Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов

Минестерство образования и науки Российской Федерации

___________

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

_________________________________________________________________

С.Е. АЛЕКСАНДРОВ А.Б. Спешилова А.Л. Шахмин

Методы и приборы для анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов. Сканирующая зондовая микроскопия

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГПУ

2016

УДК 681.3.07

ББК

         Александров С.Е., Спешилова А.Б., Шахмин А.Л.   Методы и приборы для анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов. Сканирующая зондовая микроскопия.: Учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2016. 86 с.

 

Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Зондовые методы исследования наноматериалов» и «Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов» направления бакалаврской подготовки 554500 «Наноматериалы» подготовки дипломированных специалистов по специальности 073800 «Наноматериалы».

Рассмотрены основы сканирующей зондовой микроскопии. Описаны различные типы приборов, а также методики, применяемые в СЗМ. Отдельной темой выделено рассмотрение различных способов модифицирования поверхности с помощью сканирующих зондовых микроскопов.

Предназначено для бакалавров, изучающих дисциплину «Зондовые методы исследования наноматериалов» и «Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов» в рамках специальной подготовки.

Табл. 0 Ил. 55 Библиогр.: 58 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

© Александров С.Е., Спешилова А.Б., Шахмин А.Л.

© Санкт-Петербургский государственный

ISBN -                                                      политехнический университет, 2005

Введение

 

Сканирующие зондовые микроскопы (scanning probe microscopes – SPM) – это целое семейство новых уникальных приборов, позволяющих изучать свойства поверхности материалов (в ряде случаев и их объёма вблизи поверхности) с очень высоким пространственным разрешением – вплоть до атомарного. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), объединяющая широкий спектр современных методов исследования поверхности, насчитывает более двадцати лет своей истории - с момента создания Биннигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). За прошедшие годы применение зондовой микроскопии позволило достичь уникальных научных результатов в различных областях физики, химии и биологии. В настоящее время практически ни одно исследование в области материаловедения не обходится без применения этих приборов.

Кроме того, результаты многочисленных исследований, выполненных за последние 10 лет, показывают, что сканирующие зондовые микроскопы могут быть использованы в качестве инструментов, позволяющих в области пространства, располагающегося между поверхностью конденсированной фазы и зондом, локально создавать условия, благоприятные для формирования как активных хемосорбционных мест на поверхности конденсированной фазы, так и для образования высокореакционных частиц (свободных радикалов, атомов, ионов, электронов) в газовой (плазменной) фазе, локализованной под зондом. Возможность контролируемого перемещения зонда над поверхностью конденсированной фазы (подложки) позволяет создавать на ней упорядоченные структуры с нанометровыми разрешением и размерами.

В настоящее время зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся область техники, нанотехнологии и прикладных научных исследований в области материаловедения, поэтому знакомство студентов, обучающихся по специальности «Наноматериалы», представляется необходимым и крайне полезным.

Общие сведения о сканирующих зондовых микроскопах

Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов

 

В сканирующей зондовой микроскопии исследование рельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальных зондов. Расстояние между зондом и поверхностью образца при работе составляет примерно 0,1 – 10 нм.

Работа СЗМ основана на регистрации различного рода взаимодействий, возникающих между зондом и поверхностью исследуемого образца. В настоящее время существует более десяти различных типов СЗМ, но все они имеют общую структуру и компоненты (рисунок 1).

Рисунок 1. Структурная схема сканирующего зондового микроскопа (для приборов, в которых сканирование осуществляется образцом) [1]

 

Принцип их работы заключается в следующем. С помощью системы грубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхности исследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояние менее сотни нанометров последний начинает взаимодействовать с поверхностными структурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль поверхности осуществляется с помощью сканирующего устройства. Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зонда относительно образца и через систему обратной связи передает данные о ней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. В современных зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины ~ 0.01 Å. Компьютерная система служит, кроме управления сканером, также для обработки данных от зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.

Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и другие.