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 в 1986 році. яка була розділена між ними і винахідником просвічує електронного мікроскопа Е. Руска. Відмінною особливістю СЗМ є наявність:
- зонда,
- системи переміщення зонда щодо зразка по 2-м (X-Y) або 3-м (X-Y-Z) координат,
- реєструє системи.
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:
Схема роботи атомно-силового мікроскопа
Робота скануючого зондового мікроскопа заснована на взаємодії 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.
- Детектори повинні надійно фіксувати малі за величиною обурення реєстрованого параметра.
- Створення прецизійної системи розгортки.
- Забезпечення плавного зближення зонда з поверхнею.
Схема роботи скануючого тунельного мікроскопа
Кантилевер атомно-силового мікроскопа (СЕМ зображення, збільшення 1000 ×)
Тунельний мікроскоп (СТМ) - для отримання зображення використовується тунельний струм між зондом і зразком, що дозволяє отримати інформацію про топографію і електричні властивості зразка. Атомно-силовий мікроскоп (АСМ) - реєструє різні сили між зондом і зразком. Дозволяє отримати топографію поверхні і її механічні властивості. Скануючий бліжнепольний мікроскоп (СБОМ) - для отримання зображення використовується ефект ближнього поля.
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.
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 [6] 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 [1] [7]) 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 ультрамікротомамі конструктивно виправдане використання саме сканерів на пьезотрубках.
Обробка отриманої інформації і відновлення отриманих зображень
Приклад СЗМ-скан: суперечки Аспергилл. вирощеного на чайній культурі на скляній підкладці
Як правило, зняте на скануючому зондовом мікроскопі зображення важко піддається розшифровці через властивих даному методу спотворень. Практично завжди результати первинного сканування піддаються математичній обробці. Для цього використовується програмне забезпечення безпосередньо поставляється з СЗМ. Існує і програмне забезпечення яке розповсюджується по GNU ліцензії. Наприклад, Gwyddion [8]
Сучасний стан та розвиток скануючої зондової мікроскопії
В даний час скануючі зондові мікроскопи знайшли застосування практично у всіх областях науки. У фізиці, хімії, біології використовують як інструмент дослідження СЗМ. Зокрема, такі міждисциплінарні науки, як матеріалознавство. біохімія. фармацевтика. нанотехнології. фізика і хімія поверхні, електрохімія. дослідження корозії. електроніка (наприклад, МЕМС), фотохимия і багато інших. Перспективним напрямком вважається поєднання скануючих зондових мікроскопів з іншими традиційними і сучасними методами дослідженнями, а також створення принципово нових приладів. Наприклад, поєднання СЗМ з оптичними мікроскопами (традиційними і конфокальної мікроскопами) [9] [10] [11]. електронними мікроскопами [12]. спектрометрами (наприклад, спектрометрами комбінаційного (раманівського) розсіювання і флуоресцентними) [13] [14] [15]. ультрамікротомамі [16].
Виробники СЗМ в Росії і СНД в алфавітному порядку
АНО «Інститут нанотехнологій МФК»
ТОВ «АІСТ-НТ»
ТОВ «Нано Скан Технологія»
«Мікротестмашіни», Білорусія
Компанія, яка виробляє обладнання для наукових досліджень, в тому числі одну модель скануючого зондового мікроскопа. [22]
ЗАТ «NT-MDT»
ЗАТ «NT-MDT» - російська компанія, створена в Зеленограді в 1989 році. Займається виробництвом скануючих зондових мікроскопів для освіти, наукових досліджень і дрібносерійного виробництва. [23] В даний час компанія виробляє 4 модельних ряди, а також широкий асортимент аксесуарів і витратних матеріалів: кантілевери. калібрувальні решітки, тестові зразки.
«Технологічний інститут надтвердих і нових вуглецевих матеріалів» (ФГБНУ ТІСНУМ), Росія
- Розробка і розвиток нових підходів до вимірювання фізико-механічних властивостей матеріалів на наномасштабі.
- Створення оригінальних вимірювальних методик і приладів.
- Виробництво скануючих нанотвердомеров серії «НаноСкан». поєднують можливості класичних наноінденторов і скануючих зондових мікроскопів, що мають ряд додаткових унікальних можливостей.
- Виробництво наноінденторов.