Атомно-силовой микроскоп

В сравнении с растровым электронным микроскопом <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF> (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт

Атомно-силовой микроскоп

Дипломная работа

Компьютеры, программирование

Другие дипломы по предмету

Компьютеры, программирование

Сдать работу со 100% гаранией

Содержание

 

Введение

. Атомно-силовая микроскопия

История изобретения атомно-силового микроскопа

3. Конструкция атомно-силового микроскопа

. Принцип работы

.1 Режимы работы

5. Основные технические сложности при создании микроскопа

Заключение

Библиографический список использованной литературы

 

Введение

 

С понятием зондовой микроскопии связано осуществление многовековой мечты человечества - увидеть атомы. Атомно-силовая микроскопия (как и в целом зондовая микроскопия) - относительно новое направление (а точнее, метод) в науке, и его использование кажется сейчас просто безграничным.

В настоящее время сканирующий зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования АСМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как биофизика, материаловедение <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, биохимия <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F>, фармацевтика <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B5%D0%B2%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0>, нанотехнологии <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F>, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D1%8F>, электроника (например, МЭМС <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B>), фотохимия <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F> и многие другие.

зондовый атомный силовой микроскоп

1. Атомно-силовой микроскоп

 

Атомно-силовая микроскопия - вид зондовой микроскопии, в основе которого лежит силовое взаимодействие атомов (строго говоря обменное взаимодействие атомов зонда и исследуемого образца).

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> AFM - atomic-force microscope) -сканирующий зондовый микроскоп <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF> высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D1%83%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF>, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе в качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам - пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

С помощью атомно-силового микроскопа можно получать изображения как физических объектов, так и биологических и химических объектов (вирусов и бактерий, атомов и молекул). Разрешение таких микроскопов достигает доли нанометров, что позволяет наблюдать атомы! Получением изображений не ограничиваются возможности этого прибора. С помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, а также перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.

 

2. История изобретения атомно-силового микроскопа

 

Атомно-силовой микроскоп был создан в 1986 году <http://ru.wikipedia.org/wiki/1986_%D0%B3%D0%BE%D0%B4> Гердом Биннигом, и Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%A8%D0%90>, как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D1%83%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF>.

Для определения рельефа поверхностей непроводящих тел использовалась упругая консоль (кантилевер), отклонение которой, в свою очередь, определялось по изменению величины туннельного тока, как в сканирующем туннельном микроскопе <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D0%BE-%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF>. Однако такой метод регистрации изменения положения кантилевера оказался не самым удачным, и двумя годами позже была предложена оптическая схема: луч лазера <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80> направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80&action=edit&redlink=1>. Такой метод регистрации отклонения кантилевера реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов.

Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80>, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем. Стремление улучшить латеральное разрешение <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B7%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0)> привело к развитию динамических методов. Дальнейшее развитие атомно-силовой микроскопии привело к возникновению таких методов, как магнитно-силовая микроскопия <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F>, силовая микроскопия пьезоотклика <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F_%D0%BF%D1%8C%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BE%D1%82%D0%BA%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0&action=edit&redlink=1>, электро-силовой микроскопии <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE-%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F>.

 

3. Конструкция атомно-силового микроскопа

 

Кантилевер (от англ. cantilever - консоль, балка) - одна из основных составных частей сканирующего зондового микроскопа представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,5×3,5×0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. На нижнем конце кантилевера располагается игла, взаимодействующая с образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5 - 90 нм, лабораторных - от 1 нм.

Верхняя сторона кантилевера над иглой является зеркальной для отражения лазерного луча. В некоторых случаях для улучшения отражающей способности кантилевера на него напыляют тонкий слой алюминия. По своей структуре кантилевер чаще всего представляет собой монокристалл кремния или нитрида кремния. Игла также может быть из кремния, нитрида кремния или алмаза.

Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:

§Жёсткий корпус, удерживающий систему

§Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется

§Устройства манипуляции

В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.

Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для "грубого" регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая - для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон).
В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещания на расстояния порядка ангстрем.

§Зонд

§Система регистрации о

Похожие работы

1 2 3 > >>