Атомно –силовий мікроскоп - Студопедія
Скануюча тунельна мікроскопія.
При використанні цих приладів властивості поверхні зразків вивчаються шляхом застосування невеликої напруги (0,01 – 10В) до зонда та реєстрації тунельного струму в зазорі між зондом та досліджуваною поверхнею. Оскільки в цьому методі вимірюється електричний струм, то його можна застосовувати тільки для дослідження провідних матеріалів (металів, напівпровідників) і тільки у вакуумі.
На слайді 12 наведено схему цього приладу.
Дуже тонка голка з вістрям один атом переміщається над поверхнею зразка з відривом порядку одного нанометра. При цьому згідно із законами квантової механіки, електрони долають вакуумний бар'єр між об'єктами та вістрям – тунелюють. І між зондом та зразком починає текти струм. Величина цього струму дуже залежить від зазору. При зміні зазору на десяті частки нанометра струм може змінюватися на порядок. Отже, переміщуючи зонд вздовж поверхні за допомогою п'єзоелементів та відстежуючи зміну струму, можна досліджувати рельєф поверхні. Насправді це не фотографія, а лише графічне зображення того, як змінюється зазор між зондом і поверхнею для підтримки постійного значення струму. Положення зонда, отже, визначається деяким фіксованим значенням тунельного струму.
СТМ дозволяє побачити деталі поверхні з роздільною здатністю в соті і навіть тисячні частки нанометра, що відповідає збільшенню близько 100 мільйонів разів. Таким чином, взаємодія зонда СТМ з електронними оболонками атомів дає можливість вивчати найдрібніші подробиці, доступні на сьогоднішній день. У цьому його унікальність.
Тунельний струм залежить від хімічного складу та рельєфу поверхні зразка. Отриманірезультати, тому характеризують топографію, хімічні та електронні властивості поверхні.
Скануючий механізм дозволяє переміщати зонд з високою точністю на відстані до кількох міліметрів.
За допомогою скануючого тунельного мікроскопа можна не лише проводити власне мікроскопічні дослідження поверхні зразка, а й переміщати зондом окремі атоми поверхнею. Саме за допомогою цього пристрою створюють квантові точки. Тобто, зонд застосовується як атомний пінцет, який захоплює і переносить окремі атоми в потрібне місце на поверхні. Слайд 13 "квантового загону".
Атомно - силовий мікроскоп.
Як ми бачили, за допомогою скануючого тунельного мікроскопа можна вивчати поверхню лише електропровідних матеріалів. Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) дозволяє досліджувати як провідні матеріали, а й діелектрики.
Скануванням за допомогою зонда реєструють зміни силової взаємодії кінчика голки з поверхнею, що досліджується. (Слайд 14). Голка розташована на кінці спеціальної консольної балки (кантилевера), здатної згинатися під дією невеликих сил взаємодії Ван-дер-ваальсовського типу, що виникають між вершиною голки та досліджуваною поверхнею. Деформація кантилевера реєструється за допомогою чутливих датчиків з точністю близько 1 нм, що дає змогу після відповідних перетворень відтворити з атомарною роздільною здатністю топографію досліджуваної поверхні.Таким чином, у цьому приладі вимірюваною фізичною величиною виступають безпосередньо сили взаємодії між атомами,величина яких визначається «шорсткістю» конкретної ділянки поверхні в точці вимірювання.
На слайді 15 наведено схему залежності сили міжатомної взаємодії від відстані.
На наступних слайдах 16 та 17 наведено малюнки, що пояснює принцип роботи цього приладу.
За допомогою АСМ можна вивчати будь-які поверхні незалежно від того, є вони провідниками чи діелектриками.
Одна з важливих переваг АСМ полягає у можливості його застосування при дослідженні біологічних зразків, оскільки він не вимагає вакууму. АСМ також дозволяє вивчати як рельєф поверхні, а й взаємодія між молекулами. На вістря зонда «закріплюють» одну з молекул і досліджують її взаємодію з іншою молекулою, що знаходиться на поверхні.
Однак АСМ досить сильно поступається СТМ з дозволу через сильні теплові шуми, що впливають на точність вимірювань.
Атомно – силова та тунельна мікроскопія – це окремі випадки так званої скануючої зондової мікроскопії, що дозволяють вивчати різні властивості поверхонь, а не тільки рельєфу. Все визначається тим, що використовується як зонд. Скажімо, за допомогою голки, що проводить, можна вивчати локальні діелектричні властивості поверхні з нанометровою точністю. Це електросилова мікроскопія. За допомогою феромагнітного зонда можна вивчати розподіл магнітного поля у нанометровому масштабі. Це магнітно – силова мікроскопія. Тобто створено сімейство скануючих зондових мікроскопів.
Одним із найекзотичніших варіантів зондової мікроскопії є скануюча близькопольна оптична мікроскопія (БОМ). Як зонд тут використовується діафрагма діаметром кілька нанометрів. Світло з довжиною хвилі в кілька сотень нанометрів здатне проникати через таку діафрагму, згідно з законами квантової механіки, але на невеликі відстані, які можна порівняти з діаметром діафрагми. На цих відстанях, багато менших довжини хвилі падаючого світла виникають хвилі,обумовлені повним відображенням світла від поверхні, що опромінюється. Це відбите від зразка світло можна зареєструвати. При цьому виходить справжнє зображення поверхні у видимому світлі, що залежить від її локальних оптичних властивостей, причому з роздільною здатністю нанометровим. Метод БОМ є досить перспективним для досліджень і застосувань в області оптичних пристроїв з надвисокою щільністю запису, а також для технологій оптичної мікообробки поверхонь.
Магнітно-резонансна томографія.
МР томографія буквально зробила революцію у медицині. Вперше стало можливим спостерігати за біологічними процесами у реальному часі, не порушуючи їхнього природного перебігу. Однак найбільший дозвіл сучасних томографів вимірюється частками міліметра. Спеціальні МР – томографи мають роздільну здатність порядку мікрометра. Домогтися більшої точності заважає шум у сигналі, що приймається котушками.
Для подолання цього обмеження розроблено магнітно-силовий мікроскоп. У ньому використовується пряме вимірювання сили взаємодії градієнтного магнітного поля зі спинами ядер водню у зразку, розташованому на кінчику кантилевера. Відхилення кантилевери вимірюється за допомогою лазерного інтерферометра.
Поєднавши МР силову мікроскопію з тривимірним механічним скануванням і використовуючи спеціальні алгоритми обробки даних, досягли просторового дозволу близько 4 нм.
Зразок розташовується на кінчику кантилевера, під яким знаходиться постійний магніт, що створює магнітне поле. (Слайд 19). Навколо дроту створюється радіочастотне магнітне поле. Взаємодія спинів ядер водню з полем визначається амплітудою відхилення кантилевера.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: