Атомно – силовой микроскоп

Сканирующая туннельная микроскопия.

При использовании этих приборов свойства поверхности образцов изучаются путем приложения небольшого напряжения (0,01 – 10В) к зонду и регистрации туннельного тока в зазоре между зондом и исследуемой поверхностью. Поскольку в этом методе измеряется электрический ток, то его можно применять только для исследования проводящих материалов (металлов, полупроводников) и только в вакууме..

На слайде 12 приведена схема этого прибора.

Очень тонкая игла с острием в один атом перемещается над поверхностью образца на расстоянии порядка одного нанометра. При этом согласно законам квантовой механики, электроны преодолевают вакуумный барьер между объектов и острием – туннелируют. И между зондом и образцом начинает течь ток. Величина этого тока очень сильно зависит от зазора. При изменении зазора на десятые доли нанометра ток может изменяться на порядок. Так что, перемещая зонд вдоль поверхности с помощью пьезоэлементов и отслеживая изменение тока, можно исследовать рельеф поверхности. На самом деле это не фотография, а всего лишь графическое изображение того, как изменяется зазор между зондом и поверхностью для поддержания постоянного значения тока. Положение зонда, следовательно, определяется некоторым фиксированным значением туннельного тока.

СТМ позволяет увидеть детали поверхности с разрешением в сотые и даже тысячные доли нанометра, что соответствует увеличению порядка 100 миллионов раз. Таким образом, взаимодействие зонда СТМ с электронными оболочками атомов дает возможность изучать самые мельчайшие подробности, доступные на сегодняшний день. В этом его уникальность.

Туннельный ток зависит от химического состава и рельефа поверхности образца. Полученные результаты, поэтому характеризуют топографию, химические и электронные свойства поверхности.

Сканирующий механизм позволяет перемещать зонд с высокой точностью на расстояния до нескольких миллиметров.

С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только проводить собственно микроскопические исследования поверхности образца, но и перемещать зондом отдельные атомы по поверхности. Именно с помощью этого прибора создают квантовые точки. То есть, зонд применяется как атомный пинцет, захватывающий и переносящий отдельные атомы в нужное место на поверхности. Слайд 13 «квантового загона».

Атомно – силовой микроскоп.

Как мы видели, с помощью сканирующего туннельного микроскопа можно изучать поверхность только электропроводящих материалов. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) позволяет исследовать не только проводящие материалы, но и диэлектрики.

Сканированием с помощью зонда регистрируют изменения силового взаимодействия кончика иглы с исследуемой поверхностью. (Слайд 14). Игла расположена на конце специальной консольной балки (кантилевера), способной изгибаться под действием небольших сил взаимодействия Ван-дер-ваальсовского типа, возникающих между вершиной иглы и исследуемой поверхностью. Деформация кантилевера регистрируется с помощью чувствительных датчиков с точностью около 1 нм, что дает возможность после соответствующих преобразований воссоздать с атомарным разрешением топографию исследуемой поверхности. Таким образом, в этом приборе измеряемой физической величиной выступают непосредственно силы взаимодействия между атомами, величина которых определяется «шероховатостью» конкретного участка поверхности в точке измерения.

На слайде 15 приведена схема зависимости силы межатомного взаимодействия от расстояния.

На следующих слайдах 16 и 17 приведены рисунки, поясняющий принцип работы этого прибора.

С помощью АСМ можно изучать любые поверхности независимо от того, являются они проводниками или диэлектриками.

Одно из важных преимуществ АСМ заключается в возможности его применения при исследовании биологических образцов, так как он не требует вакуума. АСМ также позволяет изучать не только рельеф поверхности, но и взаимодействие между молекулами. На острие зонда «закрепляют» одну из молекул и исследуют ее взаимодействие с другой молекулой, находящейся на поверхности.

Однако АСМ довольно сильно уступает СТМ по разрешению из-за сильных тепловых шумов, влияющих на точность измерений.

Атомно – силовая и туннельная микроскопия это частные случаи так называемой сканирующей зондовой микроскопии, позволяющих изучать различные свойства поверхностей, а не только рельефа. Все определяется тем, что используется в качестве зонда. Скажем, с помощью проводящей иглы можно изучать локальные диэлектрические свойства поверхности с нанометровой точностью. Это электросиловая микроскопия. С помощью ферромагнитного зонда можно изучать распределение магнитного поля в нанометровом масштабе. Это магнитно – силовая микроскопия. То есть, создано семейство сканирующих зондовых микроскопов.

Одним из самых экзотических вариантов зондовой микроскопии является сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ). В качестве зонда здесь используется диафрагма диаметром в несколько нанометров. Свет с длиной волны в несколько сотен нанометров способен проникать через такую диафрагму, согласно законам квантовой механики, но на небольшие расстояния, сравнимые с диаметром диафрагмы. На эти расстояниях, много меньших длины волны падающего света возникают волны, обусловленные полным отражением света от облучаемой поверхности. Этот отраженный от образца свет можно зарегистрировать. При этом получается настоящее изображение поверхности в видимом свете, зависящее от ее локальных оптических свойств, причем с нанометровым разрешением. Метод БОМ представляется весьма перспективным для исследований и применений в области оптических запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью записи, а также для технологий оптической микообработки поверхностей.

Магнитно – резонансная томография.

МР томография буквально произвела революцию в медицине. Впервые стало возможным наблюдать за биологическими процессами в реальном времени, не нарушая их естественного протекания. Однако наибольшее разрешение современных томографов измеряются долями миллиметра. Специальные МР – томографы имеют разрешение порядка микрометра. Добиться большей точности мешает шум в принимаемом катушками сигнале.

Для преодоления этого ограничения был разработан магнитно-силовой микроскоп. В нем используется прямое измерение силы взаимодействия градиентного магнитного поля со спинами ядер водорода в образце, расположенном на кончике кантилевера. Отклонение кантилевера измеряется с помощью лазерного интерферометра.

Совместив МР силовую микроскопию с трехмерным механическим сканированием и используя специальные алгоритмы обработки данных, достигли пространственного разрешения порядка 4 нм.

Образец располагается на кончике кантилевера, под которым располагается постоянный магнит, создающий магнитное поле. (Слайд 19). Вокруг провода создается радиочастотное магнитное поле. Взаимодействие спинов ядер водорода с полем определяется по амплитуде отклонения кантилевера.