID-regulatoren .
Hovedtyper af scanning probe mikroskoper:
Betjeningen af et scanningsondemikroskop er baseret på prøveoverfladens interaktion med en sonde ( cantilever , nål eller optisk sonde). I en lille afstand mellem overfladen og sonden kan virkningen af interaktionskræfter (frastødning, tiltrækning og andre kræfter) og manifestationen af forskellige effekter (for eksempel elektrontunneling) registreres ved hjælp af moderne optageværktøjer. Til registrering anvendes forskellige typer sensorer, hvis følsomhed gør det muligt at detektere små forstyrrelser. For at opnå et fuldgyldigt rasterbillede bruges forskellige scanningsanordninger langs X- og Y-akserne (for eksempel piezorør, planparallelle scannere).
De vigtigste tekniske vanskeligheder ved at skabe et scanningsondemikroskop:
I de fleste forskningslaboratorier anvendes i øjeblikket scanningprobe og elektronmikroskopi som forskningsmetoder, der komplementerer hinanden på grund af en række fysiske og tekniske egenskaber.
Sammenlignet med et scanning elektronmikroskop (SEM) har et scanning probe mikroskop en række fordele. Så i modsætning til SEM, som giver et pseudo-tredimensionelt billede af prøveoverfladen, giver SPM dig mulighed for at få en ægte tredimensionel overfladetopografi. Derudover gør et scanningsprobemikroskop i det generelle tilfælde det muligt at få et billede af både en ledende og ikke-ledende overflade, mens det for at studere ikke-ledende objekter ved hjælp af SEM er nødvendigt at metallisere overfladen. SEM-drift kræver et vakuum, mens de fleste SPM-tilstande er beregnet til undersøgelser i luft, vakuum og væske. På grund af dette er det ved hjælp af SPM muligt at studere materialer og biologiske objekter under normale forhold for disse objekter. For eksempel studiet af biomakromolekyler og deres interaktioner, levende celler. I princippet er SPM i stand til at give en højere opløsning end SEM. Således blev det vist, at SPM er i stand til at give reel atomopløsning under ultrahøjt vakuumforhold i fravær af vibrationer. Opløsningen af et ultrahøjt vakuum SPM kan sammenlignes med et transmissionselektronmikroskop.
Ulempen ved SPM sammenlignet med SEM er også den lille størrelse af scanningsfeltet. SEM'en er i stand til at scanne et overfladeareal på få millimeter i sideplanet med en højdeforskel på få millimeter i det lodrette plan. For SPM'er er den maksimale højdeforskel adskillige mikrometer, normalt ikke mere end 25 mikrometer, og det maksimale scanningsfelt er i bedste fald omkring 150 × 150 mikrometer. Et andet problem er, at billedkvaliteten bestemmes af sondespidsens krumningsradius, hvilket, hvis sonden er forkert valgt eller beskadiget, fører til artefakter i det resulterende billede. Samtidig tager forberedelsen af prøver til SPM mindre tid end for SEM.
Konventionel SPM er ikke i stand til at scanne overfladen så hurtigt som SEM gør. Det tager fra flere minutter til flere timer at opnå et SPM-billede, mens en SEM efter udpumpning er i stand til at fungere i næsten realtid, dog med en relativt lav kvalitet. På grund af SPM'ens lave sweephastighed forvrænges de resulterende billeder af termisk drift [1] [2] [3] , hvilket reducerer nøjagtigheden af måling af elementerne i det scannede relief. For at øge hastigheden af SPM, er flere designs blevet foreslået [4] [5] , blandt hvilke man kan udpege et sondemikroskop kaldet video AFM. Video AFM giver en tilfredsstillende kvalitet af overfladebilleder ved en tv-scanningsfrekvens, som er endnu hurtigere end konventionel SEM. Brugen af VideoAFM er dog begrænset, da den kun virker i kontakttilstand og på prøver med en relativt lille højdeforskel. Adskillige metoder er blevet foreslået til at korrigere de forvrængninger, der indføres af termisk drift. [1] [2] [3]
Ikke-linearitet, hysterese [6] og krybning (krybning) af scanner-piezokeramikken er også årsagerne til stærke forvrængninger af SPM-billeder. Derudover opstår en del af forvrængningen på grund af gensidige parasitforbindelser, der virker mellem X, Y, Z-manipulatorerne på scanneren. For at korrigere forvrængninger i realtid bruger moderne SPM'er software (for eksempel funktionsorienteret scanning [1] [7] ) eller scannere udstyret med lukkede sporingssystemer, som inkluderer lineære positionssensorer. Nogle SPM'er bruger XY- og Z-elementer, som er mekanisk uforbundne med hinanden, i stedet for en piezotube-scanner, som gør det muligt at eliminere nogle af de parasitære forbindelser. Men i visse tilfælde, for eksempel, når det kombineres med et elektronmikroskop eller ultramikrotomer , er brugen af piezotube-scannere strukturelt berettiget.
Som regel er billedet taget på et scanningprobemikroskop svært at tyde på grund af de forvrængninger, der er forbundet med denne metode. Næsten altid udsættes resultaterne af den indledende scanning for matematisk behandling. Til dette bruges software, der leveres direkte med SPM. Der er også software distribueret under GNU -licensen. For eksempel, Gwyddion [8]
I øjeblikket har scanningsprobemikroskoper fundet anvendelse inden for næsten alle områder af videnskaben. I fysik, kemi, biologi bruges SPM som et forskningsværktøj. Især tværfaglige videnskaber såsom materialevidenskab , biokemi , farmaceutiske produkter , nanoteknologi , overfladefysik og kemi, elektrokemi , korrosionsforskning , elektronik (såsom MEMS ), fotokemi og mange andre. En lovende retning er kombinationen af scanningsprobemikroskoper med andre traditionelle og moderne forskningsmetoder, samt skabelsen af fundamentalt nye enheder. For eksempel at kombinere SPM med optiske mikroskoper (traditionelle og konfokale mikroskoper ) [9] [10] [11] , elektronmikroskoper [12] , spektrometre (for eksempel Raman (Raman) spredningsspektrometre og fluorescens ) [13] [14] [15] , ultramikrotomer [16] .
Nanoteknologisk Institut for International Conversion Fund. [17] er en russisk non-profit videnskabelig og teknisk virksomhed, der har arbejdet med at skabe nanoteknologisk laboratorieudstyr siden 1996. Blandt det udstyr, der i øjeblikket produceres, er Umka nanoteknologiske kompleks. [18] baseret på et scanning tunneling microscope (STM), som gør det muligt at studere både ledende og svagt ledende materialer. Komplekset omfatter også en installation til slibning af STM-sonder [19] .
AIST-NT LLC er et russisk firma etableret i Zelenograd i 2007 af en gruppe udviklere, der forlod NT-MDT CJSC. Engageret i produktion af scanning probe mikroskoper. [20] Virksomheden fremstiller i øjeblikket 2 unikke instrument, samt tilbehør og forbrugsstoffer til SPM.
Nano Scan Technology LLC er et firma grundlagt i Dolgoprudny i 2007. Det har specialiseret sig i udvikling og produktion af scanning probe mikroskoper og komplekser baseret på dem til videnskabelig forskning og uddannelse. [21] På nuværende tidspunkt har virksomheden udviklet og fremstiller 2 modeller af forskningsklasse scanning probe mikroskoper og 4 forskningskomplekser baseret på SPM. Forskningskomplekser produceret af denne virksomhed omfatter SPM, optisk og spektralt udstyr til komplekse undersøgelser af egenskaberne ved undersøgelsesobjekter.
NT-SPb LLC er en virksomhed etableret i St. Petersborg på basis af Probe Microscopy Laboratory fra Institute of Analytical Instrumentation ved det russiske videnskabsakademi og har siden 2003 været opereret på markedet for nanoteknologisk udstyr og er i øjeblikket bosat i ITMO Universitys Technopark . Det pædagogiske probemikroskop, der er foreslået og produceret af NT-SPb, har vundet stor popularitet i Rusland og i udlandet. Virksomheden beskæftiger sig med produktion af scanningsprobemikroskoper samt uddannelsesaktiviteter i skoler, universiteter og teknologiparker. Virksomheden tilbyder i øjeblikket:
En virksomhed, der fremstiller videnskabeligt forskningsudstyr, herunder en model af et scanningsondemikroskop. [22]
NT-MDT CJSC er en russisk virksomhed etableret i Zelenograd i 1989. Engageret i produktion af scanning probe mikroskoper til uddannelse, videnskabelig forskning og småskala produktion. [23] I øjeblikket producerer virksomheden 4 modelserier samt en bred vifte af tilbehør og forbrugsmaterialer: cantilevers , kalibreringsriste, testprøver.
LLC NPP " Center for Advanced Technologies " er en russisk virksomhed, der opererer inden for nanoteknologi. Oprettet i 1990. Specialiseret i produktion af FemtoScan scanning probe mikroskoper, atomvægte og tilbehør, samt softwareudvikling. [24] Det er det første firma, der tilbyder en softwarepakke til styring af et scanningsondemikroskop via internettet.
| Scanning probe mikroskopi | ||
|---|---|---|
| Hovedtyper af mikroskoper | ||
| Andre metoder |
| |
| Enheder og materialer | ||
| se også | ||
| Nanoteknologi | |
|---|---|
| Beslægtede videnskaber | |
| Personligheder | |
| Vilkår | Nanopartikel |
| Teknologi | |
| Andet |
|