* MICROSCOPE Satirický časopis. Byl publikován v Novo-Nikolaevsku (nyní Novosibirsk) v roce 1922 (Zdroj: „Sibiřská sovětská encyklopedie“, sv. I, str.

Mikroskop Mikroskop je optické zařízení určené k získání zvětšených obrazů jakýchkoli předmětů nebo detailů struktury těchto objektů, které nejsou viditelné pouhým okem. Obecně je mikroskop systém skládající se ze dvou čoček, ale

Rentgenový mikroskop Rentgenový mikroskop je zařízení, které pomocí rentgenového záření zkoumá mikroskopickou strukturu a strukturu předmětu. Rentgenový mikroskop má vyšší limit rozlišení než světelný mikroskop, protože

Iontový mikroskop Iontový mikroskop je zařízení, které pomocí paprsku iontů získává obrazy ze zdroje s plynovým výbojem nebo z termoiontu. V zásadě je iontový mikroskop podobný elektronovému mikroskopu. Průchod objektem a

Mikroskop Mikroskop je optické zařízení, které vám umožňuje získat obrazy předmětů, které jsou pro ozbrojené oko neviditelné. Slouží k pozorování mikroorganismů, buněk, krystalů, slitinových struktur s přesností 0,20 mikronu. Toto rozlišení mikroskopu je nejmenší

Kdo vynalezl mikroskop? Slovo „mikroskop“ je řeckého původu: první část znamená „malý“, druhá - „pozorovatel“. „Mikroskop“ je tedy pozorovatelem něčeho velmi malého. Je to nástroj používaný ke zkoumání drobných předmětů, ne

7. Aplikace mikroskopu skenovací sondy pro studium biologických objektů

7. Aplikace mikroskopu skenovací sondy pro studium biologických objektů 1

7.1. Cíle práce 2

7.2. Informace pro trenéra 3

7.4. Pokyny 31

7.5. Bezpečnost 32

7.6. Úkol 32

7.7. Kontrolní otázky 32

7.8. Literatura 32

Laboratorní práce byla vyvinuta Nižním Novgorodem Státní univerzita jim. N.I. Lobačevskij

7.1 Cíle práce

Studium morfologických parametrů biologických struktur je pro biology důležitým úkolem, protože velikost a tvar některých struktur do značné míry určuje jejich fyziologické vlastnosti. Porovnáním morfologických dat s funkčními charakteristikami je možné získat úplné informace o účasti živých buněk na udržení fyziologické rovnováhy lidského nebo zvířecího organismu.

Dříve měli biologové a lékaři možnost studovat své přípravky pouze pomocí optických a elektronových mikroskopů. Tyto studie poskytly určitý obraz o morfologii buněk fixovaných, obarvených a s tenkými kovovými povlaky získanými postřikem. Nebylo možné studovat morfologii živých předmětů, její změny pod vlivem různých faktorů, ale bylo to velmi lákavé.

Mikroskopie skenovací sondy (SPM) otevřela nové možnosti ve studiu buněk, bakterií, biologických molekul, DNA za podmínek co nejblíže nativním. SPM vám umožňuje studovat biologické objekty bez speciálních fixačních prostředků a barviv, na vzduchu nebo dokonce v kapalném médiu.

V současné době se SPM používá v celé řadě oborů, a to jak v základním vědeckém výzkumu, tak v aplikovaném high-tech vývoji. Mnoho výzkumných ústavů v zemi je vybaveno sondovým mikroskopickým zařízením. V tomto ohledu poptávka po vysoce kvalifikovaných odbornících neustále roste. K jeho uspokojení vyvinul NT-MDT (Zelenograd, Rusko) specializovanou vzdělávací a vědeckou laboratoř pro mikroskopii skenovací sondy NanoEducator.

SPM NanoEducator speciálně navržené pro laboratorní práce studentů. Toto zařízení je zaměřeno na studentské publikum: je plně řízeno počítačem, má jednoduché a intuitivní rozhraní, podporu animací, předpokládá postupné zvládnutí technik, absenci složitých nastavení a levný spotřební materiál.

V tomhle laboratorní práce Dozvíte se o mikroskopii skenovací sondy, seznámíte se s jejími základy, nastudujete design a principy fungování výuky SPM NanoEducator, naučte se připravovat biologické přípravky pro výzkum, získejte svůj první SPM snímek komplexu bakterií mléčného kvašení a naučte se základy zpracování a prezentace výsledků měření.

7.2 Informace pro trenéra 1

Laboratorní práce se provádějí v několika fázích:

1. Přípravu vzorku provádí každý student individuálně.

2. Získání prvního obrázku se provádí na jednom zařízení pod dohledem učitele, poté každý student svůj vzorek prozkoumá samostatně.

3. Zpracování experimentálních dat každým studentem probíhá individuálně.

Ukázka pro výzkum: bakterie mléčného kvašení na krycím skluzu.

Před zahájením práce je nutné vybrat sondu s nejcharakterističtější charakteristikou amplitudové frekvence (jediné symetrické maximum), abychom získali obraz povrchu studovaného vzorku.

Laboratorní zpráva by měla obsahovat:

1. teoretická část (odpovědi na kontrolní otázky).

2. výsledky experimentální části (popis provedených studií, získané výsledky a vyvozené závěry).

1. Metody studia morfologie biologických objektů.

2. Mikroskop skenovací sondy:

Návrh SPM;

Odrůdy SPM: STM, ASM;

Datový formát SPM, vizualizace dat SPM.

3. Příprava vzorků pro studie SPM:

morfologie a struktura bakteriálních buněk;

příprava přípravků ke studiu morfologie pomocí SPM.

4. Seznámení s návrhem a ovládacím programem SPM NanoEducator.

5. Získání obrazu SPM.

6. Zpracování a analýza získaných obrázků. Kvantitativní charakterizace obrázků SPM.

Metody studia morfologie biologických objektů

Charakteristický průměr buněk je 10 × 20 µm, bakterie od 0,5 do 3 5 µm, tyto hodnoty jsou 5krát menší než nejmenší částice viditelné pouhým okem. První studie buněk byla proto možná až po objevení optických mikroskopů. Na konci 17. století. Antonio van Leeuwenhoek vyrobil první optický mikroskop, předtím lidé ani neměli podezření na existenci patogenních mikrobů a bakterií [viz. 7 -1].

Optická mikroskopie

Obtíže při studiu buněk jsou spojeny s tím, že jsou bezbarvé a průhledné, takže k objevu jejich základních struktur došlo až po zavedení barviv do praxe. Barviva poskytovala dostatečný kontrast obrazu. Pomocí optického mikroskopu lze rozlišit objekty, které jsou od sebe odděleny 0,2 µm, tj. nejmenší objekty, které lze ještě rozlišit pod optickým mikroskopem, jsou bakterie a mitochondrie. Obrázky menších buněčných prvků jsou zkresleny efekty způsobenými vlnovou povahou světla.

Pro přípravu dlouhotrvajících přípravků jsou buňky ošetřeny fixačním činidlem za účelem jejich imobilizace a uchování. Navíc fixace zvyšuje dostupnost barviv pro buňky, protože makromolekuly buněk drží pohromadě pomocí příčných vazeb, které je stabilizují a fixují v určité poloze. Jako fixační prostředky nejčastěji působí aldehydy a alkoholy (například glutaraldehyd nebo formaldehyd tvoří kovalentní vazby s volnými aminoskupinami proteinů a zesíťují sousední molekuly). Po fixaci se tkáně obvykle rozřežou na velmi tenké části (o tloušťce 1 až 10 μm) pomocí mikrotomu, které se poté umístí na skleněné podložní sklíčko. Tento způsob přípravy může poškodit strukturu buněk nebo makromolekul, proto je upřednostňováno rychlé zmrazení. Zmrazená tkáň je rozřezána mikrotomem instalovaným ve studené komoře. Po přípravě řezů se buňky obarví. K tomuto účelu se používají hlavně organická barviva (malachitová zeleň, súdánská černá atd.). Každý z nich se vyznačuje určitou afinitou k buněčným složkám, například hematoxylin má afinitu k negativně nabitým molekulám, proto umožňuje detekci DNA v buňkách. Pokud je určitá molekula přítomna v buňce v nevýznamném množství, pak je nejvhodnější použít fluorescenční mikroskopii.

Fluorescenční mikroskopie

Fluorescenční barviva absorbují světlo na jedné vlnové délce a vyzařují světlo na jiné, delší vlnové délce. Pokud je taková látka ozářena světlem, jehož vlnová délka odpovídá vlnovou délku světla absorbovaného barvivem, a poté se pro analýzu použije filtr, který přenáší světlo o vlnové délce odpovídající světlu emitovanému barvivem, fluorescenční molekulu lze detekovat pomocí zářící v temném poli. Vysoká intenzita vyzařovaného světla je charakteristickým znakem takových molekul. Použití fluorescenčních barviv k barvení buněk zahrnuje použití speciálního fluorescenčního mikroskopu, který je podobný konvenčnímu optickému mikroskopu, ale světlo z výkonného iluminátoru prochází dvěma sadami filtrů - jedním blokuje část světla z iluminátoru před vzorek a druhý pro filtrování světla přijatého ze vzorku. První filtr je vybrán tak, aby propouštěl pouze světlo o vlnové délce, která excituje určité fluorescenční barvivo; druhý filtr současně blokuje toto dopadající světlo a při fluorescenci přenáší světlo o vlnové délce emitované barvivem.

Fluorescenční mikroskopie se často používá k identifikaci specifických proteinů nebo jiných molekul, které se stanou fluorescenčními po kovalentním navázání na fluorescenční barviva. K tomuto účelu se obvykle používají dvě barviva - fluorescein, který po excitaci světle modrým světlem poskytuje intenzivní žlutozelenou fluorescenci a rhodamin, způsobující tmavě červenou fluorescenci po excitaci žlutozeleným světlem. Použitím fluoresceinu i rhodaminu k barvení lze získat distribuci různých molekul.

Mikroskopie tmavého pole

Nejjednodušší způsob, jak vidět detaily buněčné struktury, je pozorovat světlo rozptýlené různými složkami buňky. V mikroskopu s tmavým polem paprsky z iluminátoru směřují ze strany a do objektivu mikroskopu vstupují pouze rozptýlené paprsky. Cela tedy vypadá jako osvětlený objekt v tmavém poli. Jednou z hlavních výhod mikroskopie v tmavém poli je schopnost pozorovat pohyb buněk během dělení a migrace. Buněčné pohyby jsou obvykle velmi pomalé a je obtížné je pozorovat v reálném čase. V tomto případě se používá mikrokino po snímku (časosběrné) nebo nahrávání videa. Po sobě jdoucí snímky jsou v čase odděleny, ale při přehrávání záznamu normální rychlostí se obraz skutečných událostí zrychlí.

V posledních letech videokamery a související technologie zpracování obrazu významně zvýšily možnosti optické mikroskopie. Díky jejich aplikaci bylo možné překonat obtíže způsobené zvláštnostmi fyziologie člověka. Skládají se z následujícího:

1. Za normálních podmínek oko neregistruje příliš slabé světlo.

2. Oko není schopno detekovat malé rozdíly v intenzitě světla na jasném pozadí.

První z těchto problémů byl překonán připojením videokamer s ultra vysokou citlivostí k mikroskopu. To umožnilo dlouhou dobu pozorovat buňky při slabém osvětlení, s výjimkou dlouhodobého vystavení jasnému světlu. Zobrazovací systémy jsou zvláště důležité pro studium fluorescenčních molekul v živých buňkách. Protože obraz je vytvořen videokamerou ve formě elektronické signály, lze jej vhodně převést na číselné signály, odeslat do počítače a poté podrobit dalšímu zpracování k extrahování skrytých informací.

Vysoký kontrast dosažený počítačovou interferenční mikroskopií umožňuje pozorovat i velmi malé objekty, například jednotlivé mikrotubuly, jejichž průměr je menší než jedna desetina vlnové délky světla (0,025 μm). Jednotlivé mikrotubuly lze také vidět pomocí fluorescenční mikroskopie. V obou případech jsou však nevyhnutelné difrakční efekty, které výrazně mění obraz. V tomto případě je průměr mikrotubulů nadhodnocen (0,2 μm), což znemožňuje rozlišit jednotlivé mikrotubuly od svazku několika mikrotubulů. K vyřešení tohoto problému je zapotřebí elektronový mikroskop, jehož hranice rozlišení je posunuta daleko za vlnovou délku viditelného světla.

Elektronová mikroskopie

Vztah mezi vlnovou délkou a limitem rozlišení je zachován i pro elektrony. U elektronového mikroskopu je však limit rozlišení výrazně nižší než limit difrakce. Vlnová délka elektronu klesá se zvyšováním jeho rychlosti. V elektronovém mikroskopu s napětím 100 000 V je vlnová délka elektronu 0,004 nm. Podle teorie je rozlišení takového mikroskopu v mezích 0,002 nm. Ve skutečnosti je však vzhledem k malé hodnotě numerických otvorů elektronických čoček rozlišení moderních elektronových mikroskopů přinejlepším 0,1 nm. Obtíže při přípravě vzorku, jeho poškození zářením, výrazně snižují normální rozlišení, které je u biologických objektů 2 nm (asi 100krát vyšší než u světelného mikroskopu).

Zdroj elektronů v transmisní elektronový mikroskop (TEM) je katodové vlákno umístěné v horní části válcového sloupu vysokého asi dva metry. Aby se zabránilo rozptylu elektronů při srážce s molekulami vzduchu, je ve sloupci vytvořeno vakuum. Elektrony emitované z katodového vlákna jsou urychlovány nejbližší anodou a pronikají malou dírou, čímž vytvářejí elektronový paprsek, který prochází nižší část sloupce. Podél sloupu jsou v určité vzdálenosti prstencové magnety, které zaostřují elektronový paprsek, jako skleněné čočky, které zaostřují světelný paprsek v optickém mikroskopu. Vzorek se umístí vzduchovým zámkem do kolony v dráze elektronového paprsku. Část elektronů v okamžiku průchodu vzorkem je rozptýlena v souladu s hustotou látky v této oblasti, zbývající část elektronů je zaostřena a vytváří obraz (podobný tvorbě obrazu v optickém mikroskopu) na fotografický talíř nebo na fosforeskující obrazovku.

Jednou z největších nevýhod elektronové mikroskopie je, že biologické vzorky je třeba zpracovávat zvláštním způsobem. Nejprve jsou nejprve fixovány glutaraldehydem a poté kyselinou osmovou, která váže a stabilizuje dvojitou vrstvu lipidů a proteinů. Za druhé, elektrony mají nízkou penetrační schopnost, takže musíte vytvářet ultratenké řezy, a proto jsou vzorky dehydratovány a impregnovány pryskyřicemi. Za třetí, ke zvýšení kontrastu jsou vzorky ošetřeny solemi těžkých kovů, jako je osmium, uran a olovo.

Chcete-li získat trojrozměrný obraz povrchu, použijte rastrovací elektronový mikroskop (SEM) kde jsou použity elektrony rozptýlené nebo emitované z povrchu vzorku. Ukázka v tento případ fixovány, vysušeny a pokryty tenkou vrstvou těžkých kovů a poté naskenovány úzkým elektronovým paprskem. V tomto případě se odhaduje počet elektronů rozptýlených při ozáření povrchu. Získaná hodnota se používá k ovládání intenzity synchronního pohybu druhého paprsku s prvním a vytváření obrazu na obrazovce monitoru. Rozlišení metody je asi 10 nm a není použitelné pro studium intracelulárních organel. Tloušťka vzorků studovaných touto metodou je dána penetrační schopností elektronů nebo jejich energií.

Hlavní a významné nevýhody všech těchto metod jsou doba trvání, složitost a vysoká cena příprava vzorků.

Mikroskopie skenovací sondy

V mikroskopu skenovací sondy (SPM) se místo elektronového paprsku nebo optického záření používá špičatá sonda, jehla, snímající povrch vzorku. Obrazně řečeno můžeme říci, že pokud je vzorek zkoumán optickým nebo elektronovým mikroskopem, pak v SPM je cítit. V důsledku toho je možné získat trojrozměrné obrazy předmětů v různých médiích: vakuum, vzduch, kapalina.

Speciální konstrukce SPM, přizpůsobená pro biologický výzkum, umožňuje současně s optickým pozorováním skenovat jak živé buňky v různých kapalných médiích, tak fixované přípravky ve vzduchu.

Mikroskop skenovací sondy

Název mikroskopu skenovací sondy odráží princip jeho fungování-skenování povrchu vzorku, při kterém je míra interakce sondy s povrchem bod-bod. Lze nastavit velikost skenované oblasti a počet bodů v ní N X N Y. Čím více bodů je nastaveno, tím vyšší je povrchový obraz. Vzdálenost mezi body, kde je signál čten, se nazývá krok skenování. Krok skenování by měl být menší než zkoumané detaily povrchu. Pohyb sondy během skenování (viz obr. 7-1) se provádí lineárně ve směru dopředu a dozadu (ve směru rychlého skenování), přechod na další řádek se provádí v kolmém směru (v směr pomalého skenování).

Rýže. 7 1. Schematický diagram procesu skenování
(čtení signálu se provádí na dopředném průběhu skeneru)

V závislosti na povaze odečítaného signálu mají skenovací mikroskopy různá jména a účely:

mikroskop atomové síly (AFM), síly interatomové interakce mezi atomy sondy a atomy vzorku se čtou;

tunelový mikroskop (STM), čte tunelovací proud procházející mezi vodivým vzorkem a vodivou sondou;

mikroskop s magnetickou silou (MFM), čte síly interakce mezi sondou, pokrytou magnetickým materiálem a detekuje magnetické vlastnosti vzorku;

mikroskop s elektrostatickou silou (EFM) umožňuje získat obraz o rozložení elektrického potenciálu na povrchu vzorku. Používají se sondy, jejichž hrot je pokryt tenkou vodivou fólií (zlatou nebo platinovou).

SPM design

SPM se skládá z následujících hlavních komponent (obr. 7-2): sonda, piezoelektrické pohony pro pohyb sondy podél X, Y, Z nad povrchem zkoumaného vzorku, obvod zpětná vazba a počítač pro řízení procesu skenování a získávání obrazu.

Obr. 7 2. Schéma mikroskopu rastrovací sondy

Čidlo sondy - součást mikroskopu výkonové sondy, která provádí skenování vzorku. Sonda obsahuje konzolu (pružinová konzola) obdélníkového (ve tvaru I) nebo trojúhelníkového (ve tvaru V) typů (obr. 7 -3), na jejímž konci je špičatá sonda (obr. 7 -3), který má obvykle kuželovitý nebo pyramidový tvar ... Druhý konec konzoly je spojen se substrátem (takzvaný čip). Snímače sondy jsou vyrobeny z křemíku nebo nitridu křemíku. Hlavní charakteristikou konzoly je silová konstanta (konstanta tuhosti), která se pohybuje od 0,01 N / m do 1020 N / m. Ke studiu biologických předmětů se používají „měkké“ sondy s tvrdostí 0,01 × 0,06 N / m.

Rýže. 7 3. Obrázky pyramidových senzorů sondy AFM
získané elektronovým mikroskopem:
a - typ ve tvaru I, b - typ ve tvaru V, c - pyramida na špičce konzoly

Piezoelektrické ovladače nebo skenery - pro kontrolovaný pohyb sondy nad vzorkem nebo samotným vzorkem vzhledem k sondě na ultra krátkých vzdálenostech. Piezoelektrické pohony používají piezokeramické materiály, které mění své rozměry, když je na ně aplikováno elektrické napětí. Proces změny geometrických parametrů působením elektrického pole se nazývá inverzní piezoelektrický efekt. Nejběžnějším piezo materiálem je titaničitan zirkoničitý olovnatý.

Skener je piezokeramická konstrukce, která umožňuje pohyb po třech souřadnicích: x, y (v laterální rovině vzorku) a z (vertikálně). Existuje několik typů skenerů, z nichž nejběžnější jsou stativové a trubkové (obr. 7-4).

Rýže. 7 4. Návrhy skenerů: a) - stativ, b) - trubkový

Ve stativovém skeneru zajišťují pohyby po třech souřadnicích tři nezávislé piezokeramické tyče, které tvoří ortogonální strukturu.

V trubicovém skeneru se dutá piezoelektrická trubka ohýbá v rovinách XZ a ZY a prodlužuje nebo smršťuje se podél osy Z, když je na elektrody, které řídí pohyby trubice, aplikováno příslušné napětí. Elektrody pro řízení pohybu v rovině XY jsou umístěny na vnějším povrchu trubice, pro ovládání pohybu v Z jsou na elektrody X a Y přiváděna stejná napětí.

Smyčka zpětné vazby - sada prvků SPM, pomocí kterých je sonda během skenování držena v pevné vzdálenosti od povrchu vzorku (obr. 7 -5). V průběhu skenování může být sonda umístěna na oblastech povrchu vzorku s různými reliéfy, přičemž vzdálenost Z sondy-vzorku se změní a podle toho se změní i hodnota interakce sondy se vzorkem.

Rýže. 7 5. Diagram zpětné vazby mikroskopu skenovací sondy

Jak se sonda přibližuje k povrchu, interakční síly sondy a vzorku se zvyšují a zvyšuje se také signál záznamového zařízení. PROTI(t), který vyjádřeno v jednotkách napětí. Komparátor porovnává signál PROTI(t) s referenčním napětím PROTI vedlejší a generuje korekční signál PROTI korespondent... Korekční signál PROTI korespondent se zavede do skeneru a sonda se vytáhne ze vzorku. Referenční napětí - napětí odpovídající signálu záznamového zařízení, když je sonda v dané vzdálenosti od vzorku. Systém zpětné vazby udržuje během skenování tuto předem stanovenou vzdálenost sondy a vzorku a udržuje předem určenou sílu interakce sondy a vzorku.

Rýže. 7 6. Dráha relativního pohybu sondy v procesu udržování konstantní síly interakce sondy a vzorku zpětnovazebním systémem

Na obr. 7-6 ukazují trajektorii sondy vzhledem ke vzorku při zachování konstantní interakční síly mezi sondou a vzorkem. Pokud je sonda nad jámou, je na skener přivedeno napětí, které skener prodlužuje a sondu spouští.

Rychlost odezvy zpětnovazební smyčky na změnu vzdálenosti sondy-vzorku (interakce sondy-vzorku) je určena konstantou smyčky zpětné vazby K... Hodnoty K závisí na konstrukčních vlastnostech konkrétního SPM (design a vlastnosti skeneru, elektroniky), provozním režimu SPM (velikost skenovací oblasti, rychlost skenování atd.), jakož i na vlastnostech zkoumaného povrchu (měřítko) reliéfních rysů, tvrdosti materiálu atd.).

Odrůdy SPM

Skenovací tunelový mikroskop

V STM měří záznamové zařízení (obr. 7-7) tunelový proud procházející mezi kovovou sondou, který se mění v závislosti na potenciálu na povrchu vzorku a na topografii jeho povrchu. Sonda je ostře nabroušená jehla, jejíž poloměr zakřivení hrotu může dosáhnout několika nanometrů. Materiály pro sondu jsou obvykle kovy s vysokou tvrdostí a chemickou odolností: wolfram nebo platina.

Rýže. 7 7. Schéma tunelové sondy

Mezi vodivou sondou a vodivým vzorkem je přivedeno napětí. Když je konec sondy ve vzdálenosti asi 10 A od vzorku, elektrony ze vzorku začnou tunelovat mezerou do sondy nebo naopak, v závislosti na znaménku napětí (obr. 7-8).

Rýže. 7 8. Schematické znázornění interakce hrotu sondy se vzorkem

Výsledný tunelovací proud je měřen záznamovým zařízením. Jeho velikost Já Túměrné napětí přiváděnému na kontakt tunelu PROTI a exponenciálně závisí na vzdálenosti od jehly ke vzorku d.

Malé změny ve vzdálenosti od špičky sondy ke vzorku d odpovídají exponenciálně velkým změnám v tunelovacím proudu Já T(Předpokládá se, že napětí PROTI udržováno konstantní). Z tohoto důvodu je citlivost tunelové sondy dostačující k tomu, aby zaregistrovala změny výšky menší než 0,1 nm, a proto k získání obrazu atomů na povrchu pevné látky.

Mikroskop pro atomovou sílu

Nejběžnějším snímačem sondy pro interakci atomové síly je pružinová konzola (z anglického cantilever - konzole) se sondou umístěnou na jejím konci. Velikost ohybu konzoly vyplývající ze silové interakce mezi vzorkem a sondou (obr. 7-9) se měří pomocí schématu optické registrace.

Princip činnosti silového senzoru je založen na využití atomových sil působících mezi atomy sondy a atomy vzorku. Když se změní síla vzorku sondy, změní se velikost ohybu konzoly a taková změna se měří optickým registračním systémem. Čidlo atomové síly je tedy špičatou sondou s vysokou citlivostí, která umožňuje registrovat síly interakce mezi jednotlivými atomy.

Při malých ohybech poměr mezi silou sondy a vzorku F a vychýlení špičky konzoly X je určeno Hookeovým zákonem:

kde k - silová konstanta (konstanta tuhosti) konzoly.

Například pokud je konzola použita s konstantou křádově 1 n / m, pak při působení interakční síly sondy a vzorku řádově 0,1 nanonewtonu bude průhyb konzoly přibližně 0,1 nm.

K měření takto malých posunů se obvykle používá snímač optického posunu (obr. 7-9), skládající se z polovodičového laseru a čtyřdílné fotodiody. Když je konzola ohnuta, odražený laserový paprsek je posunut vzhledem ke středu fotodetektoru. Ohyb konzoly lze tedy určit relativní změnou osvětlení horní (T) a dolní (B) poloviny fotodetektoru.

Obr. 7 9. Schéma snímače síly

Závislost interakčních sil sondy na vzorku na vzdálenosti sondy a vzorku

Když se sonda přiblíží ke vzorku, je nejprve přitahována k povrchu díky přítomnosti přitažlivých sil (van der Waalsovy síly). Jak se sonda blíží ke vzorku dále, elektronové obaly atomů na konci sondy a atomů na povrchu vzorku se začínají překrývat, což vede ke vzniku odpudivé síly. Jak vzdálenost dále klesá, odpudivá síla se stává dominantní.

PROTI obecný pohled závislost interatomické síly F ze vzdálenosti mezi atomy R. vypadá jako:

.

Konstanty A a b a exponentů m a n závisí na typu atomů a typu chemických vazeb. Pro van der Waalsovy síly m= 7 a n = 3... Závislost F (R) je kvalitativně znázorněna na obr. 7-10.

Rýže. 7 10 Závislost interakční síly mezi atomy na vzdálenosti

Datový formát SPM, vizualizace dat SPM

Data o morfologii povrchu, získaná vyšetřením optickým mikroskopem, jsou prezentována ve formě zvětšeného obrazu povrchové plochy. Informace získané pomocí SPM jsou zapsány ve formě dvourozměrného pole celých čísel A ij. Každá hodnota ij odpovídá konkrétnímu bodu na povrchu ve skenovacím poli. Grafické zobrazení této řady čísel se nazývá naskenovaný obrázek SPM.

Naskenované obrázky mohou být buď dvourozměrné (2D) nebo trojrozměrné (3D). Při 2D vizualizaci každý bod povrchu Z = F(x, y) je určitý barevný tón přizpůsoben výšce povrchového bodu (obr. 7 -11 a). Při 3D vizualizaci obraz povrchu Z = F(x, y) je konstruován v axonometrické perspektivě pomocí speciálně vypočítaných pixelů nebo reliéfních čar. Většina efektivní způsob Zbarvení 3D obrazů je modelování podmínek osvětlení povrchu bodovým zdrojem umístěným v určitém bodě prostoru nad povrchem (obr. 7 -11 b). Současně je možné zdůraznit jednotlivé drobné rysy reliéfu.

Rýže. 7 11. Lidské krevní lymfocyty:
a) 2D obraz, b) 3D obraz s bočním osvětlením

Příprava vzorků pro výzkum SPM

Morfologie a struktura bakteriálních buněk

Bakterie jsou jednobuněčné mikroorganismy s různým tvarem a složitou strukturou, která určuje rozmanitost jejich funkčních aktivit. Bakterie se vyznačují čtyřmi hlavními formami: sférické (sférické), válcovité (ve tvaru tyče), zvlněné a vláknité [viz. 7 -2].

Cocchi (sférické bakterie) - v závislosti na rovině dělení a umístění jednotlivých jedinců se dělí na mikrokoky (samostatně ležící koky), diplokoky (párové koky), streptokoky (řetězce koků), stafylokoky (vypadají jako hroznové hrozny), tetrakoky (formace čtyř koků) a sarciny (balení po 8 nebo 16 kokech).

Ve tvaru tyče - bakterie se nacházejí ve formě jednotlivých buněk, diplo- nebo streptobakterií.

Krimpovaný - vibrios, spirály a spirochety. Vibria mají tvar mírně zakřivených tyčí, spirál - zvlněný tvar s několika spirálovými kadeřemi.

Velikost bakterií se pohybuje od 0,1 do 10 mikronů. Složení bakteriální buňky zahrnuje kapsli, buněčnou stěnu, cytoplazmatickou membránu a cytoplazmu. Cytoplazma obsahuje nukleotid, ribozomy a inkluze. Některé bakterie jsou vybaveny bičíky a klky. Řada bakterií tvoří spory. Přesahující počáteční příčnou velikost buňky, spóry jí dávají fusiformní tvar.

Pro studium morfologie bakterií na optickém mikroskopu jsou z nich připraveny nativní (intravitální) přípravky nebo fixované nátěry obarvené anilinovým barvivem. Existují speciální metody barvení pro detekci bičíků, buněčných stěn, nukleotidů a různých cytoplazmatických inkluzí.

Pro vyšetření morfologie bakteriálních buněk pomocí SPM není nutné barvení přípravku. SPM umožňuje určit tvar a velikost bakterií s vysokým stupněm rozlišení. Pečlivou přípravou léčiva a použitím sondy s malým poloměrem zakřivení je možné identifikovat bičíky. Současně vzhledem k vysoké tuhosti bakteriální buněčné stěny není možné „sondovat“ intracelulární struktury, jak je možné provést na některých zvířecích buňkách.

Příprava přípravků pro morfologické studie SPM

Pro první zkušenost s prací s SPM se doporučuje zvolit biologický produkt, který nevyžaduje složitou přípravu. Docela vhodné jsou snadno dostupné a nepatogenní bakterie mléčného kvašení z kysaného zelí nebo kysaného mléka.

U studií SPM ve vzduchu je nutné zkoumaný předmět pevně fixovat na povrch substrátu, například na krycí sklo. Kromě toho by hustota bakterií v suspenzi měla být taková, aby se buňky nelepily dohromady, když jsou uloženy na substrát, a vzdálenost mezi nimi nebyla příliš velká, takže během skenování lze zachytit několik objektů do jednoho rámečku. Tyto podmínky jsou splněny, pokud je správně zvolen režim přípravy vzorku. Pokud je na substrát nanesena kapka roztoku obsahujícího bakterie, dojde k jejich postupnému vysrážení a přilnutí. Za hlavní parametry by v tomto případě měla být považována koncentrace buněk v roztoku a doba sedimentace. Koncentrace bakterií v suspenzi je určena standardem optického zákalu.

V našem případě bude hrát roli pouze jeden parametr - inkubační doba. Čím déle je kapka na skle držena, tím vyšší bude hustota bakteriálních buněk. Současně, pokud kapka kapaliny začne vysychat, pak bude léčivo příliš silně kontaminováno vysráženými složkami roztoku. Kapka roztoku obsahujícího bakteriální buňky (solanka) se nanese na krycí sklo, uchovává se po dobu 5-60 minut (v závislosti na složení roztoku). Poté, aniž byste čekali, až kapka zaschne, důkladně opláchněte destilovanou vodou (několikrát namočte drogu do sklenice pinzetou). Po vysušení je přípravek připraven k měření na SPM.

Například preparáty bakterií mléčného kvašení byly připraveny z kysaného zelí. Doba držení kapky solanky na krycím sklu byla zvolena na 5 minut, 20 minut a 1 hodinu (kapka již začala schnout). SPM - rámce jsou znázorněny na obr. 7-12, obr. 7-13,
Rýže. 7-14.

Z obrázků je patrné, že pro dané řešení je optimální inkubační doba 5–10 minut. Zvýšení doby setrvání kapky na povrchu substrátu vede k adhezi bakteriálních buněk. V případě, že kapka roztoku začne schnout, je pozorováno srážení složek roztoku na sklo, které nelze vypláchnout.

Rýže. 7 12. Obrázky bakterií mléčného kvašení na krycím skluzu,
získané pomocí SPM.

Rýže. 7 13. Obrázky bakterií mléčného kvašení na krycím skluzu,
získané pomocí SPM. Inkubační doba roztoku 20 min

Rýže. 7 14. Obrázky bakterií mléčného kvašení na krycím skluzu,
získané pomocí SPM. Inkubační doba roztoku 1 hodinu

Na jednom z vybraných přípravků (obr. 7-12) jsme se pokusili zvážit, co jsou to mléčné bakterie, jaká forma je pro ně v tomto případě charakteristická. (Obr. 7-15)

Rýže. 7 15. AFM - obraz bakterií mléčného kvašení na krycím skle.
Inkubační doba roztoku 5 min

Rýže. 7 16. AFM - obrázek řetězce bakterií mléčného kvašení na krycím skluzu.
Inkubační doba roztoku 5 min

Solanka se vyznačuje tyčinkovitým bakteriálním tvarem a řetězcovým uspořádáním.

Rýže. 7 17. Okno řídicí programškolení SPM NаnoEducator.
Panel nástrojů

Pomocí nástrojů vzdělávacího programu SPM NanoEducator jsme určili velikost bakteriálních buněk. Měly přibližně 0,5 × 1,6 μm
až 0,8 × 3,5 μm.

Získané výsledky jsou porovnány s údaji uvedenými v Bergeyově determinantě bakterií [Ref. 7 -3].

Bakterie mléčného kvašení jsou laktobacily (Lactobacillus). Buňky jsou ve formě tyčí, obvykle správného tvaru. Tyče jsou dlouhé, někdy téměř kokidní, obvykle v krátkých řetězech. Velikosti 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 mikronů. Nevytvářejte spor; ve vzácných případech jsou mobilní kvůli peritrichiálním bičíkům. Široce distribuovaný v životním prostředí, zejména v potravinách živočišného a rostlinného původu. Bakterie mléčného kvašení jsou součástí normální mikroflóry trávicího traktu. Každý ví, že kysané zelí je kromě obsahu vitamínů užitečné pro zlepšení střevní mikroflóry.

Návrh mikroskopu skenovací sondy NanoEducator

Na obr. 7-18 ukazuje vzhled měřicí hlavy SPM NanoEducator a jsou uvedeny hlavní prvky zařízení používaného během provozu.

Rýže. 7 18. Vzhled měřicí hlava SPM NanoEducator
1- základna, držák 2 vzorků, 3 interakční senzor, upevňovací šroub 4 senzorů,
5 šroubů pro ruční přiblížení, 6 šroubů pro pohyb skeneru se vzorkem v horizontální rovině, 7 ochranných krytů s videokamerou

Na obr. 7-19 ukazuje konstrukci měřicí hlavy. Na základně 1 je skener 8 s držákem vzorku 7 a mechanismem pro přivádění vzorku k sondě 2 na základně krokový motor... Na školení SPM NanoEducator vzorek je připevněn ke skeneru a vzorek je naskenován proti stacionární sondě. Sonda 6, upevněná na senzoru 4 interakce síly, může být také přivedena ke vzorku pomocí šroubu 3. ručního přiblížení. Předběžný výběr místa výzkumu na vzorku se provádí pomocí šroubu 9.

Rýže. 7 19. Design SPM NanoEducator: 1 - základna, 2 - přibližovací mechanismus,
3 - šroub ručního podávání, 4 - senzor interakce, 5 - upevňovací šroub senzoru, 6 - sonda,
7 - držák vzorku, 8 - skener, 9, 10 - šrouby pro pohyb skeneru se vzorkem

Výcvik SPM NanoEducator skládá se z měřicí hlavy, ovladače SPM a řídicího počítače propojeného kabely. Mikroskop je vybaven videokamerou. Signál ze senzoru interakce po převodu v předzesilovači vstupuje do ovladače SPM. Řízení práce SPM NanoEducator prováděné z počítače prostřednictvím ovladače SPM.

Senzor interakce síly a sonda

V zařízení NanoEducator snímač je vyroben ve formě piezokeramické trubice o délce l= 7 mm, průměr d= 1,2 mm a tloušťka stěny h= 0,25 mm, pevně připevněné na jednom konci. Na vnitřní povrch trubice je nanesena vodivá elektroda. Na vnější povrch trubice jsou naneseny dvě elektricky izolované poloválcové elektrody. Na volný konec trubice je připevněn wolframový drát o průměru
100 μm (obr. 7 -20).

Rýže. 7 20. Návrh univerzálního senzoru zařízení NanoEducator

Volný konec drátu použitého jako sonda je naostřen elektrochemicky, poloměr zakřivení je 0,2 × 0,05 μm. Sonda je v elektrickém kontaktu s vnitřní elektrodou trubice, která je spojena s uzemněným tělem nástroje.

Přítomnost dvou vnějších elektrod na piezoelektrické trubici umožňuje použít jednu část piezoelektrické trubice (horní, podle obr. 7-21) jako snímač interakce síly (mechanický snímač vibrací) a druhou použít část jako piezo vibrátor. Do piezo vibrátoru je přiváděno střídavé elektrické napětí s frekvencí rovnou rezonanční frekvenci výkonového senzoru. Amplituda vibrací při velké vzdálenosti sondy a vzorku je maximální. Jak je patrné z obr. 7-22, v procesu kmitů se sonda odchýlí od rovnovážné polohy o hodnotu A o, rovnající se amplitudě jejích vynucených mechanických kmitů (jde o zlomek mikrometru), zatímco na druhá část piezotube (čidlo oscilace), úměrné posunutí sondy, které a je měřeno zařízením.

Když se sonda přiblíží k povrchu vzorku, sonda se začne během oscilace dotýkat vzorku. To vede k posunu amplitudově-frekvenční charakteristiky (AFC) oscilací senzoru doleva ve srovnání s AFC měřeným daleko od povrchu (obr. 7-22). Protože frekvence silových vibrací piezotube je ve volném stavu udržována konstantní a rovná frekvenci vibrací  o, pak když se sonda přiblíží k povrchu, amplituda jejích vibrací klesá a stává se rovna A. Tato amplituda vibrací je zaznamenané z druhé části piezotube.

Rýže. 7 21. Princip fungování piezoelektrické trubice
jako senzor interakce síly

Rýže. 7 22. Změna frekvence oscilace snímače síly
při přiblížení k povrchu vzorku

Skener

Způsob organizování mikromístností používaných v zařízení NanoEducator, na základě použití kovové membrány upnuté po obvodu, na jejíž povrch je přilepena piezoelektrická deska (obr. 7 -23 a). Změna rozměrů piezoelektrické desky působením řídicího napětí povede k ohnutí membrány. Umístěním takových membrán na tři kolmé strany krychle a spojením jejich středů kovovými tlačnými prvky získáte skener se souřadnicemi 3 x (obr. 7 -23 b).

Rýže. 7 23. Princip činnosti (a) a konstrukce (b) skeneru zařízení NanoEducator

Každý piezoelektrický prvek 1, upevněný na bocích krychle 2, když je na něj aplikováno elektrické napětí, může pohybovat posunovačem 3 připojeným k němu v jednom ze tří vzájemně kolmých směrů - X, Y nebo Z. Jak je vidět z obrázek, všechny tři posuvníky jsou spojeny v jednom bodě 4 S určitou aproximací můžeme předpokládat, že se tento bod pohybuje podél tří souřadnic X, Y, Z. Ke stejnému bodu je připevněn stojan 5 s držákem vzorku 6. Vzorek se tedy pohybuje ve třech souřadnicích působením tří nezávislých zdrojů napětí. V zařízeních NanoEducator maximální posunutí vzorku je asi 50 - 70 μm, což určuje maximální skenovací plochu.

Mechanismus automatizovaného přiblížení sondy ke vzorku (zachycení zpětné vazby)

Rozsah pohybu skeneru podél osy Z je asi 10 µm, proto je před zahájením skenování nutné přiblížit sondu ke vzorku v této vzdálenosti. K tomu je určen přibližovací mechanismus, jehož diagram je znázorněn na obr. 7 -19. Krokový motor 1, když jsou na něj aplikovány elektrické impulsy, otáčí podávacím šroubem 2 a pohybuje lištou 3 se sondou 4, čímž jej přibližuje nebo vzdaluje od vzorku 5 namontovaného na skeneru 6. Hodnota jednoho kroku je asi 2 mikrony.

Rýže. 7 24. Schéma mechanismu přibližování sondy k povrchu vzorku

Protože krok přibližovacího mechanismu při snímání výrazně překračuje hodnotu požadované vzdálenosti sondy a vzorku, aby se předešlo deformaci sondy, provádí se jeho přiblížení za současného provozu krokového motoru a pohybů skeneru podél osa Z podle následujícího algoritmu:

1. Systém zpětné vazby je vypnutý a skener se „zatáhne“, to znamená, že sníží vzorek do nejnižší krajní polohy.

2. Přibližovací mechanismus sondy udělá jeden krok a zastaví se.

3. Zapne se zpětnovazební systém a skener postupně zvedne vzorek, zatímco se provádí analýza přítomnosti interakce sondy se vzorkem.

4. Pokud nedojde k žádné interakci, postup se opakuje od bodu 1.

Pokud se při vytahování skeneru objeví nenulový signál, systém zpětné vazby zastaví pohyb skeneru vzhůru a zablokuje množství interakce na zadané úrovni. Velikost silové interakce, při které se přiblížení sondy zastaví a proces skenování probíhá v zařízení NanoEducator charakterizovaný parametrem Potlačení amplitudy (AmplitudaPotlačení) :

A = A o. (Potlačení amplitudy)

Pořizování obrazu SPM

Po vyvolání programu NanoEducator na obrazovce počítače se objeví hlavní okno programu (obr. 7-20). Práce by měla být zahájena z položky nabídky Soubor a vyberte si v něm Otevřeno nebo Nový nebo odpovídající tlačítka na panelu nástrojů (,).

Výběr týmu Soubor Nový znamená přechod na měření SPM a volbu příkazu Soubor Otevřeno znamená přechod na prohlížení a zpracování dříve přijatých dat. Program umožňuje prohlížení a zpracování dat souběžně s měřením.

Rýže. 7 25. Hlavní okno programu NanoEducator

Po provedení příkazu Soubor Nový na obrazovce se objeví dialogové okno, které vám umožní vybrat nebo vytvořit pracovní složku, do které se budou standardně zapisovat výsledky aktuálního měření. V průběhu měření jsou všechna získaná data postupně zaznamenávána do souborů se jmény ScanData + i.spm kde index já se při spuštění programu resetuje na nulu a zvyšuje se s každým novým měřením. Soubory ScanData + i.spm jsou umístěny do pracovní složky, která je nainstalována před zahájením měření. Během měření je možné vybrat jinou pracovní složku. Chcete -li to provést, stiskněte tlačítko , umístěný na panelu nástrojů hlavního okna programu a vyberte položku nabídky Změnit pracovní složku.

Chcete -li uložit výsledky aktuálního měření, stiskněte tlačítko Uložit jako v okně Skenování v dialogovém okně, které se objeví, vyberte složku a při souboru zadejte název souboru ScanData + i.spm, který slouží jako dočasný soubor pro ukládání dat během měření, bude přejmenován na zadaný název souboru. Ve výchozím nastavení bude soubor uložen do pracovní složky určené před zahájením měření. Pokud neprovedete operaci ukládání výsledků měření, budou výsledky při příštím spuštění programu zaznamenány do dočasných souborů ScanData + i.spm, bude postupně přepsáno (pokud se nezmění pracovní složka). Před zavřením a po spuštění programu se zobrazí varování o přítomnosti dočasných souborů výsledků měření v pracovní složce. Změna pracovní složky před zahájením měření vám umožní chránit výsledky předchozího experimentu před vymazáním. Standardní název ScanData lze změnit nastavením v okně výběru pracovní složky. Po stisknutí tlačítka se vyvolá okno pro výběr pracovní složky. , umístěný na panelu nástrojů hlavního okna programu. Výsledky měření můžete také uložit do okna Prohledat prohlížeč, střídavě zvýrazňovat požadované soubory a jejich uložení do vybrané složky.

Výsledky získané pomocí zařízení NanoEducator je možné exportovat ve formátu ASCII a Nova (společnost NTMDT), které lze importovat pomocí programu NT MDT Nova, Image Analysis a dalších programů. Obrázky skenů, data jejich průřezů a výsledky spektroskopických měření jsou exportovány do formátu ASCII. Chcete -li exportovat data, klikněte na tlačítko Vývozní umístěný na panelu nástrojů hlavního okna programu, nebo vyberte Vývozní v položce nabídky Soubor v tomto okně a vyberte příslušný formát exportu. Data pro zpracování a analýzu lze zaslat přímo do spuštěný program Analýza obrazu.

Po zavření dialogového okna se zobrazí ovládací panel přístroje.
(Obr. 7-26).

Rýže. 7 26. Ovládací panel zařízení

Na levé straně ovládacího panelu přístroje jsou tlačítka pro výběr konfigurace SPM:

CCM- mikroskop skenovací síly (SSM)

Soukromá značka- skenovací tunelový mikroskop (STM).

Provádění měření na tréninku SPM NanoEducator spočívá v provádění následujících operací:

1. Instalace ukázky

POZORNOST! Před vložením vzorku je nutné vyjmout sondu se sondou, aby nedošlo k poškození sondy.

Ukázku lze připojit dvěma způsoby:

na magnetickém stupni (v tomto případě musí být vzorek připevněn k magnetickému substrátu);

na oboustrannou lepicí pásku.

POZORNOST! K instalaci vzorku na oboustrannou lepicí pásku je nutné odšroubovat držák ze stojanu (aby nedošlo k poškození skeneru) a poté jej zašroubovat zpět, dokud se mírně nezastaví.

V případě magnetického držáku lze vzorek vyměnit bez odšroubování držáku vzorku.

2. Instalace sondy

POZORNOST! Po instalaci vzorku vždy nainstalujte sondu se sondou.

Po výběru požadované sondy (držte sondu za kovové okraje základny) (viz obr. 7-27), povolte upevňovací šroub sondy 2 na krytu měřicí hlavy, vložte sondu do držáku držáku jako pokud to půjde, zašroubujte upevňovací šroub ve směru hodinových ručiček, dokud se nezastaví ...

Rýže. 7 27. Instalace sondy

3. Výběr umístění skenování

Při výběru místa pro výzkum vzorku použijte šrouby pro pohyb dvouosého stupně umístěného ve spodní části nástroje.

4. Předběžný přístup sondy ke vzorku

Operace předběžného přiblížení není povinná pro každé měření, nutnost jeho implementace závisí na hodnotě vzdálenosti mezi vzorkem a špičkou sondy. Je žádoucí provést operaci předběžného přiblížení, pokud vzdálenost mezi špičkou sondy a povrchem vzorku překročí 0,5 × 1 mm. Při použití automatizovaného přiblížení sondy ke vzorku z velké vzdálenosti mezi nimi bude proces přiblížení trvat velmi dlouho.

Pomocí šroubu ručního přiblížení spusťte sondu a vizuálně kontrolujte vzdálenost mezi ní a povrchem vzorku.

5. Vykreslení rezonanční křivky a nastavení pracovní frekvence

Tato operace se nutně provádí na začátku každého měření a dokud není provedena, je přechod do dalších fází měření blokován. V průběhu měření navíc někdy nastanou situace, které vyžadují opakované provedení této operace (například při ztrátě kontaktu).

Okno pro hledání rezonance se vyvolá stisknutím tlačítka na ovládacím panelu přístroje. Tato operace zahrnuje měření amplitudy kmitů sondy, když se změní frekvence vynucených oscilací nastavených generátorem. Chcete -li to provést, stiskněte tlačítko BĚH(Obr. 7-28).

Rýže. 7 28. Okno pro hledání rezonance a nastavení pracovní frekvence:
a) - automatický režim, b) - manuální režim

V režimu Auto frekvence generátoru je automaticky nastavena na frekvenci, při které byla pozorována maximální amplituda oscilací sondy. Graf znázorňující změnu amplitudy oscilace sondy v daném frekvenčním rozsahu (obr. 7 -28a) umožňuje pozorovat tvar píku rezonance. Pokud není vrchol rezonance dostatečně výrazný nebo je amplituda na rezonanční frekvenci malá ( méně než 1V), pak je nutné změnit parametry měření a znovu určit rezonanční frekvenci.

K tomu je režim určen. Manuál... Když je v okně zvolen tento režim Stanovení rezonanční frekvence objeví se přídavný panel
(Obr. 7 -28b), který vám umožňuje upravit následující parametry:

Napětí výkyvu sondy nastavený generátorem. Doporučuje se nastavit tuto hodnotu na minimum (až na nulu) a ne více než 50 mV.

Zisk amplitudy ( Zesílení zesílení). Pokud je amplituda oscilací sondy nedostatečná (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Zesílení zesílení.

Operaci hledání rezonance spustíte stisknutím tlačítka Start.

Režim Manuál umožňuje ručně měnit vybranou frekvenci pohybem zeleného kurzoru na grafu pomocí myši a také objasnit povahu změny amplitudy kmitů v úzkém rozsahu hodnot kolem zvolené frekvence (za tímto účelem , musíte nastavit přepínač Manuální režim do polohy Přesně a stiskněte tlačítko Start).

6. Zachycení interakce

K zachycení interakce se provádí kontrolovaný přístup sondy a vzorku pomocí mechanismu automatického přiblížení. Ovládací okno pro tento postup se vyvolá stisknutím tlačítka na ovládacím panelu zařízení. Při práci s CCM je toto tlačítko dostupné po provedení operace vyhledávání a nastavení rezonanční frekvence. Okno SSM, zásobování(Obr. 7 -29) obsahuje ovládací prvky pro přiblížení sondy a také zobrazení parametrů, která vám umožňují analyzovat průběh postupu.

Rýže. 7 29. Okno postupu přiblížení sondy

V okně Vést uživatel má možnost sledovat následující hodnoty:

prodloužení skeneru ( SkenerZ) podél osy Z vzhledem k maximu možné, brané jako jednotka. Relativní prodloužení skeneru je charakterizováno úrovní naplnění levého indikátoru barvou odpovídající oblasti, ve které se skener aktuálně nachází: zelená - pracovní oblast, modrá - mimo pracovní oblast, červená - skener přišel příliš blízko povrchu vzorku, což může vést k deformaci sondy. V druhém případě program vydá zvukové varování;

amplituda sondy vztaženo k amplitudě jeho oscilací při absenci silové interakce, bráno jako jednotka. Hodnota relativní amplitudy oscilací sondy je na pravém indikátoru zobrazena její úrovní naplnění vínovou barvou. Vodorovná značka na indikátoru Amplituda vibrací sondy udává úroveň, při jejímž průchodu se provádí analýza stavu skeneru a jeho automatický výstup do pracovní polohy;

počet kroků ( NSto jo), traverz v daném směru: přiblížení - najetí, zatažení - vyjmutí.

Před spuštěním procesu spouštění sondy musíte:

Zkontrolujte, zda jsou parametry blízkosti správně nastaveny:

Zisk zpětné vazby Zisk OS nastaveno na hodnotu 3 ,

Ujistěte se, že parametr Potlačeníamplituda (síla) má hodnotu asi 0,2 (viz obr. 7-29). V opačném případě stiskněte tlačítko Platnost a v okně Nastavení parametrů interakce (obr. 7-30) nastavená hodnota Potlačeníamplitudy rovnat se 0.2. Pro jemnější přístup přiřazení parametrů Potlačeníamplitudy možná méně .

V okně parametrů zkontrolujte správnost nastavení Možnosti, stránka Parametry přístupu.

Zda dochází k interakci nebo ne, můžete určit podle levého indikátoru SkenerZ... Úplné prodloužení skeneru (celý indikátor SkenerZ modrá barva), stejně jako zcela vínový indikátor Amplituda vibrací sondy(Obr. 7-29) ukazují na nedostatečnou interakci. Po hledání rezonance a nastavení pracovní frekvence je amplituda volných oscilací sondy brána jako jednota.

Pokud skener není plně přiblížen před nebo během přiblížení, nebo program zobrazí zprávu: „Chyba! Sonda je příliš blízko vzorku. Zkontrolujte parametry přiblížení nebo fyzický uzel. Chcete se přesunout na bezpečné místo “, doporučuje se pozastavit postup přiblížení a:

A. změnit jeden z parametrů:

zvýšit množství interakce, parametr Potlačeníamplitudy nebo

zvýšit hodnotu Zisk OS nebo

prodloužit dobu zpoždění mezi kroky přiblížení (parametr Integrační čas Na stránce Parametry přístupu okno Možnosti).

b. zvětšete vzdálenost mezi špičkou sondy a vzorkem (postupujte podle kroků popsaných v odstavci a proveďte operaci Rezonance a poté se vraťte k postupu Vést.

Rýže. 7 30. Okno pro nastavení hodnoty interakce mezi sondou a vzorkem

Po zachycení interakce se zobrazí zpráva „ Přístup dokončen ".

Pokud je nutné přistoupit k jednomu kroku, stiskněte tlačítko. V tomto případě se nejprve provede krok a poté se zkontrolují kritéria pro zachycení interakce. Pohyb zastavíte stisknutím tlačítka. Chcete -li provést operaci zasunutí, musíte stisknout tlačítko pro rychlé zasunutí

nebo stiskněte tlačítko pro pomalé zasunutí. Pokud je nutné jeden krok stáhnout, stiskněte tlačítko. V tomto případě se nejprve provede krok a poté se zkontrolují kritéria pro zachycení interakce.

7. Skenování

Po dokončení postupu přiblížení ( Vést) a zachytit interakci, skenování bude k dispozici (tlačítko v okně ovládacího panelu přístroje).

Stisknutím tohoto tlačítka (pohled na skenovací okno je zobrazen na obr. 7 -31) uživatel přejde přímo k měření a získání výsledků měření.

Před provedením procesu skenování je nutné nastavit parametry skenování. Tyto možnosti jsou seskupeny na pravé straně horního podokna okna. Snímání.

Při prvním spuštění programu jsou ve výchozím nastavení nainstalovány:

Oblast skenování - Region (Xnm *Ynm): 5000 * 5000 nm;

Množství bodůměření podél os- X, Y: NX=100, Ny=100;

Cesta skenování - Směr určuje směr skenování. Program umožňuje vybrat směr osy rychlého skenování (X nebo Y). Když spustíte program, je nainstalován Směr

Po nastavení parametrů skenování stiskněte tlačítko Aplikovat pro potvrzení zadávání parametrů a tlačítko Start spustit skenování.

Rýže. 7 31. Okno pro řízení procesu a zobrazování výsledků skenování CCM

7.4 Pokyny

Než začnete pracovat na mikroskopu skenovací sondy NanoEducator, měli byste si prostudovat uživatelskou příručku zařízení [Ref. 7 -4].

7.5 Bezpečnostní opatření

K napájení zařízení je použito napětí 220 V. Mikroskop skenovací sondy NanoEducator by měl být provozován v souladu s PTE a PTB elektrických instalací spotřebičů s napětím až 1000 V.

7.6 Přiřazení

1. Připravte si vlastní biologické vzorky pro studie SPM.

2. Procvičte si obecný design NanoEducatoru.

3. Seznamte se s ovládacím programem NanoEducator.

4. Získejte první obrázek SPM pod dohledem učitele.

5. Proveďte zpracování a analýzu výsledného obrazu. Jaké formy bakterií jsou pro vaše řešení typické? Co určuje tvar a velikost bakteriálních buněk?

6. Vezměte Bergey Bacteria Identifier a porovnejte výsledky s těmi, které jsou zde popsány.

7.7 Kontrolní otázky

1. Jaké jsou metody pro studium biologických objektů?

2. Co je mikroskopie skenovací sondy? Jaký je za tím princip?

3. Vyjmenujte hlavní součásti SPM a jejich účel.

4. Co je to piezoelektrický efekt a jak se používá v SPM. Popište různé návrhy skenerů.

5. Popište obecnou konstrukci zařízení NanoEducator.

6. Popište snímač interakce síly a jeho princip činnosti.

7. Popište mechanismus přiblížení sondy ke vzorku v zařízení NanoEducator. Vysvětlete parametry, které určují sílu interakce sondy se vzorkem.

8. Vysvětlete princip skenování a fungování systému zpětné vazby. Řekněte nám o kritériích pro výběr parametrů skenování.

7.8 Literatura

Lit. 7 1. Paul de Cruy. Lovci mikrobů. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Průvodce praktickými cvičeními z mikrobiologie. Upravil Egorov N.S. Moskva: Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Howlt J., Krieg N., P. Snit, J. Staley, S. Williams. // Bergeyovy klíče k bakteriím. M .: Mir, 1997. T. č. 2. S. 574.

Lit. 7 4. Uživatelská příručka nástroje NanoEducator.předměty... Nižnij Novgorod. Vědecké a vzdělávací centrum ...

Třída mikroskopů pro zobrazování povrchu a jeho místních charakteristik. Proces zobrazování je založen na skenování povrchu sondou. Obecně vám umožňuje získat trojrozměrný obraz povrchu (topografie) s vysokým rozlišením.

Moderní mikroskop pro skenovací sondu vynalezli Gerd Karl Binnig a Heinrich Rohrer v roce 1981. Za tento vynález jim byla v roce 1986 udělena Nobelova cena za fyziku.

Charakteristickým rysem všech mikroskopů je mikroskopická sonda, která je v kontaktu se studovaným povrchem a při skenování se pohybuje nad určitou oblastí povrchu dané velikosti.

Kontakt vzorku sondy znamená interakci. Povaha interakce určuje, zda zařízení patří k typu mikroskopů sondy. Informace o povrchu se získávají pomocí systému zpětné vazby nebo detekcí interakce sondy a vzorku.

Systém zaznamenává hodnotu funkce v závislosti na vzdálenosti sondy a vzorku.

Typy mikroskopů skenovací sondy.

Skenovací mikroskop atomové síly

Skenovací tunelový mikroskop

Optický mikroskop blízkého pole

Skenovací tunelový mikroskop

Jedna z variant skenovacího mikroskopu navrženého pro změnu reliéfu vodivých systémů s vysokým prostorovým rozlišením.

Princip činnosti je založen na průchodu elektronu potenciální bariérou v důsledku přerušení elektrického obvodu - malé mezery mezi mikroskopem sondy a povrchem vzorku. Ostrá kovová jehla je přivedena ke vzorku ve vzdálenosti několika angströmů. Když je na hrot aplikován malý potenciál, vzniká tunelovací proud, jehož velikost exponenciálně závisí na vzdálenosti mezi vzorkem a špičkou. Ve vzdálenosti 1angstremma vzorku - jehly se aktuální hodnota pohybuje od 1 do 100 pA.

Při skenování vzorku se jehla pohybuje po jejím povrchu, tunelový proud je udržován díky působení zpětné vazby. Odečty systému se mění povrchovou topografií. Změna povrchu se zaznamená a na tomto základě je postavena výšková mapa.

Další metoda zahrnuje pohyb jehly v pevné výšce nad povrchem vzorku. V tomto případě se mění velikost tunelového proudu a na základě těchto změn je konstruována topografie povrchu.

Obrázek 1. Schéma činnosti skenovacího tunelového mikroskopu.

Skenovací tunelový mikroskop obsahuje:

Sonda (jehla)

Systém pohybu zóny podle souřadnic

Registrační systém

Záznamový systém fixuje hodnotu funkce, která závisí na hodnotě proudu mezi jehlou a vzorkem, nebo pohybu podél osy Z. Zaznamenaná hodnota je zpracována systémem zpětné vazby, ovládající polohu vzorku nebo sondy podél souřadnicové osy. Pid - regulátor (proporcionální - integrální - diferenciační regulátor) se používá jako zpětná vazba.

Omezení:

Podmínky vodivosti vzorku (povrchový odpor by neměl být větší než 20 MΩ / cm²).

Hloubka drážky musí být menší než její šířka, jinak dojde k tunelování z bočních ploch.

Úvod

V současné době se vědecký a technický směr - nanotechnologie, rychle rozvíjí a pokrývá širokou škálu základního i aplikovaného výzkumu. Jedná se o zcela novou technologii, která je schopna řešit problémy v tak rozmanitých oblastech, jako jsou komunikace, biotechnologie, mikroelektronika a energetika. Dnes více než stovka mladých společností vyvíjí nanotechnologické výrobky, které vstoupí na trh v příštích dvou až třech letech.

Nanotechnologie se stanou vedoucími technologiemi 21. století a přispějí k rozvoji ekonomiky a sociální sféry společnosti, mohou se stát předpokladem nové průmyslové revoluce. V předchozích dvou stech letech bylo pokroku v průmyslové revoluci dosaženo za cenu zhruba 80% zdrojů Země. Nanotechnologie výrazně sníží spotřebu zdrojů a nebude vyvíjet tlak na životní prostředí, budou hrát vedoucí roli v životě lidstva, protože například počítač se stal nedílnou součástí lidského života.

Pokrok v nanotechnologiích byl stimulován vývojem experimentálních výzkumných metod, z nichž nejinformativnější jsou metody mikroskopie rastrovacích sond, vynález a zejména šíření, za které svět vděčí laureátům Nobelovy ceny za rok 1986 - profesorovi Heinrichovi Rohrerovi a Dr. Gerdu Binnigovi .

Svět byl fascinován objevem tak jednoduchých metod vizualizace atomů, a dokonce i možností s nimi manipulovat. Mnoho výzkumných skupin začalo navrhovat domácí zařízení a experimentovat v tomto směru. V důsledku toho se zrodila řada praktických nástrojových schémat a byly navrženy různé způsoby vizualizace výsledků interakce sondy s povrchem, jako například: mikroskopie bočních sil, mikroskopie magnetických sil, mikroskopie registrace magnetických, elektrostatických a elektromagnetických interakce. Metody optické mikroskopie v blízkém poli byly intenzivně vyvíjeny. Byly vyvinuty metody řízeného, ​​řízeného působení v systému povrchu sondy, například nanolitografie-ke změnám dochází na povrchu vlivem elektrických, magnetických vlivů, plastických deformací, světla v systému povrchu sondy. Byly vytvořeny technologie pro výrobu sond se zadanými geometrickými parametry, se speciálními povlaky a strukturami pro vizualizaci různých povrchových vlastností.

Mikroskopie skenovací sondy (SPM) je jednou z nejmocnějších moderních metod pro studium morfologie a lokálních vlastností pevného povrchu s vysokým prostorovým rozlišením. Za posledních 10 let se mikroskopie skenovací sondy vyvinula z exotické techniky dostupné pouze omezenému počtu výzkumných skupin na široce používaný a úspěšně používaný nástroj pro studium vlastností povrchu. V současné době není prakticky žádný výzkum v oblasti fyziky povrchů a tenkovrstvých technologií dokončen bez použití metod SPM. Vývoj mikroskopie rastrovací sondy posloužil také jako základ pro vývoj nových metod v nanotechnologiích - technologie vytváření struktur na nanometrových stupnicích.

1. Historické pozadí

Pro pozorování malých předmětů vynalezl Holanďan Anthony van Leeuwenhoek v 17. století mikroskop a objevil svět mikrobů. Jeho mikroskopy byly nedokonalé a zvětšily se 150 až 300krát. Jeho následovníci ale toto optické zařízení vylepšili a položili základ mnoha objevům v biologii, geologii, fyzice. Na konci 19. století (1872) však německý optik Ernst Karl Abbe ukázal, že díky difrakci světla je rozlišení mikroskopu (tedy minimální vzdálenost mezi objekty, když se ještě nesloučily do jednoho obrazu ) je omezena vlnovou délkou světla (0,4 - 0,8 μm). Ušetřil tak mnoho úsilí optiků, kteří se pokoušeli vyrobit pokročilejší mikroskopy, ale zklamal biology a geology, kteří ztratili naději na získání nástroje se zvětšením nad 1500x.

Historie vzniku elektronového mikroskopu je nádherným příkladem toho, jak mohou nezávisle se rozvíjející vědecké a technologické obory výměnou získaných informací a spojením úsilí vytvořit nový účinný nástroj vědeckého výzkumu. Vrcholem klasické fyziky byla teorie elektromagnetického pole, která vysvětlovala šíření světla, výskyt elektrických a magnetických polí, pohyb nabitých částic v těchto polích jako šíření elektromagnetických vln. Vlnová optika objasnila fenomén difrakce, mechanismus zobrazování a hru faktorů, které určují rozlišení ve světelném mikroskopu. Za své úspěchy v oblasti teoretické a experimentální fyziky vděčíme objevu elektronu s jeho specifickými vlastnostmi. Tyto oddělené a zdánlivě nezávislé cesty vývoje vedly k vytvoření základů elektronické optiky, jejíž jednou z nejdůležitějších aplikací byl vynález EM ve 30. letech 20. století. Za přímou narážku na takovou možnost lze považovat hypotézu vlnové podstaty elektronu, předloženou v roce 1924 Louisem de Broglie a experimentálně potvrzenou v roce 1927 K. Davissonem a L. Jermerem v USA a J. Thomsonem v Anglii . Byla tedy navržena analogie, která umožnila sestrojit EM podle zákonů vlnové optiky. H. Bush zjistil, že elektronické obrazy lze vytvářet pomocí elektrických a magnetických polí. V prvních dvou desetiletích 20. století. byly také vytvořeny potřebné technické předpoklady. Průmyslové laboratoře pracující na katodovém osciloskopu poskytly vakuovou technologii, stabilní zdroje vysokého napětí a proudu, dobré zářiče elektronů.

V roce 1931 podal R. Rudenberg patentovou přihlášku na transmisní elektronový mikroskop a v roce 1932 M. Knoll a E. Ruska sestrojili první takový mikroskop s využitím magnetických čoček k zaostření elektronů. Tento nástroj byl předchůdcem moderního optického transmisního elektronového mikroskopu (OPEM). (Ruska byla za svou práci odměněna tím, že se stala nositelkou Nobelovy ceny za fyziku za rok 1986.) V roce 1938 Ruska a B. von Borris postavili prototyp průmyslového OPEM pro Siemens-Halske v Německu; toto zařízení nakonec dosáhlo rozlišení 100 nm. O několik let později A. Prebus a J. Hiller postavili první OPEM s vysokým rozlišením na University of Toronto (Kanada).

Široké možnosti OPEM se projevily téměř okamžitě. Jeho průmyslovou výrobu zahájila současně společnost Siemens-Halske v Německu a RCA v USA. Koncem čtyřicátých let začala taková zařízení vyrábět další společnosti.

SEM ve své současné podobě vynalezl v roce 1952 Charles Otley. Je pravda, že předběžné verze takového zařízení byly postaveny společností Knoll v Německu ve třicátých letech minulého století a Zworykinem se zaměstnanci společnosti RCA ve čtyřicátých letech minulého století, ale pouze zařízení Otley bylo schopno sloužit jako základ pro řadu technických vylepšení, která vyvrcholila zavedení průmyslové verze SEM do výroby v polovině 60. let 20. století. Okruh spotřebitelů takového poměrně snadno použitelného zařízení s trojrozměrným obrazem a elektronickým výstupním signálem se rozšiřoval s rychlostí výbuchu. V současné době existuje tucet průmyslových výrobců SEM na třech kontinentech a desítky tisíc takových zařízení používaných v laboratořích po celém světě. V šedesátých letech byly vyvinuty mikroskopy ultra vysokého napětí pro studium silnějších vzorků., Kde zařízení se zrychlujícím napětím rovným 3,5 milionu voltů byla uvedena do provozu v roce 1970. RTM vynalezli G. Binnig a G. Rohrer v roce 1979 v Curychu. za vytvoření RTM Binnig a Rohrer (současně s Ruskou) obdrželi Nobelovu cenu .

V roce 1986 vynalezli Rohrer a Binnig mikroskop skenovací sondy. Od svého vzniku je STM široce používán vědci různých specializací, pokrývající téměř všechny přírodní vědní obory, od základního výzkumu ve fyzice, chemii, biologii až po specifické technologické aplikace. Princip STM je tak jednoduchý a jeho možnosti jsou tak velké, že není možné předpovědět jeho dopad na vědu a technologii, a to ani v blízké budoucnosti.

Jak se později ukázalo, téměř jakoukoli interakci špičkové sondy s povrchem (mechanickou, magnetickou) lze pomocí vhodných nástrojů a počítačových programů převést na obraz povrchu.

Instalace mikroskopu skenovací sondy se skládá z několika funkčních bloků znázorněných na obr. 1. Toto je zaprvé samotný mikroskop s piezomanipulátorem pro ovládání sondy, tunelovým měničem proudu na napětí a krokovým motorem pro napájení vzorku; blok analogově-digitálních a digitálně-analogových převodníků a vysokonapěťových zesilovačů; řídicí jednotka krokového motoru; deska se signálovým procesorem, který vypočítává signál zpětné vazby; počítač, který shromažďuje informace a poskytuje rozhraní s uživatelem. Konstrukčně je blok DAC a ADC instalován ve stejném pouzdře s řídicí jednotkou krokového motoru. Deska ADSP 2171 s procesorem DSP (Digital Signal Processor) od Analog Devices je nainstalována v rozšiřujícím slotu ISA osobního počítače.

Celkový pohled na mechanický systém mikroskopu je uveden na obr. 2. Mechanický systém obsahuje základnu s piezomanipulátorem a plynulý systém podávání vzorku na krokovém motoru s převodovkou a dvěma odnímatelnými měřicími hlavami pro skenování režimů tunelování a mikroskopie atomové síly. Mikroskop poskytuje konzistentní atomové rozlišení na tradičních testovacích plochách bez potřeby dalších seizmických a akustických filtrů.

2. Zásady skenování sondových mikroskopů

U skenovacích mikroskopů se studium povrchového mikroreliéfu a jeho lokálních vlastností provádí pomocí speciálně připravených sond ve formě jehel. Pracovní část takových sond (hrot) má velikost zhruba deset nanometrů. Charakteristická vzdálenost mezi sondou a povrchem vzorků v mikroskopech sondy v řádu velikosti je 0,1 - 10 nm. Činnost mikroskopů sondy je založena na různých typech interakce sondy a povrchu. Činnost tunelového mikroskopu je tedy založena na jevu tunelového toku proudu mezi kovovou jehlou a vodivým vzorkem; různé typy silových interakcí jsou základem činnosti atomových silových, magnetických a elektrických silových mikroskopů. Zvažme společné rysy, které jsou vlastní různým mikroskopům sondy. Interakce sondy s povrchem nechť charakterizuje nějaký parametr P. Pokud existuje dostatečně ostrá a individuální závislost parametru P na vzdálenosti sondy-vzorku, pak lze tento parametr použít k uspořádání zpětné vazby systém (OS), který řídí vzdálenost mezi sondou a vzorkem. Na obr. 3 schematicky ukazuje obecný princip organizace zpětné vazby SPM.

Zpětnovazební systém udržuje hodnotu parametru P konstantní, rovnající se hodnotě nastavené operátorem. Pokud se změní vzdálenost povrchu sondy, pak se změní parametr P. V systému OS je vytvořen rozdílový signál, úměrný hodnotě ΔР = Р - Р, který je zesílen na požadovanou hodnotu a přiváděn do ovládacího prvku TJ. Aktuátor zpracovává tento rozdílový signál přiblížením sondy k povrchu nebo pohybem pryč, dokud se rozdílový signál nestane rovným nule. tímto způsobem lze vzdálenost sondy a vzorku udržovat s velkou přesností. Když se sonda pohybuje po povrchu vzorku, interakční parametr P se mění díky povrchovému reliéfu. Systém OS tyto změny zpracovává, takže když se sonda pohybuje v rovině X, Y, signál na akčním členu je úměrný povrchovému reliéfu. K získání obrázku SPM se provede speciálně organizovaný proces skenování vzorku. Při skenování se sonda nejprve pohybuje po vzorku po určité linii (řádkové skenování), zatímco hodnota signálu na akčním členu, úměrná povrchovému reliéfu, je zaznamenána do paměti počítače. Poté se sonda vrátí do počátečního bodu a přejde na další skenovací čáru (vertikální skenování) a postup se znovu opakuje. Takto zaznamenaný signál zpětné vazby během skenování je zpracován počítačem a poté je pomocí počítačové grafiky vytvořen obraz SPM povrchového reliéfu. Spolu se studiem povrchového reliéfu umožňují sondové mikroskopy studium různých povrchových vlastností: mechanických, elektrických, magnetických, optických a dalších.

3. Skenovací prvky (skenery) mikroskopů sondy

3.1 Skenovací prvky

Aby mikroskopy sondy fungovaly, je nutné řídit pracovní vzdálenost sondy ke vzorku a pohybovat sondou v rovině vzorku s vysokou přesností (na úrovni zlomků angstromu). Tento úkol je vyřešen pomocí speciálních manipulátorů - skenovacích prvků (skenerů). Snímací prvky sondových mikroskopů jsou vyrobeny z piezoelektrických materiálů - materiálů s piezoelektrickými vlastnostmi. Piezoelektrika mění svoji velikost ve vnějším elektrickém poli. Rovnice inverzního piezoelektrického jevu pro krystaly je zapsána jako:

kde u je tenzor tenzoru, E jsou složky elektrického pole a d jsou složky tenzoru piezoelektrických koeficientů. Forma tenzoru piezoelektrických koeficientů je určena typem symetrie krystalu.

V různých technických aplikacích jsou široce používány snímače vyrobené z piezokeramických materiálů. Piezoceramics je polarizovaný polykrystalický materiál získaný slinováním prášků z krystalických feroelektrik. Polarizace keramiky se provádí následujícím způsobem. Keramika se zahřívá nad Curieovu teplotu (pro většinu piezokeramiky je tato teplota nižší než 30 ° C) a poté se pomalu ochladí v silném (asi 3 kV / cm) elektrickém poli. Po ochlazení piezokeramika vyvolala polarizaci a získává schopnost měnit svou velikost (zvyšovat nebo snižovat v závislosti na vzájemném směru vektoru polarizace a vektoru vnějšího elektrického pole).

V mikroskopii skenovací sondy jsou široce používány tubulární piezoelementy (obr. 4). Umožňují získat dostatečně velké výtlaky předmětů s relativně malým řídicím napětím. Trubkové piezoelektrické prvky jsou duté tenkostěnné válce z piezokeramických materiálů. Na vnější a vnitřní povrchy trubice se obvykle nanášejí elektrody ve formě tenkých vrstev kovu, přičemž konce trubice zůstávají nezakryté.

Vlivem rozdílu potenciálu mezi vnitřní a vnější elektrodou trubice mění své podélné rozměry. V tomto případě lze podélnou deformaci působením radiálního elektrického pole zapsat jako:

kde l je délka trubice v nedeformovatelném stavu. Absolutní prodloužení piezotube je

kde h je tloušťka stěny piezotube, V je potenciální rozdíl mezi vnitřní a vnější elektrodou. Při stejném napětí V tedy bude prodloužení trubice tím větší, čím větší bude její délka a čím menší bude tloušťka její stěny.

Spojení tří trubic do jedné jednotky umožňuje organizovat přesné pohyby mikroskopické sondy ve třech vzájemně kolmých směrech. Takovému snímacímu prvku se říká stativ.

Nevýhody takového skeneru jsou složitost výroby a silná asymetrie designu. Dnes jsou v mikroskopii skenovací sondy nejpoužívanější skenery vyráběny na základě jednoho trubicového prvku. Celkový pohled na tubulární skener a rozložení elektrod je znázorněno na obr. 5. Materiál trubice má radiální směr polarizačního vektoru.

Vnitřní elektroda je obvykle pevná. Vnější elektroda skeneru je rozdělena podél generatrixu válce na čtyři části. Když jsou protifázová napětí aplikována na opačné části vnější elektrody (vzhledem k vnitřní), trubková část se smršťuje v místě, kde se směr pole shoduje se směrem polarizace, a prodlužuje se tam, kde jsou směrovány v opačných směrech. To způsobí, že se trubka ohne v příslušném směru. Skenování se tedy provádí v rovině X, Y. Změna potenciálu vnitřní elektrody vzhledem ke všem vnějším úsekům vede k prodloužení nebo smrštění trubice podél osy Z. Je tedy možné uspořádat tři -souřadnicový skener založený na jedné piezotube. Skutečné skenovací prvky jsou často designově složitější, ale principy jejich fungování zůstávají stejné.

Široce se používají také skenery založené na bimorfních piezoelektrických prvcích. Bimorf jsou dvě piezoelektrické desky slepené k sobě takovým způsobem, že polarizační vektory v každé z nich jsou nasměrovány v opačných směrech (obr. 6). Pokud na bimorfní elektrody aplikujete napětí, jak je znázorněno na obr. 6, pak se jedna z desek roztáhne a druhá se smrští, což povede k ohnutí celého prvku. Ve skutečných provedeních bimorfních prvků je mezi vnitřními společnými a vnějšími elektrodami vytvořen potenciální rozdíl, takže v jednom prvku se pole shoduje se směrem polarizačního vektoru a ve druhém je směrováno opačně.

Ohýbání bimorfů pod vlivem elektrických polí je základem pro provoz bimorfních piezoscannerů. Kombinací tří bimorfních prvků v jedné konstrukci je možné implementovat stativ na bimorfní prvky.

Pokud jsou vnější elektrody bimorfního prvku rozděleny do čtyř sektorů, pak je možné organizovat pohyb sondy podél osy Z a v rovině X, Y na jednom bimorfním prvku (obr. 7).

Skutečně, použitím protifázových napětí na opačné páry sekcí vnějších elektrod je možné ohnout bimorf tak, aby se sonda pohybovala v rovině X, Y (obr. 7 (a, b)). A změnou potenciálu vnitřní elektrody vzhledem ke všem úsekům vnějších elektrod je možné ohnout bimorf pohybem sondy ve směru Z (obr. 7 (c, d)).

3.2 Nelinearita piezokeramiky

Navzdory řadě technologických výhod oproti krystalům má piezokeramika některé nevýhody, které negativně ovlivňují činnost skenovacích prvků. Jednou z těchto nevýhod je nelinearita piezoelektrických vlastností. Na obr. 8 ukazuje jako příklad závislost velikosti posunutí piezotube ve směru Z na velikosti aplikovaného pole. V obecném případě (zejména u vysokých kontrolních polí) je piezokeramika charakterizována nelineární závislostí deformací na poli (nebo na řídicím napětí).

Deformace piezoelektrické keramiky je tedy komplexní funkcí vnějšího elektrického pole:

U malých ovládacích polí lze tuto závislost znázornit následovně:

u = d * E + α * E * E + ...

kde d a α jsou lineární a kvadratické moduly piezoelektrického jevu.

Typické hodnoty polí E, u nichž se začínají projevovat nelineární efekty, jsou řádově 100 V / mm. Pro správnou funkci skenovacích prvků se proto v oblasti keramické linearity obvykle používají řídicí pole (např< Е) .

skenovací sonda elektronový mikroskop

3.3 Dotvarování piezo -keramiky a hystereze piezo -keramiky

Další nevýhodou piezoelektrické keramiky je takzvané dotvarování (creep) - zpoždění reakce na změnu velikosti řídicího elektrického pole.

Creep vede k tomu, že na obrázcích SPM jsou s tímto efektem spojena geometrická zkreslení. Dotvarování je obzvláště silné, když jsou skenery přeneseny do daného bodu pro místní měření a v počátečních fázích procesu skenování. Ke snížení účinku keramického dotvarování se při uvedených procesech používají časové prodlevy, které umožňují částečně kompenzovat zpoždění skeneru.

Další nevýhodou piezokeramiky je nejednoznačnost závislosti prodloužení na směru změny elektrického pole (hystereze).

To vede ke skutečnosti, že se stejnými řídicími napětími je piezoelektrická keramika v různých bodech trajektorie, v závislosti na směru pohybu. Aby se vyloučily zkreslení obrázků SPM způsobené hysterezí piezoelektrické keramiky, registrace informací při skenování vzorků se provádí pouze na jedné z větví závislosti.

4. Zařízení pro přesný pohyb sondy a vzorku

4.1 Mechanické převodovky

Jedním z důležitých technických problémů mikroskopie rastrovací sondy je potřeba přesného pohybu sondy a vzorku, aby se vytvořila pracovní mezera mikroskopu a vybrala plocha povrchu, která se má zkoumat. K vyřešení tohoto problému se používají různé typy zařízení, která pohybují objekty s vysokou přesností. Rozšířily se různé mechanické převodovky, u nichž hrubý pohyb původní vrtule odpovídá jemnému pohybu přemístěného předmětu. Způsoby snižování výtlaků mohou být různé. Široce se používají páková zařízení, ve kterých se snížení množství pohybu provádí kvůli rozdílu v délce ramen pák. Schéma pákové převodovky je znázorněno na obr. devět.

Mechanická páka vám umožňuje dosáhnout snížení pojezdu s faktorem

Čím je tedy poměr ramene L k rameni L větší, tím přesnější je možné řídit proces přibližování se sondě a vzorku.

Mechanické převodovky jsou také široce používány v konstrukcích mikroskopů, ve kterých je snížení posunů dosaženo díky rozdílu v součinitelích tuhosti dvou sériově spojených elastických prvků (obr. 10). Konstrukce se skládá z tuhé základny, pružiny a pružného nosníku. Tuhosti pružiny k a pružného nosníku K se volí tak, aby byla splněna následující podmínka: k< K .

Koeficient redukce se rovná poměru koeficientů tuhosti elastických prvků:

Čím je tedy poměr tuhosti paprsku k tuhosti pružiny větší, tím přesněji je možné řídit posun pracovního prvku mikroskopu.

4.2 Krokové motory

Krokové motory (SED) jsou elektromechanická zařízení, která převádějí elektrické impulsy na diskrétní mechanické pohyby. Důležitou výhodou krokových motorů je to, že poskytují jednoznačnou závislost polohy rotoru na vstupních proudových impulzech, takže úhel natočení rotoru je určen počtem řídicích impulzů. V SHED je točivý moment vytvářen magnetickými toky vytvářenými póly statoru a rotoru, které jsou vůči sobě vhodně orientovány.

Nejjednodušší konstrukce je pro motory s permanentními magnety. Skládají se ze statoru, který má vinutí, a rotoru, který obsahuje permanentní magnety. Na obr. 11 ukazuje zjednodušenou konstrukci krokového motoru.

Střídavé póly rotoru jsou přímočaré a rovnoběžné s osou motoru. Motor znázorněný na obrázku má 3 páry pólů rotoru a 2 páry pólů statoru. Motor má 2 nezávislá vinutí, každé navinuté na dvou protilehlých pólech statoru. zobrazený motor má velikost kroku 30 stupňů. Když je proud zapnut v jednom z vinutí, rotor má tendenci zaujmout polohu, ve které jsou opačné póly rotoru a statoru proti sobě. Chcete -li provádět nepřetržité otáčení, musíte střídavě zapínat vinutí.

V praxi se používají krokové motory, které mají složitější konstrukci a poskytují od 100 do 400 kroků na otáčku rotoru. Pokud je takový motor spárován se závitovým spojením, pak se stoupáním závitu asi 0,1 mm je zajištěna přesnost polohování objektu asi 0,25 - 1 μm. Ke zvýšení přesnosti se používají další mechanické převodovky. Možnost elektrického ovládání umožňuje efektivně využívat SED v automatizovaných systémech pro konvergenci sondy a vzorku mikroskopů skenovací sondy.

4.3 Krokové piezo motory

Požadavky na dobrou izolaci nástrojů od vnějších vibrací a nutnost provozu sondových mikroskopů za podmínek vakua kladou vážná omezení na používání čistě mechanických zařízení pro pohyb sondy a vzorku. V tomto ohledu jsou v sondových mikroskopech široce používána zařízení založená na piezoelektrických měničích, která umožňují dálkové ovládání pohybu předmětů.

Jeden z návrhů krokového inerciálního piezo motoru je znázorněn na obr. 12. Toto zařízení obsahuje základnu (1), na které je upevněna piezoelektrická trubice (2). Trubice má na vnějším a vnitřním povrchu elektrody (3). Na konci trubice je štípaná pružina (4), což je válec se samostatnými pružnými okvětními lístky. Pružina obsahuje držák předmětu (5) - poměrně masivní válec s leštěným povrchem. Pohyblivý předmět lze připevnit k držáku pomocí pružiny nebo převlečné matice, která umožňuje zařízení pracovat v libovolné orientaci v prostoru.

Zařízení funguje následovně. Pro pohyb držáku předmětu ve směru osy Z je na elektrody piezotube přivedeno pilovité pulzní napětí (obr. 13).

Na ploché přední straně pilového napětí se trubka plynule prodlužuje nebo smršťuje v závislosti na polaritě napětí a její konec je společně s pružinou a držákem předmětu posunut o vzdálenost:

V okamžiku, kdy se napětí pilového zubu uvolní, se trubka vrátí do své původní polohy se zrychlením a, které má zpočátku maximální hodnotu:

kde ω je rezonanční frekvence podélných vibrací elektronky. Za podmínky F< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5. Ochrana mikroskopů sondy před vnějšími vlivy

5.1 Ochrana proti vibracím

K ochraně zařízení před vnějšími vibracemi se používají různé typy systémů pro izolaci vibrací. Lze je podmíněně rozdělit na pasivní a aktivní. Základní myšlenka systémů pasivního tlumení vibrací je následující. Amplituda vynucených vibrací mechanického systému rychle klesá s nárůstem rozdílu mezi frekvencí budicí síly a přirozenou rezonanční frekvencí systému (typická charakteristika amplitudové frekvence (AFC) oscilačního systému je uvedena v 14).

Proto vnější vlivy s frekvencemi ω> ω nemají prakticky žádný znatelný vliv na oscilační systém. Pokud je tedy měřicí hlava sondového mikroskopu umístěna na vibrační izolační plošinu nebo na pružné zavěšení (obr. 15), pak budou do tělo mikroskopu. Protože přirozené frekvence hlav SPM jsou 10 - 100 kHz, pak volbou rezonanční frekvence vibračního izolačního systému na dostatečně nízkou (asi 5 - 10 Hz) je možné velmi účinně chránit zařízení před vnějšími vibracemi. Aby byly vibrace tlumeny na přirozených rezonančních frekvencích, jsou do vibračně izolačních systémů zavedeny disipativní prvky s viskózním třením.

Aby byla zajištěna účinná ochrana, je tedy nutné, aby rezonanční frekvence systému izolujícího vibrace byla co nejnižší. V praxi je však velmi obtížné realizovat velmi nízké frekvence.

K ochraně hlav SPM se úspěšně používají aktivní systémy pro potlačení vnějších vibrací. Takovými zařízeními jsou elektromechanické systémy s negativní zpětnou vazbou, které zajišťují stabilní polohu vibrační izolační plošiny v prostoru (obr. 16).

5.2 Ochrana proti akustickému hluku

Dalším zdrojem vibrací strukturních prvků mikroskopů sondy je akustický hluk různé povahy.

Zvláštností akustické interference je, že akustické vlny přímo ovlivňují strukturální prvky hlavic SPM, což vede k oscilacím sondy vzhledem k povrchu testovaného vzorku. K ochraně SPM před akustickým rušením se používají různé ochranné krytky, které výrazně snižují úroveň akustického rušení v oblasti pracovní mezery mikroskopu. Nejúčinnější ochranou proti akustickému rušení je umístění měřicí hlavy mikroskopu sondy do vakuové komory (obr. 17).

5.3 Stabilizace tepelného driftu polohy sondy nad povrchem

Jedním z důležitých problémů SPM je problém stabilizace polohy sondy nad povrchem zkoumaného vzorku. Hlavním zdrojem nestability polohy sondy je změna okolní teploty nebo zahřívání strukturních prvků mikroskopu sondy během jeho provozu. Změna teploty pevné látky vede ke vzniku termoelastických deformací. Takové deformace mají velmi významný vliv na činnost mikroskopů sondy. Ke snížení tepelného driftu se používá termostatizace měřicích hlav SPM nebo jsou do konstrukce hlav zavedeny termokompenzační prvky. Myšlenka tepelné kompenzace je následující. Jakýkoli návrh SPM může být reprezentován jako sada prvků s různými koeficienty tepelné roztažnosti (obr. 18 (a)).

Pro kompenzaci tepelného driftu jsou do konstrukce měřicích hlav SPM zavedeny kompenzační prvky s různými koeficienty roztažnosti, takže je splněna podmínka rovnosti nulového součtu teplotních expanzí v různých ramenech struktury:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Nejjednodušší způsob, jak snížit tepelný drift polohy sondy podél osy Z, je vložit do struktury SPM kompenzační prvky vyrobené ze stejného materiálu a se stejnými charakteristickými rozměry jako hlavní konstrukční prvky (obr. 18 (b)). Změnou teploty tohoto provedení bude posun sondy ve směru Z minimální. Pro stabilizaci polohy sondy v rovině X, Y jsou měřicí hlavy mikroskopů vyrobeny ve formě osově symetrických struktur.

6. Vytváření a zpracování obrázků SPM

6.1 Proces skenování

Proces skenování povrchu v mikroskopu skenovací sondy je podobný pohybu elektronového paprsku po obrazovce v katodové trubici televize. Sonda se pohybuje podél čáry (čáry), nejprve ve směru dopředu a poté v opačném směru (řádkové skenování) a poté přejde na další řádek (skenování rámečku) (obr. 19). Pohyb sondy se provádí pomocí skeneru v malých krocích za působení pilových napětí generovaných převodníky digitálního signálu na analogový. Registrace informací o povrchovém reliéfu se provádí zpravidla na přímém průchodu.

Informace získané mikroskopem skenovací sondy jsou uloženy ve formě rámce SPM - dvourozměrného pole celých čísel a (matice). Fyzický význam těchto čísel je určen hodnotou, která byla digitalizována během procesu skenování. Každá hodnota z dvojice indexů ij odpovídá konkrétnímu bodu na povrchu ve skenovacím poli. Souřadnice povrchových bodů se vypočítají prostým vynásobením odpovídajícího indexu vzdáleností mezi body, ve kterých byla informace zaznamenána.

Rámce SPM jsou zpravidla čtvercové matice o velikosti 2 (hlavně 256x256 a 512x512 prvků). Rámce SPM jsou vizualizovány pomocí počítačové grafiky, zejména ve formě trojrozměrných (3D) a dvojrozměrných jasových (2D) obrázků. V 3D vykreslování je obraz povrchu vytvořen v axonometrické perspektivě pomocí pixelů nebo čar. Kromě toho se používají různé způsoby zvýraznění pixelů odpovídajících různým výškám povrchového reliéfu. Nejúčinnějším způsobem barvení 3D obrazů je simulace podmínek osvětlení povrchu bodovým zdrojem umístěným v určitém bodě prostoru nad povrchem (obr. 20). Současně je možné zdůraznit nerovnoměrnost reliéfu v malém měřítku. Škálování a otáčení 3D SPM obrazů je realizováno také pomocí počítačového zpracování a grafiky. Ve 2D vykreslování je každému bodu povrchu přiřazena barva. Nejrozšířenější jsou gradientové palety, ve kterých je obraz namalován tónem určité barvy podle výšky povrchového bodu.

Místní měření SPM jsou zpravidla spojena s registrací závislostí zkoumaných veličin na různých parametrech. Jedná se například o závislosti elektrického proudu kontaktem povrchu sondy na aplikovaném napětí, závislost různých parametrů silové interakce sondy a povrchu na vzdálenosti sondy a vzorku atd. Tyto informace jsou uloženy ve formě vektorových polí nebo ve formě 2 x N. matice software mikroskopů poskytuje sadu standardních prostředků pro zobrazování grafů funkcí.

6.2 Metody pro konstrukci a zpracování obrazů

Při studiu vlastností předmětů skenovací mikroskopickou sondou jsou hlavním výsledkem vědeckého výzkumu zpravidla trojrozměrné obrazy povrchu těchto objektů. Adekvátnost interpretace obrázků závisí na kvalifikaci odborníka. Současně se při zpracování a konstrukci obrázků používá řada tradičních technik, které by měly být známy při analýze obrázků. Mikroskop skenovací sondy se objevil v době intenzivního rozvoje výpočetní techniky. Proto při záznamu trojrozměrných obrazů v něm byly použity metody digitálního ukládání informací vyvinuté pro počítače. To vedlo k velkému pohodlí při analýze a zpracování obrazu, ale muselo to obětovat fotografickou kvalitu, která je vlastní technikám elektronové mikroskopie. Informace získané sondovým mikroskopem jsou v počítači reprezentovány ve formě dvojrozměrné matice celých čísel. Každé číslo v této matici, v závislosti na režimu skenování, může být hodnotou tunelového proudu nebo hodnotou odchylky nebo hodnotou nějaké složitější funkce. Pokud člověku ukážete tuto matici, pak nebude schopen získat ucelenou představu o zkoumaném povrchu. Prvním problémem je tedy převést čísla do čitelné podoby. To se provádí následujícím způsobem. Čísla v původní matici leží v určitém rozmezí, existují minimální a maximální hodnoty. Tomuto rozsahu celých čísel je přiřazena paleta barev. Každá hodnota matice je tedy mapována do bodu určité barvy na obdélníkovém obrázku. Řádek a sloupec, ve kterém je tato hodnota, se stanou souřadnicemi bodu. V důsledku toho získáme obrázek, na kterém je například výška povrchu reprodukována barevně - jako na geografické mapě. Na mapě jsou ale obvykle použity jen desítky barev a na našem obrázku jich jsou stovky a tisíce. Pro snadnější vnímání by body blízké výšce měly být vykresleny podobnými barvami. Může být a obvykle vždy je, že rozsah původních hodnot je větší než počet možných barev. V tomto případě dojde ke ztrátě informací a zvýšení počtu barev není východiskem, protože možnosti lidského oka jsou omezené. Je vyžadováno další zpracování informací a v závislosti na úkolech by se zpracování mělo lišit. Někdo potřebuje vidět celý obrázek jako celek a někdo chce zvážit detaily. K tomu se používá celá řada metod.

6.3 Odečtení konstantního sklonu

Obrázky povrchu získané sondovými mikroskopy mají obecně společný sklon. To může být způsobeno několika důvody. Nejprve se může objevit náklon kvůli nepřesnému umístění vzorku vzhledem k sondě; za druhé, může být spojeno s teplotním driftem, který vede k posunutí sondy vzhledem ke vzorku; za třetí, může to být způsobeno nelinearitou posunutí piezoscanneru. Na zobrazení náklonu je vynaloženo velké množství použitelného prostoru v rámu SPM, takže malé detaily obrazu se stanou neviditelnými. K odstranění této nevýhody se provádí operace odečítání konstantního sklonu. K tomu se v první fázi používá metoda nejmenších čtverců k nalezení přibližné roviny

P (x, y), která má minimální odchylky od povrchového reliéfu Z = f (x, y), pak je tato rovina odečtena od obrazu SPM. Je vhodné provádět odčítání různými způsoby v závislosti na povaze svahu.

Pokud je naklonění v obrazu SPM způsobeno nakloněním vzorku vzhledem ke vzorku sondy, pak je vhodné otočit rovinu o úhel odpovídající úhlu mezi normálou k rovině a ose Z; v tomto případě jsou souřadnice povrchu Z = f (x, y) transformovány v souladu s transformacemi prostorové rotace. Touto transformací je však možné získat obraz povrchu ve formě vícehodnotové funkce Z = f (x, y). Pokud je sklon způsoben tepelným driftem, pak se postup pro odečtení sklonu sníží na odečtení Z - souřadnic roviny od Z - souřadnic obrazu SPM:

Výsledkem je pole s menším rozsahem hodnot a jemné detaily obrázku se projeví ve více barvách a stanou se viditelnějšími.

6.4 Odstranění zkreslení spojených s nedokonalostí skeneru

Nedokonalé vlastnosti skeneru vedou k tomu, že obraz SPM obsahuje řadu specifických zkreslení. Částečně nedokonalosti skeneru, jako nerovnoměrný pohyb skeneru vpřed a vzad (hystereze), dotvarování a nelinearita piezoelektrické keramiky jsou kompenzovány hardwarem a volbou optimálních režimů skenování. Navzdory tomu obrázky SPM obsahují zkreslení, která je obtížné odstranit na hardwarové úrovni. Zejména vzhledem k tomu, že pohyb skeneru v rovině vzorku ovlivňuje polohu sondy nad povrchem, obrazy SPM jsou superpozicí skutečného reliéfu a nějakého povrchu druhého (a často vyššího) řádu.

K eliminaci tohoto druhu zkreslení se používá metoda nejmenších čtverců k nalezení přibližné plochy druhého řádu P (x, y), která má minimální odchylky od původní funkce Z = f (x, y), a poté tuto plochu se odečte od původního obrázku SPM:

Další typ zkreslení je spojen s nelinearitou a neortogonalitou pohybů skeneru v rovině X, Y. To vede ke zkreslení geometrických proporcí v různých částech povrchového obrazu SPM. K eliminaci takovýchto zkreslení se provádí postup korekce obrazu SPM pomocí souboru korekčních koeficientů, který se vytvoří při skenování testovacích struktur známým reliéfem konkrétním skenerem.

6.5 Filtrování obrázků SPM

Hluky zařízení (hlavně šum z vysoce citlivých vstupních zesilovačů), nestabilita kontaktu sondy a vzorku během skenování, vnější akustické zvuky a vibrace vedou k tomu, že obrázky SPM spolu s užitečnými informacemi mají složku šumu. Částečně šum obrazu SPM lze odstranit softwarem.

6.6 Medián filtrování

Mediánové filtrování poskytuje dobré výsledky při odstraňování vysokofrekvenčního náhodného šumu v rámcích SPM. Jedná se o nelineární metodu zpracování obrazu, jejíž podstatu lze vysvětlit následovně. Je vybráno pracovní okno filtru, skládající se z nxn bodů (pro jistotu vezmeme okno 3 x 3, tj. Obsahující 9 bodů (obr. 24)).

V procesu filtrování se toto okno pohybuje rámečkem z bodu do bodu a provede se následující postup. Hodnoty amplitudy obrázku SPM v bodech tohoto okna jsou uspořádány vzestupně a hodnota ve středu seřazeného řádku je zadána do středového bodu okna. Poté se okno přesune do dalšího bodu a postup řazení se opakuje. Výkonné náhodné hodnoty a poklesy během takového třídění tedy vždy skončí na okraji tříděného pole a nebudou zahrnuty do konečného (filtrovaného) obrázku. Při tomto zpracování zůstávají nefiltrované oblasti na okrajích rámečku, které jsou na konečném obrázku vyřazeny.

6.7 Metody rekonstrukce povrchu z jeho obrazu SPM

Jednou z nevýhod všech metod mikroskopie skenovací sondy je konečná velikost pracovní části použitých sond. To vede k významnému zhoršení prostorového rozlišení mikroskopů a výraznému zkreslení obrázků SPM při skenování povrchů s nepravidelnostmi reliéfu srovnatelnými s charakteristickými rozměry pracovní části sondy.

Ve skutečnosti je obraz získaný v SPM "konvolucí" sondy a zkoumaného povrchu. Proces „konvoluce“ tvaru sondy s povrchovým reliéfem je znázorněn v jednorozměrném případě na obr. 25.

Tento problém lze částečně vyřešit nedávno vyvinutými metodami pro rekonstrukci obrazů SPM založených na počítačovém zpracování dat SPM s přihlédnutím ke specifickému tvaru sond. Nejúčinnější metodou rekonstrukce povrchu je metoda numerické dekonvoluce, která využívá tvar sondy získaný experimentálně skenovacím testem (se známým povrchovým reliéfem) struktur.

Je třeba poznamenat, že úplné obnovení povrchu vzorku je možné pouze tehdy, jsou -li splněny dvě podmínky: sonda se během skenování dotkla všech bodů povrchu a v každém okamžiku se sonda dotkla pouze jednoho bodu povrchu. Pokud sonda během skenování nedosáhne na některé oblasti povrchu (například pokud má vzorek převislé oblasti reliéfu), pak dojde pouze k částečné obnově reliéfu. Navíc, čím větší je počet bodů na povrchu, kterých se sonda během skenování dotkne, tím spolehlivěji lze povrch rekonstruovat.

V praxi jsou obraz SPM a experimentálně určený tvar sondy dvourozměrná pole diskrétních hodnot, pro které je derivát špatně definovanou hodnotou. Proto se místo výpočtu derivace diskrétních funkcí v praxi pro numerickou dekonvoluci obrázků SPM používá při skenování s konstantní průměrnou výškou podmínka minimální vzdálenosti mezi sondou a povrchem.

V tomto případě lze výšku povrchového reliéfu v daném bodě brát jako minimální vzdálenost mezi bodem sondy a odpovídajícím bodem na povrchu pro danou polohu sondy vzhledem k povrchu. Pokud jde o jeho fyzikální význam, je tato podmínka ekvivalentní podmínce rovnosti derivací; umožňuje však hledat body kontaktu sondy s povrchem adekvátnější metodou, což výrazně zkracuje čas na rekonstrukci úleva.

Ke kalibraci a určení tvaru pracovní části sond se používají speciální testovací struktury se známými parametry povrchového reliéfu. Typy nejběžnějších testovacích struktur a jejich charakteristické obrazy získané pomocí mikroskopu atomové síly jsou uvedeny na obr. 26 a obr. 27.

Kalibrační mřížka s ostrými hroty umožňuje dobrý předpis hrotu sondy, zatímco obdélníková mřížka pomáhá obnovit tvar boční plochy. Kombinací výsledků skenování těchto mřížek je možné zcela obnovit tvar pracovní části sond.

7. Moderní SPM

1) Mikroskop skenovací sondy SM-300

Navrženo ke studiu morfologických rysů a struktury prostoru pórů. SM-300 (obr. 28) je vybaven vestavěným optickým polohovacím mikroskopem, který eliminuje potřebu nekonečného hledání oblasti zájmu. Ukázkový barevný optický obraz s mírným zvětšením se zobrazí na monitoru počítače. Zaměřovací kříž v optickém obrazu odpovídá poloze elektronového paprsku. Pomocí nitkového kříže můžete provést rychlé umístění a definovat oblast zájmu pro rastrovou analýzu.

Rýže. 28. SPM SM-300 elektronový mikroskop. Optická polohovací jednotka je vybavena samostatným počítačem, který zajišťuje její hardwarovou nezávislost na skenovacím mikroskopu.

MOŽNOSTI SM - 300

Garantované rozlišení 4 nm

Unikátní optický polohovací mikroskop (volitelně)

Intuitivní software Windows®

Plně počítačem řízený skenovací mikroskop a zobrazování

Standardní televizní výstup s digitálním zpracováním signálu

Počítačové ovládání systému nízkého vakua (volitelně)

Všechna vyšetření se provádějí v jedné poloze osy aplikátoru (12 mm)

Elementární rentgenová mikroanalýza v režimech nízkého a vysokého vakua (volitelně)

Schopnost pracovat za normálních světelných podmínek v místnosti

Vyšetřování nevodivých vzorků bez předběžné přípravy

Rozlišení 5,5 nm v režimu nízkého vakua

· Softwarové ovládání spínacích režimů

Volitelný rozsah vakuové komory 1,3 - 260 Pa

Zobrazení obrázku na obrazovce monitoru počítače

Sériový Robinsonův snímač s zpětným rozptylem V

2) Mikroskop se skenovací sondou s vysokým rozlišením Supra50VP se systémem mikroanalýzy INCA Energy + Oxford.

Zařízení (obr. 29) je určeno pro výzkum ve všech oblastech vědy o materiálech, v oblasti nano- a biotechnologie. Přístroj zvládá velké velikosti vzorků a také podporuje provoz s proměnlivým tlakem pro testování nevodivých vzorků bez přípravy. Rýže. 29. SZM Supra50VP

MOŽNOSTI:

Zrychlující napětí 100 V - 30 kV (katoda s emisí pole)

Max. zvýšit až x 900 000

Extrémně vysoké rozlišení - až 1 nm (při 20 kV)

Vakuový režim s proměnným tlakem od 2 do 133 Pa

Zrychlující napětí - od 0,1 do 30 kV

Motorizovaný stůl s pěti stupni volnosti

Rozlišení detektoru EDX 129 eV na lince Ka (Mn), rychlost počítání až 100 000 cps

3) LEO SUPRA 25 modernizovaný mikroskop se sloupcem „GEMINI“ a emisí z pole (obr. 30).

- Navrženo pro výzkum nanoanalýzy

- Lze připojit systémy EDX i WDX pro mikroanalýzu

- Rozlišení 1,5 nm při 20 kV, 2 nm při 1 kV.

Závěr

V posledních letech použití mikroskopie sondy umožnilo dosáhnout jedinečných vědeckých výsledků v různých oblastech fyziky, chemie a biologie.

Pokud byly první mikroskopy skenovací sondy indikačními nástroji pro kvalitativní výzkum, pak je moderní mikroskop skenovací sondy zařízením, které integruje až 50 různých výzkumných metod. Je schopen provádět specifikované posuny v systému sonda-vzorek s přesností 0,1%, vypočítat tvarový faktor sondy, provádět přesná měření dostatečně velkých rozměrů (až 200 mikronů v skenovací rovině a 15-20 mikronů na výšku) a současně poskytují submolekulární rozlišení.

Mikroskopy se skenovací sondou se staly jednou z nejžádanějších tříd nástrojů pro vědecký výzkum na světovém trhu. Neustále se vyvíjejí nové designy nástrojů přizpůsobené různým aplikacím.

Dynamický rozvoj nanotechnologií vyžaduje stále větší rozšiřování schopností výzkumné technologie. High-tech společnosti po celém světě pracují na vytvoření výzkumu a technologických nanokomplexů, které kombinují celé skupiny analytických metod, jako jsou: Ramanova spektroskopie, luminiscenční spektroskopie, rentgenová spektroskopie pro elementární analýzu, optická mikroskopie s vysokým rozlišením, elektronová mikroskopie , soustředěné svazky iontů. Systémy získávají výkonné intelektuální schopnosti: schopnost rozpoznávat a klasifikovat obrázky, zvýrazňovat požadované kontrasty, disponovat schopnostmi pro modelování výsledků a výpočetní výkon zajišťuje použití superpočítačů.

Vyvíjená technologie má silné schopnosti, ale konečným cílem jejího použití je získání vědeckých výsledků. Zvládnutí schopností této techniky je samo o sobě úkolem vysokého stupně složitosti, které vyžaduje školení vysoce kvalifikovaných odborníků, kteří mohou tato zařízení a systémy efektivně využívat.

Bibliografie

1. Nevolin VK Základy technologie tunelových sond / VK Nevolin, - Moskva: Nauka, 1996, - 91 s.

2. Kulakov Yu. A. Elektronová mikroskopie / Yu. A. Kulakov, - M.: Knowledge, 1981, - 64 s.

3. Volodin A.P. Skenovací mikroskopie / A.P. Volodin, - Moskva: Nauka, 1998, - 114 s.

4. Mikroskopie biopolymerů skenovací sondou / Editoval IV Yaminsky, - M.: Scientific world, 1997, - 86 s.

5. Mironov V. Základy mikroskopie skenovací sondy / V. Mironov, - M.: Tekhnosfera, 2004, - 143 s.

6. Rykov SA Mikroskopie rastrovacích sond polovodičových materiálů / SA Rykov, - SPB: Nauka, 2001, - 53 s.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Mikroskopie skenovací sondy pro vědu a průmysl / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronika: věda, technologie, obchod, - 1997, - č. 5, - s. 7-14.

Výzkum piezoelektrických mikrodisplacementových skenerů.

Účel práce: studium fyzikálních a technických principů poskytování mikroobjemů objektů v mikroskopii skenovací sondy, realizované pomocí piezoelektrických skenerů

Úvod

Mikroskopie skenovací sondy (SPM) je jednou z nejmocnějších moderních metod pro studium vlastností pevného povrchu. V současné době není prakticky žádný výzkum v oblasti povrchové fyziky a mikrotechnologií dokončen bez použití metod SPM.

Principy mikroskopie rastrovací sondy lze použít jako základní základ pro vývoj technologie pro vytváření nanorozměrných struktur v pevném stavu (1 nm = 10 A). Poprvé v technologické praxi vytváření předmětů vyrobených člověkem se nastoluje otázka použití principů atomové montáže při výrobě průmyslových výrobků. Tento přístup otevírá vyhlídky na implementaci zařízení obsahujících velmi omezený počet jednotlivých atomů.

Skenovací tunelovací mikroskop (STM), první z rodiny sondových mikroskopů, byl vynalezen v roce 1981 švýcarskými vědci G. Binnigem a G. Rohrerem. Ve svých pracích ukázali, že se jedná o celkem jednoduchý a velmi účinný způsob studia povrchu s vysokým prostorovým rozlišením až do atomového řádu. Tato technika získala skutečné uznání po vizualizaci atomové struktury povrchu řady materiálů a zejména rekonstruovaného povrchu křemíku. V roce 1986 získali G. Binnig a G. Poper za vytvoření tunelového mikroskopu Nobelovu cenu za fyziku. Po tunelovém mikroskopu, mikroskopu atomové síly (AFM), mikroskopu magnetické síly (MSM), mikroskopu elektrické síly (EFM), optickém mikroskopu blízkého pole (BOM) a mnoha dalších zařízeních s podobnými provozními principy a tzv. mikroskopy skenovací sondy.

1. Obecné principy mikroskopů skenovací sondy

Ve skenovacích mikroskopických sondách se studium mikroreliéfu a místních vlastností povrchu provádí pomocí speciálně připravených sond jehlového typu. Poloměr zakřivení pracovní části takových sond (bodů) je velký přibližně deset nanometrů. Charakteristická vzdálenost mezi sondou a povrchem vzorků v mikroskopech sondy v řádu velikosti je 0,1 - 10 nm.

Činnost mikroskopů sondy je založena na různých typech fyzikální interakce sondy s atomy povrchu vzorku. Činnost tunelového mikroskopu je tedy založena na jevu tunelového toku proudu mezi kovovou jehlou a vodivým vzorkem; různé typy silových interakcí jsou základem činnosti atomových silových, magnetických a elektrických silových mikroskopů.

Zvažme společné rysy, které jsou vlastní různým mikroskopům sondy. Interakce sondy s povrchem nechť je charakterizována nějakým parametrem R.... Pokud existuje dostatečně ostrá a individuální závislost parametru R. ze vzdálené sondy - vzorek P = P (z), pak lze tento parametr použít k uspořádání systému zpětné vazby (OS), který řídí vzdálenost mezi sondou a vzorkem. Na obr. 1 schematicky ukazuje obecný princip organizace zpětné vazby mikroskopu skenovací sondy.

Rýže. 1. Schéma zpětnovazebního systému mikroskopu sondy

Zpětnovazební systém udržuje hodnotu parametru R. konstanta rovná hodnotě Ro nastavený operátorem. Pokud se vzdálenost sondy - povrchu změní (například zvětší), pak se parametr změní (zvětší) R.... V systému OS je generován rozdílový signál úměrný hodnotě. P= P - Po, který je zesílen na požadovanou hodnotu a přiváděn do ovladače IE. Aktuátor zpracovává tento rozdílový signál přiblížením sondy k povrchu nebo pohybem pryč, dokud se rozdílový signál nestane rovným nule. Tímto způsobem lze udržovat vzdálenost sondy od vzorku s vysokou přesností. Ve stávajících mikroskopech sondy dosahuje přesnost udržování vzdálenosti povrchu sondy ~ 0,01 Å. Když se sonda pohybuje po povrchu vzorku, parametr interakce se změní R. kvůli povrchovému reliéfu. Systém OS tyto změny zpracovává, takže když se sonda pohybuje v rovině X, Y, signál na akčním členu je úměrný povrchovému reliéfu.

K získání obrázku SPM se provede speciálně organizovaný proces skenování vzorku. Při skenování se sonda nejprve pohybuje po vzorku po určité linii (řádkové skenování), zatímco hodnota signálu na akčním členu, úměrná povrchovému reliéfu, je zaznamenána do paměti počítače. Poté se sonda vrátí do počátečního bodu a přejde na další skenovací čáru (vertikální skenování) a postup se znovu opakuje. Takto zaznamenaný signál zpětné vazby během skenování je zpracován počítačem a poté obrazem povrchového reliéfu SPM Z = f (x, y) postavený s pomocí počítačové grafiky. Spolu se studiem povrchového reliéfu umožňují sondové mikroskopy studium různých povrchových vlastností: mechanických, elektrických, magnetických, optických a mnoha dalších.