1. Микроскопия (3-4) (Demo)

1. Раздел 1. Микроскопия высокого разрешения

2. Тема 3. Сканирующая зондовая микроскопия

3. Сканирующая зондовая микроскопия

Принцип действия сканирующего зондового микроскопа основан на взаимодействии
поверхности образца с зондом на крайне малом расстоянии. Возникающие силы
взаимодействия и проявление различных эффектов фиксируются с помощью очень
чувствительных сенсоров. Компаратор сравнивает текущий сигнал в цепи сенсора
с изначально заданным и вырабатывает корректирующий сигнал.
Цепь обратной связи
генератор развертки
управляет положением зонда
система
по вертикали. Генератор
~
перемещения
компьютер
зонда
развертки управляет
относительно
цепь обратобразца
ной связи
перемещением зонда
зонд
в горизонтальной плоскости.
сенсор
Компьютер управляет
монитор
процессом сканирования и
компаратор
получением изображения.
3

4. Сканирующая зондовая микроскопия

В зависимости от природы взаимодействия «зонд-образец»
различают следующие основные виды зондовой микроскопии:
Сканирующий
туннельный
микроскоп
регистрирует
туннельный ток
Сканирующий
силовой микроскоп
регистрирует
силовое
взаимодействие
Ближнепольный
оптический
микроскоп
регистрирует
электромагнитное
излучение
4

5. Сканирующая зондовая микроскопия

Главные преимущества:
• способна обеспечить атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума и
при отсутствии вибраций;
• способна изучать биологические объекты без их разрушения;
• может использоваться как инструмент для воздействия на атомы поверхности.
Основные сложности и недостатки :
конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами;
крайне высокие требования к механической, тепловой и вибрационной
стабильности микроскопа (на уровне лучше 0,1 ангстрема);
небольшой размер поля сканирования по сравнению с СЭМ;
ограничение на максимальный перепад высот исследуемой поверхности – 25
мкм.
5

6.

Сканирующий туннельный микроскоп
Острая металлическая игла (зонд) подводится к
образцу на расстояние, сравнимое с межатомным, т.е.
0,1–0,3 нм. При подаче на иглу небольшого потенциала
между остриём иглы и ближайшей точкой на
поверхности образца возникает туннельный ток.
Туннельный эффект — преодоление частицей
потенциального барьера, когда её полная энергия
меньше высоты барьера. В данном случае таким
барьером является зазор между зондом и
поверхностью образца. Туннельный эффект — явление
исключительно квантовой природы, запрещенное
классической механикой.
Величина туннельного тока экспоненциально зависит от величины зазора, что
обеспечивает высокую чувствительность метода. Регистрирующая система
фиксирует значение туннельного тока (при постоянной высоте зонда) либо
перемещения зонда по вертикали (за счёт работы цепи обратной связи). 6

7.

Сканирующий туннельный микроскоп
Ограничения на использование метода:
• материал должен обладать достаточной проводимостью;
• глубина исследуемой канавки должна быть меньше её ширины,
иначе может наблюдаться туннелирование с боковых
поверхностей;
• сложность безударного приближения иглы к образцу (даже
незначительный удар иглы о поверхность образца повредит её
чувствительность).
Атомная структура
поверхности кристалла
карбида кремния SiC
Одностенная углеродная нанотрубка
7

8.

Сканирующий атомно-силовой
микроскоп
Зондом служит наноразмерное остриё на конце упругой консоли
(кантилевера). При приближении зонда к образцу он сначала
притягивается к поверхности под действием сил Ван-дер-Ваальса,
а при дальнейшем уменьшении зазора до величины среднего
межатомного расстояния силы притяжения сменяются силами
отталкивания.
Наличие неровностей под остриём приводит к
изменению силы, действующей на зонд и изгибу
кантилевера. Изгиб кантилевера фиксируется с помощью
фотодиода, на который направляется отражённый
от внешней поверхности кантилевера луч лазера.
8

9.

Сканирующий атомно-силовой
микроскоп
Режимы работы АСМ:
1. Контактный. Регистрируются силы
отталкивания. Имеет наибольшую
помехоустойчивость, наибольшую скорость
сканирования и наилучшее качество
сканирования поверхностей с резкими
перепадами рельефа.
2. Бесконтактный (с зазором 5—15 нм).
Регистрируются силы притяжения.
Функционирует лишь в условиях вакуума, имеет
наименьшее разрешение и наименьшую
помехоустойчивость, поэтому используется
только при наличии опасности повреждения
зондом поверхности образца (например, для
исследования биообъектов).
3. Полуконтактный. Зонд вводится в состояние резонансных колебаний и
периодически касается поверхности, находясь попеременно в области
притяжения и в области отталкивания. Неровности сканируемого рельефа
вызывают изменение амплитуды колебаний, которое регистрируется сенсором.
9

10.

Сканирующий атомно-силовой
микроскоп
Наноструктура,
сформированная
атомами Cr на SiO2
подложке
Одиночные
полимерные цепи
Главные достоинства:
• позволяет анализировать
материалы, не
обладающие
проводимостью;
• позволяет изучать
биомакромолекулы и
живые клетки.
Ограничения на использование метода:
• результаты сканирования требуют профессиональной
математической обработки из-за наличия большого
количества искажений, вызванных тепловым дрейфом (изза медленной скорости сканирования ), а также действия
со стороны поверхности упругих сил и сил адгезии.
10

11. Ближнепольный оптический микроскоп

Зондом служит оптический волновод (оптоволокно), сужающийся на конце до
диаметра меньше длины волны падающего света, исходящего от лазера. Зонд
устанавливается на расстоянии от поверхности, также не превышающем длины
волны падающего света, и детектирует амплитуду и фазу отражённых волн света от
поверхности.
фотоприемник
оптический
волновод
световое поле
открытого конца
волновода
поверхность
Главные достоинства:
• исключается повреждение исследуемой
поверхности;
• метод перспективен при создании оптических
запоминающих устройств со сверхвысокой
плотностью записи.
Ограничения на использование метода:
• разрешение не превышает 10 нм.
11

12. Тема 4. Манипуляция атомами

13.

Манипуляция атомами
Сканирующая зондовая микроскопия может быть использована
как инструмент для воздействия на атомы поверхности материала.
Природа воздействия:
• межатомные силы между «последним» атомом иглы и атомом на поверхности,
• электростатические силы, действующие со стороны иглы на поверхность,
• токи высокой плотности.
Возможности воздействия:
• прицепить атом к игле (зонду),
• перемещать атомы по поверхности в нужное место,
• удалять атомы с поверхности ,
• осаждать дополнительные атомы с иглы.
Последовательность воздействия:
• осмотр поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа,
• выбор объекта для манипуляций,
• проведение манипуляций,
• осмотр поверхности с целью проверки результата.
13

14.

Квантовый загон
Квантовый загон — нанообъект,
представляющий собой двумерную фигуру
(окружность, эллипс, квадрат и т. д.),
образованную атомами адсорбата
на атомарно чистой поверхности кристалла
металла путём атомных манипуляций
с помощью сканирующей туннельной
микроскопии.
На рисунке показан процесс формирования
квантового загона в виде окружности
радиусом 7,1 нм, выстроенной из 48 атомов
железа на поверхности меди.
Круговые волны внутри загона — стоячие волны
электронной плотности
14

15.

Квантовый мираж
Квантовый мираж — эффект, возникающий
в случае, когда в один из фокусов квантового
загона эллиптической формы помещается
атом инородного металла, а в другом фокусе
эллипса сканирующий туннельный микроскоп
регистрирует его мнимое изображение.
При этом электронные свойства двумерного
электронного газа вблизи обоих фокусов
оказываются аналогичными,
хотя атом инородного металла присутствует
только в одном фокусе.
Квантовый загон эллиптической формы, сформированный атомами кобальта на
поверхности меди — атом кобальта помещён только в один из фокусов эллипса.
15