Мікроскопія (МКС) (грец. # 956; # 953; # 954; # 961; # 972; # 962; - невеликий, маленький і # 963; # 954; # 959; π # 941; # 969; - бачу) - вивчення об'єктів з використанням мікроскопа, спостереження і реєстрація збільшених зображень зразка.
Історично склалося кілька класів мікроскопії:
· Сканирующая зондовая мікроскопія;
Ідея просвічує електронного мікроскопа полягала в заміні опорного електромагнітного випромінювання на електронний пучок. Відомо, що для збільшення дозволу мікроскопів, що використовують електромагнітне випромінювання, необхідно зменшення довжини хвилі електромагнітного випромінювання до ультрафіолетового діапазону аж до рентгенівського (довжина хвилі порівнянна з міжатомними відстанями в речовині) і основна складність полягає у фокусуванні ультрафіолетових і, тим більше, рентгенівських променів.
Особливість взаємодії рентгенівських променів з речовиною відрізняє рентгенівські оптичні системи від оптичних систем для світлових і електронних променів. Мале відхилення показника заломлення рентгенівських променів від одиниці (менше ніж на 10 -4) практично не дозволяє використовувати для їх фокусування лінзи і призми. Електричні і магнітні лінзи для цієї мети також непридатні, так як рентгенівські промені інертні до електричного і магнітного полів. Тому в рентгенівської мікроскопії для фокусування рентгенівських променів використовують явище їх повного зовнішнього відбивання вигнутими дзеркальними площинами або відбиття від кристалографічних вигнутих поверхонь. На цьому принципі побудовані відбивні рентгенівські мікроскопи.
Ступінь проникнення в мікросвіт, його вивчення залежить від можливості розглянути величину мікроелемента, від роздільної здатності мікроскопа. Найчастіше під дозволом мікроскопа розуміють мінімальну відстань між помітними об'єктами.
При перевищенні збільшення при якому досягається можливий дозвіл, кордони деталей зображення зливаються через дифракції променів. Подальше збільшення зображення зразка втрачає сенс.
У оптичної мікроскопії в даний час зроблений прорив, в результаті якого подолано фундаментальний релєєвського критерій, що полягає в тому, що мінімальний розмір помітного об'єкта дещо менше довжини хвилі використовуваного світла і принципово обмежений дифракцією випромінювання. Це була межа можливого в оптичної мікроскопії. До недавнього часу можна було подолати бар'єр, що дозволяє розрізняти структури з відстанню між елементами до 0,20 мкм.
Проте видатна остання розробка оптичної системи наноскопа з оптичним дозволом 10 нм розширило діапазон оптичної мікроскопії -наноскопіі до десятків нанометрів, що в порівнянні з 0,20 мкм в 20 разів скоротив відстань між розрізнюваними елементами. (Наприклад, розмір білкових молекул, з яких складається наш організм, коливається від 3 до 10 нм).
Скануючі зондові мікроскопи
Скануючі зондові мікроскопи (СЗМ, англ. SPM - Scanning Probe Microscope) - клас мікроскопів для отримання зображення поверхні і її локальних характеристик. Процес побудови зображення заснований на скануванні поверхні зондом. У загальному випадку дозволяє отримати тривимірне зображення поверхні (топографію) з високою роздільною здатністю. Скануючий зондовий мікроскоп в сучасному вигляді винайдений (принципи цього класу приладів були закладені раніше іншими дослідниками) Гердом Карлом Бінніг і Генріхом Рорером в 1981 році. За цей винахід були удостоєні Нобелівської премії з фізики за1986 рік, яка була розділена між ними і винахідником просвічує електронного мікроскопа Е. Руска. Відмінною особливістю СЗМ є наявність:
· Системи переміщення зонда щодо зразка по 2-м (X-Y) або 3-м (X-Y-Z) координат,
Реєструє, система фіксує значення функції, що залежить від відстані зонд-зразка. Зазвичай реєстроване значення обробляється системою негативного зворотного зв'язку, яка керує положенням зразка або зонда по одній з координат (Z). В якості системи зворотного зв'язку найчастіше використовується ПІД-регулятор.
Основні типи скануючих зондових мікроскопів:
· Сканирующий тунельний мікроскоп;
· Бліжнепольний оптична мікроскоп;
· Сканирующий атомно-силовий мікроскоп;
На даний момент, в більшості дослідницьких лабораторій сканирующая зондовая і електронна мікроскопія використовуються як доповнюючі один одного методи дослідження в силу ряду фізичних і технічних особливостей.
Принцип роботи СЗМ
Робота скануючого зондового мікроскопа поверхні зразка з зондом (кантилевер, голка або оптичний зонд). При малій відстані між поверхнею і зондом дію сил взаємодії (відштовхування, тяжіння, і інших сил) і прояв різних ефектів (наприклад, туннелирование електронів) можна зафіксувати за допомогою сучасних засобів реєстрації. Для реєстрації використовують різні типи сенсорів, чутливість яких дозволяє зафіксувати малі за величиною обурення. Для отримання повноцінного растрового зображення використовують різні пристрої розгортки по осях X і Y (наприклад, пьезотрубкі, плоскопараллельние сканери).
Основні технічні складності при створенні скануючого зондового мікроскопа:
· Кінець зонда повинен мати розміри порівнянні з досліджуваними об'єктами.
· Забезпечення механічної (в тому числі теплової та вібраційної) стабільності на рівні краще 0,1 ангстрема (10 -10).
· Детектори повинні надійно фіксувати малі за величиною обурення реєстрованого параметра.
· Створення прецизійної системи розгортки.
· Забезпечення плавного зближення зонда з поверхнею.
У порівнянні з растровим електронним мікроскопом (РЕМ) скануючий зондовий мікроскоп має низку переваг. Так, на відміну від РЕМ, який дає псевдо тривимірне зображення поверхні зразка, СЗМ дозволяє отримати істинно тривимірний рельєф поверхні. Крім того, в загальному випадку скануючий зондовий мікроскоп дозволяє отримувати зображення як провідної, так і непроводящей поверхні, тоді як для вивчення непроводящих об'єктів за допомогою РЕМ необхідно металлизировать поверхню. Для роботи з РЕМ необхідний вакуум, в той час як більша частина режимів СЗМ призначена для досліджень на повітрі, вакуумі і рідини. Завдяки цьому, за допомогою СЗМ можливо вивчати матеріали і біологічні об'єкти в нормальних для цих об'єктів умовах. Наприклад, вивчення біомакромолекул і їх взаємодій, живих клітин. В принципі, СЗМ здатний дати більш високу роздільну здатність ніж РЕМ. Так було показано, що СЗМ в змозі забезпечити реальне атомне дозвіл в умовах надвисокого вакууму при відсутності вібрацій. Сверхвисоковакуумних СЗМ по вирішенню порівняємо з просвітчастим електронним мікроскопом.
До недоліку СЗМ при його порівнянні з РЕМ також слід віднести невеликий розмір поля сканування. РЕМ в стані просканувати область поверхні розміром в кілька міліметрів в латеральної площині з перепадом висот в декілька міліметрів у вертикальній площині. У СЗМ максимальний перепад висот становить кілька мікрометрів, як правило не більше 25 мкм, а максимальне поле сканування в кращому випадку близько 150 × 150 мікрометрів. Інша проблема полягає в тому, що якість зображення визначається радіусом кривизни кінчика зонда, що при неправильному виборі зонда або його пошкодженні призводить до появи артефактів на вихідному зображенні. При цьому підготовка зразків для СЗМ займає менше часу, ніж для РЕМ.
Нелінійність, гістерезис і повзучість (кріп) п'єзокераміки сканера також є причинами сильних спотворення СЗМ-зображень. Крім того, частина спотворень виникає через взаємних паразитних зв'язків, що діють між X, Y, Z-маніпуляторами сканера. Для виправлення викривлень в реальному масштабі часу сучасні СЗМ використовують програмне забезпечення (наприклад, особливість-орієнтоване сканування) або сканери, забезпечені замкнутими стежать системами, до складу яких входять лінійні датчики положення. Деякі СЗМ замість сканера у вигляді пьезотрубкі використовують XY і Z-елементи, механічно незв'язані один з одним, що дозволяє виключити частину паразитних зв'язків. Однак в певних випадках, наприклад, при поєднанні з електронним мікроскопом або ультрамікротокамі конструктивно виправдане використання саме сканерів на пьезотрубках.
АСМ. Історія створення
Атомно-силовий мікроскоп (АСМ, англ. AFM - atomic-force microscope) - скануючий зондовий мікроскоп високої роздільної здатності. Використовується для визначення рельєфу поверхні з дозволом від десятків ангстрем аж до атомарного.
Атомно-силовий мікроскоп був створений в 1982 році Гердом Бінніг, Кельвіном Куейтом і Крістофером Гербером в США, як модифікація винайденого раніше сканірующео тунельного мікроскопа.
Для визначення рельєфу поверхонь непровідних тел використовувалася пружна консоль (кантилевер), відхилення якої, в свою чергу, визначалося по зміні величини тунельного струму, як в скануючому тунельному мікроскопі. Однак такий метод реєстрації зміни положення кантільовери виявився не найвдалішим, так як за допомогою СТМ можна було досліджувати тільки речовини, які проводять струм, і двома роками пізніше була запропонована оптична схема: промінь лазера направляється на зовнішню поверхню кантільовери, відбивається і потрапляє на фотодетектор. Такий метод реєстрації відхилення кантільовери реалізований в більшості сучасних атомно-силових мікроскопів.
Спочатку атомно-силовий мікроскоп фактично представляв собою профілометр, тільки радіус заокруглення голки був близько десятків ангстрем. Прагнення поліпшити латеральне дозвіл призвело до розвитку динамічних методів. Пьезовібратором збуджуються коливання кантільовери з певною частотою і фазою. При наближенні до поверхні на кантилевер починають діяти сили, які змінюють його частотні властивості. Таким чином, відстежуючи частоту і фазу коливань кантільовери, можна зробити висновок про зміну сили, що діє з боку поверхні і, слідчо, про рельєф.
Подальший розвиток атомно-силової мікроскопії призвело до виникнення таких методів, як магнітно-силова мікроскопія, силова мікроскопія пьезооткліка, електро-силової мікроскопії.
Принцип роботи АСМ
Якісно роботу АСМ можна пояснити на прикладі сил Ван-дер-Ваальса. Найбільш часто енергію ван-дер-ваальсова взаємодії двох атомів, що знаходяться на відстані r один від одного, апроксимують ступеневою функцією - потенціалом Леннарда-Джонса: