Сканирующая зондовая микроскопия.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году.

Три основные и существенные особенности сканирующих зондовых микроскопов:

1. Возможность увидеть атомную и молекулярную структуру поверхности, воздействовать на нее на уровне отдельных атомов и молекул. Пространственное разрешение сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопа может достигать тысячных долей нанометра в направлении по нормали к образцу и сотые доли нанометра в плоскости образца.

2. Структуру и свойства (механические, электрические и электрон–ные) поверхности можно изучать в различных средах — на воздухе, в чистых жидкостях и растворах, в вакууме.

3. Наглядность представляемой информации.

Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строчку сканирования (кадровая развертка), и процесс повторятся вновь. Записанный таким образом сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z = f (x,y) строится с помощью компьютерной графики. 4 Наряду с исследованием рельефа поверхности зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и другие.

 

Атомно-силовая микроскопия.

АСМ — один из методов зондовой сканирующей микроскопии, применяемый для исследования локальных свойств поверхности, в котором анализируют силу взаимодействия иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца в процессе сканирования. АСМ также используется для направленного модифицирования поверхности вещества (материала) на уровне отдельных атомов.

АСМ позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

В зависимости от расстояний от иглы до образца, используемых для получения АСМ-изображений, возможны следующие режимы (моды) работы АСМ:

контактный режим

бесконтактный режим

полуконтактный режим

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нанометра. Таким образом, игла АСМ находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания.

При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. По изменению амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение поверхности.

Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца.

Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в Цюрихе (Швейцария), как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа.

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.