В предлагаемой статье речь пойдет об электронной микроскопии. Рассматриваются различные типы электронных микроскопов (ЭМ), включая просвечивающие и зондирующие микроскопы с высоким разрешением, рентгеновская микроскопия и анализ, новейшие методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, а также методы электронной криомикроскопии для исследования биообъектов. Микроскопы — важное средство измерения размеров и форм объектов. Что касается рентгеновского микроскопа, то важным требованием является представление объекта в кристаллической форме. Дж. Уотсон и Ф. Крик вынуждены были найти кристаллизованную молекулу ДНК, чтобы приступить к исследованию.
Использование электронных микроскопов (ЭМ) обеспечивает (включает) изучение материи на уровне наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур с размерами менее 100 нм, квантовых точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических наноструктур. Рассматриваются кратко методы зондовой и растровой электронной микроскопии (РЭМ) применительно к нанотехнологиям, а также упоминается не только исследование характеристик различных наноматериалов, наноструктур и нанообъектов, но и технология их изготовления in situ (на месте).
Сканирующим туннельным микроскопом (СТМ) в 1989 г. исследователи выложили из 35 атомов ксенона три буквы логотипа IBM. Прибор (микроскоп), позволил получить изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями от 200 эВ до 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). СТМ показала себя как наиболее простой и удобный метод манипулирования отдельными атомами (IBM).
Спустя почти 25 лет IBM сделала мультфильм, в котором действовала фигура мальчика. Все сцены фильма были сложены из 242 молекул угарного газа. Как ученые работают с отдельными атомами и молекулами? Метод может быть использован для модификации наноструктур, применяющихся в фотонике и спинтронике.
Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения.
Введение. Микроскопия (МСК)
Микроскопия — (греч. μικρός — мелкий, маленький и σκοπέω — вижу) — изучение объектов с использованием микроскопа. Оптический или световой микроскоп –оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, невидимых невооруженным глазом. Следующие события, явления, факты и законы можно рассматривать как предпосылки для возникновения приборов и инструментов нанотехнологий и появления новых наноматериалов с новыми свойствами.
1897 открытие электрона. Томсон (J. J. Thomson).
1924 существование у электрона волновых свойств Де Бройль (de Broglie)
1926 продемонстрировал возможность фокусировки электронного пучка с помощью магнитных линз цилиндрической формы. Это положило начало ЭМ. Буш (Busch)
1931 получен патент на просвечивающий ЭМ; Р. Руденберг
1932 построили первый прототип современного прибора. М. Кнолль и Эрнст Руска.
1935 получено описание принципа работы сканирующего электронного микроскопа. Кнолль
1938 создан прототип сканирующего электронного микроскопа. Ардене
1939 создал первый просвечивающий электронный микроскоп. Сименс (Siemens)
1940 появились растровые электронные микроскопы, формирующие изображение объекта
1944 создали метод оттенения объекта металлом. Уильямс и Виков (Williams, Wyckoff)
1945 Porter, Claude, Fullam) применили электронную микроскопию цитологии клетки и ткани.
1948 получили тончайшие срезы био-образцов – 0,1-0,2 мкм. Пиз и Бэйкер (Pease, Baker)
1952 трехмерное воспроизведение рельефа образца с разрешением 50 нм
1952 новые способы фиксации и приготовления тонких срезов, Palade, Porter, Sjostrand
1953 спроектировали ультрамикротом. Портер и Блюм (Porter, Blum)
1956 применил смолу аралдит в качестве фиксатора микропрепаратов. Глауэрт (Glauert)
1957 описал трехслойное строение клеточной мембраны. Робертсон (Robertson)
1957 Moor, Muhlethaler улучшили метод «замораживания-скалывания» Стира (Steere).
1959 улучшили метод негативного контрастирования Hall, Бреннер и Хорн (Bretftier, Horne)
1959 применил ферритин-ассоциированные антитела детекции молекул методом ЭМ.Singer
1960 изобретен новый («детектор Эверхарта –Торнли») Т. Эверхарт, Р. Торнли
1961 предложил использовать смолу эпон. Люфт (Luft)
1963 применили глутаральдегит и OsO4 для фиксации препарата Sabatini, Bensch, Barrnett.
1965 Cambridge Instruments коммерциализировала сканирующий ЭМ.
1966 метод для изучения внутреннего строения мембран клеток. Брентон (Branton)
1968 метод определения трехмерных структур по микрофотографиям. de Rosier, Klug
1975 определили тонкое строение мембранного белка, на компьютере. Henderson, Unwin
1979 метод глубокого травления, высокой разрешающей способностью. Heuser, Reese
1981 — Сканирующая туннельная микроскопия. G.Binnig H Rohrer.
1982 – Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп. D.W.Pohl.
1984 – Сканирующий емкостной микроскоп. J.R.Matey, J.Blanc.
1985 – Сканирующий тепловой микроскоп. C.C.Williams, H.K.Wickramasinghe.
1986 за изобретение сканирующего зондового микроскопа Руска, Биннигу и Рореру (Ноб. Пр.)
1986 – Атомно-силовой микроскоп. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber.
1987 – Магнитно-силовой микроскоп. Y.Martin, H.K.Wickramasinghe.
1988 – Микроскоп на основе баллистической эмиссии электронов. W.J.Kaiser.
1989 – Ближнепольный акустический микроскоп. K.Takata, T.Hasegawa, S.Hosaka,S.Hosoki. T.Komoda
1989 демонстрация возможности атомных манипуляций Д. Эйглера
1990 – Микроскоп, регистрирующий изменения химического потенциала.
1991 – Сканирующий зондовый микроскоп на методе Кельвина.
1994 – Безапертурный ближнепольный оптический микроскоп. F.Zenhausern,
1997 охлаждения и улавливания атомов С. Чу, К. Коэн-Таннуджи, Филлипс (Ноб.пр.)
2000 использование ПЗС-детекторов для получения изображений
2017 за разработку криоэлектронной микроскопии Ж. Дубоше, Франку и Хендерсону (Ноб.пр)
2018 достигнуто разрешение электронного микроскопа в 3,9 *10−11 м.
Виды электронных микроскопов и микроскопии
Для создания изображений световой микроскоп использует поток фотонов, проходящих через образец и собирающийся системой линз. В отличие от светового микроскопа электронный для этого использует пучок ускоренных электронов. Другие микроскопы используют лазерные лучи, рентгеновские лучи, потоки ионов. Нас будут интересовать в основном электронные микроскопы, в которых вместо светового потока используется направленный пучок электронов.
Такой пучок создаётся системой электромагнитов из электронов, выходящих из металла (катода) вследствие его высокотемпературного нагрева. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе используются электромагнитные поля, создаваемые электромагнитами, катушками провода. Хотя электроны, фотоны и другие лучи (пучки) имеют свойства как волны, так и частицы, их длины волн различаются примерно в 1000 раз. Длина волны электрона в пучке намного короче, чем у фотона светового луча.
Поэтому разрешающая способность и увеличение электронного микроскопа намного выше, чем у обычного светового. Это позволяет с помощью электронных микроскопов «увидеть» элементы структуры объектов размером около 10-12 м (1 пикометр).
С тех пор как был разработан первый электронный микроскоп прошло уже почти 100 лет, и современные модели способны давать увеличение до 50 млн крат, однако они все ещё работают по тому же принципу, что и 100 лет назад, и реализуют связь между длиной волны электрона и разрешением прибора. Электронные микроскопы имеют несколько ключевых особенностей в сравнении со световыми «коллегами»:
-
цена изготовления и обслуживании очень высока;
-
должны быть размещены в специальных помещениях, с отсутствием какого-либо магнитного поля;
-
объекты исследования должны находиться в вакууме;
-
в качестве объектов исследования нельзя использовать магнитные образцы;
-
в качестве объектов исследования нельзя использовать мелкодисперсные порошки, которые могут повредить насос, создающий вакуум;
-
образцы, не проводящие ток, перед исследованием подвергают специальной обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя токопроводящего материала..
Электронные микроскопы можно подразделить на 2 основных типа:
-
просвечивающий (трансмиссионный);
-
зондирующий (ощупывающий);
Их отличие принципиальное. Зондирующие приборы снабжаются зондом (кантилевером). Именно зондовым ЭМ была осуществлена историческая надпись логотипа фирмы ИВМ атомами. Просвечивающие обходятся без зонда, но для них объектами наблюдения должны быть очень тонкие прозрачные срезы (пленки).
Например, растровый электронный микроскоп JSM−6510LV использует для создания изображений вторичные электроны (SEI) и обратно-рассеянные электроны (BEС). Вторичные электроны возникают в результате неупругого рассеивания электронов первичного пучка в исследуемом материале.
Растровый электронный микроскоп (РЭМ) или сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Ниже на рисунках поясняется поведение пучка электронов и его способность поглощаться и отражаться.
Движение и взаимодействие электронов с полями и веществом
Электроны зонда (пучка) взаимодействуют с материалом образца и генерируют различные типы сигналов: вторичные электроны, обратно отраженные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, световое излучение (катодолюминесценция) и т. д. Эти сигналы являются носителями информации о топографии и материале образца.
Сканирующая зондовая электронная микроскопия
Рассмотрим, как устроены электронные микроскопы. За малым исключением такие микроскопы состоят из одинаковых по функциональному назначению частей, которые описываются ниже. К сканирующим микроскопам относят зондовый туннельный микроскоп, атомный силовой микроскоп и некоторые другие, называемые в этой части работы зондовыми микроскопами. Зондовый микроскоп образуют четыре компонента (части): механическая, электронная, программная, методическая. Рассмотрим каждый компонент отдельно.
Механическая часть образована:
-
координатным столом для размещения исследуемого объекта (биопрепарата, микросхемы, кристалла, пленки и т.п.) обработки;
-
механизмом грубого подвода зонда к образцу, размещаемому на столе.
-
устройством формирования требуемых условий в области взаимодействия зонд-образец и защиты образца и прилегающей области от возмущающих внешних воздействий (атмосферы, влажности, ЭМИ и др.).
Электронный компонент:
-
электронная управляющая машина.
-
блок управления отдельными узлами механической части.
-
блок формирования импульсов взаимодействия (электронные платы).
Программный компонент:
-
программное обеспечение управляющее работой микроскопа, выполнением технологических операций, сбором, накоплением и обработкой полученных результатов.
Методический компонент:
-
это обоснование, выбор и реализация применяемого способа измерений;– адекватная интерпретация получаемых данных.
-
совмещение во времени процессов локального воздействия на подложку и управление слежением за туннельным током.
Подробное описание принципов построения электронных блоков и схем приводится в документации (руководство пользователя, программиста, по ремонту и др.), поставляемой с установкой изготовителем. Особенно важными для уяснения и глубокого понимания принципов работы микроскопа являются механическая часть и методики измерений и воздействий. При технологических исследованиях, важно также учитывать требования, которые предъявляются к микроскопу в целом и к его механической части.
Координатный стол. Применение микроскопов в качестве инструмента НТ предполагает реализацию перемещения исследуемого образца относительно объектива микроскопа. Важно также ориентирование поверхности образца в пространстве. При направленной вверх нормали к поверхности, которая устанавливается горизонтально, целый ряд технологических приемов может быть реализован достаточно простым путем. В большинстве микроскопов используется именно такая ориентация нормали.
Система перемещения образца в горизонтальной плоскости xy должна удовлетворять ряду важных требований: в состоянии покоя должны отсутствовать механические дрейфы; шаг перемещения (минимальный) не превышает размер области сканирования; возможность контроля положения зонда над исследуемой поверхностью.
Совмещение устройства с оптическим микроскопом обеспечивает позиционирование зонда сканирующего микроскопа с точностью до 1мкм, что определяется разрешающей способностью оптики. Во многих применениях такой точности позиционирования оказывается достаточно при условии, что подсистема перемещения образца имеет точность не хуже 1мкм.
По оси z в процессе работы микроскопа зонд устанавливается системой грубого подвода. Острие зонда движется вдоль исследуемой поверхности образца, оставаясь от нее на расстоянии ~1нм (по оси z), либо даже касаясь поверхности, что определяется выбором режима сканирования. Перемещение зонда вдоль оси z (направление нормали к поверхности образца) имеют малый диапазон (1-2мкм), что для сканеров является достаточным, если предусмотрена система грубого подвода образца по оси z. Эта же система устраняет (корректирует) отклонения в случае дрейфа по оси z, или по другой нежелательной причине.
Процедура начальной установки образца, например, при контроле невооруженным глазом обеспечивает точность подвода 200-500мкм, при использовании лупы – 20-50мкм. Интервал перемещений, обеспечиваемый системой грубого подвода, определяется точностью позиционирования образца на координатном столе. Минимальный шаг установки должен быть в несколько раз меньше диапазона перемещения сканера по оси z. Так, если диапазон Δz = 1мкм, то грубый подвод должен иметь шаг ~ 0,1мкм.
Система грубого подвода по z обеспечивает жесткость механической связи зонд – образец и при необходимости корректирует механические и термические дрейфы образца. В целом требования к этой системе по точности перемещений совпадают с такими требованиями для перемещений координатного стола.
Острийный зонд. Зонд микроскопа представляет собой металлический игольчатый электрод (острие), закрепленный на трехкоординатном пьезоприводе (сканере) и располагающийся перпендикулярно исследуемой поверхности. Сближение сканера с образцом выполняют до возникновения между ними туннельного тока, который определяется величиной зазора и величиной напряжения на электродах. Если поддерживать величину тока в процессе сканирования постоянной (путем использования системы обратной связи), то с помощью зонда можно получить непосредственную информацию о рельефе поверхности.
Главная характеристика любого микроскопа – полезное увеличение. Именно зонд определяет эту характеристику. Здесь важен радиус закругления острия. Этот параметр влияет на поперечные размеры области предельно достижимого разрешения. Сложность изготовления зонда существенно повышается с уменьшением радиуса острия. Микроскопы с меньшим радиусом закругления острия зонда стоят дороже.
Кроме названных характеристик, большое значение при создании микроскопа имеет материал, из которого изготовлен зонд. Именно материал обеспечивает устойчивость зонда к физико-химическим воздействиям.
Требования к зонду предъявляются в отношениях:
-
химической стойкости; .
-
физической твердости;
-
механической прочности;
-
повторяемости геометрической формы;
-
частоты собственных изгибных механических колебаний (для кантилеверов) и др.
Для конкретных приложений необходимо выбирать зонд с приемлемым радиусом закругления острия и соответствующим набором всех других физико-химических и геометрических параметров.
Сканер. Именно сканер реализует микроперемещения зонда относительно образца, размещаемого на координатном столе. Исследование поверхности образца выполняется на определенной (ограниченной) площади. Проводятся измерения свойств поверхности в множестве точек, равномерно распределенных в исследуемой области. Сканер обеспечивает перемещение зонда между точками с высокой точностью и может использоваться в разных режимах. Сканер должен обеспечивать:
-
достаточное быстродействие; — требуемый диапазон перемещений по каждой из координат;
-
термическую стабильность позиционирования; — долговременную стабильность параметров;
-
отсутствие дрейфов механических и температурных; — повторяемость позиционирования зонда.
Среди разнообразных возможностей и эффектов, реализующих перемещения в настоящее время чаще всего, используют обратный пьезоэффект в поляризованной пьезокерамике на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС). Распространение получила пьезокерамика ЦТС-19. Эту керамику получают путем спекания в печах и воздействия электрического поля для наведения поляризации, после чего она становится пьезоактивной.
В результате поляризации состояние керамики отличается от равновесного состояния. Для достижения стабильного состояния во времени такую керамику выдерживают (состаривают). Этот процесс состаривания в естественных условиях имеет продолжительность до года, но при искусственном процессе состаривания длится лишь несколько часов.
Завершается этот процесс стабилизацией параметров, которые приходят к равновесным значениям. Последующая стабильность зависит от режимов эксплуатации. В результате обработки пьезокерамика представляет собой стеклообразную пластину (матрицу) с вкраплениями в нее зерен пьезоэлектрического материала.
При работе сканера возникают деформации элементов, которые обусловлены законом Гука, и их желательно минимизировать. Если определить значение максимально допустимой относительной деформации 10-5, то возможно определить максимально допустимую напряженность управляющего электрического поля. Вектор этого поля ориентируют коллинеарно вектору поляризации керамики. Максимальная деформация пьезоэлемента при этом определяется значением пьезомодуля d33.
Для пьезокерамики ЦТС-19 (d33=2·10 -12 м/в) получаем значение поля Е ~ 5·10 4 в/м. Отклонение в сторону увеличения напряженности поля приводит к росту дрейфа и гистерезиса, связанных с остаточными пластическими деформациями пьезоэлемента. Помимо этих физических явлений необходимо учитывать явление электрострикции, при которой деформация пропорциональна Е2.
Здесь важно ограничение максимальной напряженности управляющего поля, чтобы обеспечить минимизацию нелинейности преобразования при измерениях. Полярность управляющего напряжения влияет на длительность стабильности параметров сканера. Желательно совпадение векторов поляризации, выполненной для пьезокерамики и управляющего поля. При несовпадении векторов будет происходить переполяризация материала и вследствие этого изменение значений параметров сканера. Обеспечение термостабильности сканера достигается термостатированием всей конструкции сканирующего микроскопа, введением в конструкцию сканера или его держателя элементов, компенсирующих тепловой дрейф, а также использованием симметрии проекта, т.е. создание плоскости симметрии конструкции сканера. В последнем случае нагрев элементов (точек) однороден и все точки такой плоскости приводят к ее параллельному смещению. Это очень важно, так как определяет точность позиционирования зонда при колебаниях температуры. Пьезокерамика ЦТС-19 имеет небольшой температурный коэффициент линейного расширения ~6·10-6 см/к [ ]. Так при длине пьезоэлемента 1см и изменении температуры на 1ºК удлиняет его на 60 нм, что не всегда приемлемо для ряда применений микроскопов. Фазочастотные характеристики объекта регулирования определяют точность и быстродействие системы. Явление резонансов в характеристиках приводит к выбору частоты среза ниже частоты резонанса для обеспечения устойчивости системы регулирования. По этой причине быстродействие всей системы регулирования определяется низшей резонансной частотой объекта. Повторяемость и стабильность результатов работы микроскопа достигается при условиях непревышения величиной дрейфа на временном интервале сканирования характерных размеров, наблюдаемых и регистрируемых структурных явлений исследуемой поверхности. Понятно, что величину эту определяют время (длительность) получения сканированного изображения и скорость дрейфа. Из этого следует, что приемлемые значения величины дрейфа обеспечиваются сокращением длительности (быстродействием) работы сканера и повышением стабильности всех параметров сканера. Здесь рассмотрен режим исследования образца. Другой режим применения сканирующего микроскопа – технологическое применение – производство. В этом режиме сканер воздействует на выбранную точку образца в течение некоторого времени, которое, по-видимому, превышает длительность простой регистрации положения точки. В этой ситуации время обработки полного кадра будет определяться уже не быстродействием сканера, а длительностью технологической операции. Здесь влияние скорости дрейфа и обеспечение ее снижения имеет принципиально большое значение. Устройство защиты микроскопа. Среди дестабилизирующих факторов работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) следует назвать: вибрации, акустические шумы, электромагнитные наводки. Борьба с проявлением каждого из факторов и всей их совокупностью и составляет главную функцию устройства защиты. Система виброизоляции встроена в механическую часть микроскопа и выполнена в виде рычажно-пружинной конструкции. Основной узел микроскопа закреплен на одном из концов рычага. Вес узла уравновешивается упругой силой пружины, закрепленной на втором конце рычага и связанной вторым концом с плитой основания. Резиновые упругие элементы в точках опоры рычага и крепления основного узла служат демпфером собственных колебаний системы виброизоляции. Вся конструкция малогабаритная и имеет малую частоту (1,5 Гц) собственных колебаний. Описанная конструкция решает задачу уменьшения влияния механических колебаний, вызывающих неконтролируемые изменения величины туннельного промежутка между зондом и образцом. Эта же задача решается и путем повышения жесткости механической связи зонд – образец. При работе микроскопа в атмосферных условиях механические колебания могут вызываться акустическими волнами (шумами), воздействующими на элементы конструкции в обход системы виброизоляции. Устранение акустических помех придает большую жесткость всей конструкции микроскопа, что достигается созданием экранов из звукопоглощающих материалов. Электромагнитные излучения (ЭМИ) создают наводки как внешних, так и внутренних источников. Эти наводки приводят к искажениям электрических сигналов системы измерения микроскопических объектов. Рост скорости развертки сканера СТМ приводит к заметному влиянию паразитных емкостей между электродами сканера и входными цепями предусилителя туннельного тока. Здесь широко применяются схемы, устойчивые к помехам и экраны, подавляющие наводки ЭМИ. В режиме технологического производства при использовании микроскопа дестабилизирующее влияние оказывают освещенность и газовая среда. Устранение влияний такого рода выполняется герметизацией (колпаком) в камере всего процесса. Этот же колпак предохраняет и оператора от вредных излучаемых воздействий. Первый представитель семейства сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), с разрешающей способностью до отдельных атомов. Принцип работы основан на квантовом явлении прохождения электроном сквозь потенциальный барьер, который образован разрывом электрической цепи – небольшим промежутком (туннельным зазором) между зондирующим микроостриём и поверхностью образца (туннельный эффект – прохождение частицы сквозь потенциальный барьер, когда полная энергия частицы меньше высоты этого барьера). Особенностью является то, что образец и зонд должны быть электропроводящими. Между остриём зонда и образцом прикладывают электрическое напряжение (от единицы мВ до В) и остриё приближается к поверхности образца до появления туннельного тока, это расстояние составляет доли нанометра (<10 Ǻ). СТМ можно использовать для определения электронных свойств образцов. Для получения высокого изображения с высоким разрешением требуется малая сила тока и прочное прикрепление образца к подложке. Решающим фактором для достижения высокого разрешения является качество острия. Обычно остриё заостряют путём механического или электрохимического воздействия, для достижения радиуса острия 5-100 нм. Используется для исследования образцов, через которые могут проходить электроны. Поэтому образцы должны быть тонкими (менее 100 нанометров (10-9 м)). Изображение создается в результате прохождения пучка электронов через образец и их взаимодействия. Современные трансмиссионные электронные микроскопы могут достичь разрешения в 50*10-12 м (50 пикометров) с увеличением, более чем в 50 млн крат. Просвечивающая электронная микроскопия Растровая (сканирующая) электронная микроскопия cоздаёт изображения поверхности образца, при отражении от неё пучка электронов. Также от такого взаимодействия можно получить представление о составе образца. Поскольку эти микроскопы отображают только внешнюю часть образца, они обеспечивают более низкое разрешение изображения, чем просвечивающие. Однако по сравнению со световыми микроскопами, они могут обеспечить высокое качество трехмерных изображений поверхности образца. Электронный цифровой микроскоп. Оптический микроскоп, объектив которого соединен с электронной системой оцифровки изображения и вывода его на экран или программное обеспечение компьютера. Такой прибор не имеет привычных окуляров и производит прямую передачу изображения на дисплей. Зондовая микроскопия — это своеобразное ощупывание поверхности с помощью специальной тонкой иголочки (зонда), которая позволяет получить информацию о рельефе поверхности и ее различных локальных характеристиках (силы адгезии, шероховатость, модуль Юнга, распределении зарядов, магнитных полей, вольт — амперных характеристик и так далее). Поэтому данный вид микроскопии имеет довольно широкое применение в различных областях знаний». Помимо визуализации топологии поверхности, сканирующая зондовая микроскопия позволяет проводить литографию поверхности, определять жесткость объектов, гладкость структуры, силу адгезии — «липкость», наличие электромагнитных сил и так далее. Для разных целей разрабатываются разные типы зондов, так как геометрия и свойства самого зонда напрямую влияют на возможности и качество получаемого изображения. Работа Михаила Жукова в Университете ИТМО связана с созданием новых типов зондовых датчиков, позволяющих улучшить разрешение и расширить возможности работы сканирующих зондовых микроскопо. У нановискера (зонда) постоянный поперечный размер, причем очень маленький, и с его помощью можно глубоко проникать в поры и отверстия на объекте. Есть зонды со скальпелями, которыми можно проводить высокоточную литографию поверхности, надрезание биологических объектов и прецизионное манипулирование наночастицами, а также другие проекты». Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) создан в 1981. В 1986 году Бинниг и Рорер за изобретение СТМ и Э. Руск за изобретение просвечивающего электронного микроскопа были удостоены Нобелевской премии. В микроскопе (СТМ) — для получения изображения используется туннельный ток между зондом и образцом, что позволяет получить информацию о топографии и электрических свойствах образца.. Главная часть микроскопа — это зонд: небольшая трубка с электродами, на конце которой расположена тонкая игла. Когда игла проходит над поверхностью материала, между ее концом и атомами поверхности возникает туннельный ток: электроны «проскакивают» между кончиком иглы и атомами поверхности. Измеряя параметры туннельного тока, можно судить, на каком расстоянии от зонда находится тот или иной атом. У сканирующего туннельного микроскопа есть два режима работы: при постоянном напряжении и при постоянном расстоянии от поверхности. Используя эти режимы, образец можно исследовать. С помощью такого микроскопа можно манипулировать атомами. Если иглу придвинуть к поверхности образца достаточно близко, то можно «притянуть» отдельный атом с помощью электростатического взаимодействия. Если это удалось, можно передвинуть зонд с атомом по поверхности образца до нужной точки. Когда зонд оказался на нужном месте, достаточно отключить напряжение на зонде, чтобы связь между ним и атомом разорвалась. Именно таким образом исследователи из IBM смогли в свое время не только написать 35 атомами ксенона название компании, но и создать фильм «Мальчик и его атом» (https://www.kinopoisk.ru/film/761236/video/) и составить самый маленький магнитный бит памяти из 12 атомов. Отличительной особенностью АСМ является наличие: зонда, системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, регистрирующей системы. 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. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — регистрирует различные силы между зондом и образцом. Позволяет получить топографию поверхности и её механические свойства.. Основные технические сложности: Конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами. Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема. Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра. Создание прецизионной системы развёртки. Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью. АСМ – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, способный определять рельеф поверхности с разрешением от нанометра и выше. Позволяет исследовать как проводящие электрический ток, так и непроводящие его поверхности. луч лазера направляется на внешнюю поверхность упругой консоли (кантилевера), отражается и попадает на фотодетектор Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой и фазой. Одной из уникальных возможностей зондового микроскопа является изучение биологических объектов в нативном (живом) состоянии в реальном времени с возможностью надрезания поверхности объектов и проведения высокоточных манипуляций с нанообъектами. Например, при использовании электронного микроскопа, который использует вместо луча света пучки электронов, изучаемый объект должен проводить электричество, поэтому под ним невозможно исследовать живой организм. Если нанести на него проводящее покрытие (Au, С, Pt и т. п.), то вскоре живой объект перестанет быть таковым. В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей эл. ток поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. можно цеплять атомы к игле, перемещать их по поверхности в нужное место, удалять ненужные, осаждать дополнительные атомы с иглы. То есть, для атомных манипуляций и наблюдения служит один и тот же прибор: можно сначала осмотреть поверхность, выбрать объект для манипуляций, произвести их, а затем проверить результат. Другим инструментом для манипулирования атомами является лазерная ловушка (оптический пинцет) и её усовершенствованный вариант — магнито — оптическая ловушка. Недостатком СЗМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом. Растровый электронный микроскоп (РЭМ) или сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) (scanning electron microscope, SEM) — прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым объектом. Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 3—10 раз (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы) до 1 000 000 раз, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов. Сегодня возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки и промышленности, от биологии до наук о материалах. Существует огромное число выпускаемых рядом фирм разнообразных конструкций и типов РЭМ, оснащённых детекторами различных типов. Разрешающая способность (способность различать тонкие детали) оптического микроскопа ограничена длиной волны фотонов видимого света. Наиболее мощные оптические микроскопы могут обеспечить наблюдение деталей с размером 0.1—0.2 мкм. Если мы захотим увидеть более тонкие детали, необходимо сократить длину волны, которая освещает объект исследования. Для этого можно использовать не фотоны, а, например, электроны, длина волны которых намного меньше. Электронные микроскопы — результат воплощения этой идеи. Схема растрового электронного микроскопа приведена на рис. 3 Он состоит из следующих основных узлов: электронной пушки 1…3, эмитирующей электроны; электроннооптической системы 4…10, формирующей электронный зонд и обеспечивающей его сканирование на поверхности образца 12; системы, формирующей изображение 11…17. РЭМ имеет в акуумную камеру, которая служит для создания необходимого разряжения (~10-3 Па) в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптической системы. Составными частями микроскопа являются механические узлы (шлюзы, гониометрический стол и т.д.), обеспечивающие установку и перемещение образца. . Описание: 1 –Электронная пушка (катод), 2 – цилиндр Венельта, 3– анод, 4, 10 – диафрагмы, 5,6,9- злектромагнитные линзы, 7, 8– отклоняющая катушка, 12– образец, 11,13 – детектор вторичных электронов, 14 – усилитель, 15 – ЭЛТ, 16 – генератор Этот рисунок иллюстрирует принципиальную схему РЭМ: электронный пучок направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия генерируются низкоэнергетичные вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов. Интенсивность электрического сигнала детектора зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом возможно получить карту рельефа проанализированной зоны. Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, и фокусируется электронными линзами (обычно электромагнитными, иногда электростатическими). Сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимоперпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом, подобно сканированию электронным пучком экрана электронно-лучевой трубки телевизора. Источник электронов, электронные линзы (обычно тороидальные магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной. В современных РЭМ изображение регистрируется в цифровой форме, но первые РЭМы появились в начале 1960 годов задолго до распространения цифровой техники и поэтому изображение формировалось способом синхронизации развёрток электронного пучка в кинескопе с электронным пучком в РЭМ и регулировки интенсивности трубки вторичным сигналом. Изображение образца тогда появлялось на фосфоресцирующем экране кинескопа и могло быть зарегистрировано на фотоплёнке. Таким образом, в статье кратко изложены основы сканирующей просвечивающей и зондовой микроскопии – современных методов исследования свойств поверхности. Рассмотрены принципы работы основных типов просвечивающих и зондовых микроскопов (сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового микроскопа, электросилового микроскопа, ближнепольного оптического микроскопа), наиболее широко используемых в научных исследованиях. К сожалению, за рамками публикации остались ряд других приборов, работающих на принципах СЗМ, и большое количество исследовательских методик с применением просвечивающих и зондовых микроскопов. Частичное представление об основных этапах развития микроскопии можно получить из хронологической таблицы, приведенной в тексте. В настоящее время сканирующая микроскопия – это бурно развивающийся метод исследования поверхности с высоким пространственным разрешением и мощный инструмент для решения задач нанотехнологии – технологии создания приборных структур с субмикронными размерами. Электронный микроскоп / П. А. Стоянов // Экслибрис — Яя. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 30). Электронная микроскопия / А. Е. Лукьянов // Экслибрис — Яя. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 30). Применение электронной микроскопии в биологии / Н. А. Старосветская, Я. Ю. Комиссарчик // Экслибрис — Яя. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 30). Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с. Chu S. Laser Trapping of Neutral Particles // Scientific American, 2008.
Arie van Houselt and Harold J. W. Zandvliet. Colloquium: Time-resolved scanning tunneling microscopy (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2010. — Vol. 82. — P. 1593—1605.
В случае «уходов» зонда поддержание туннельного зазора или степени прижатия выполняется с помощью системы автоматического регулирования.
Просвечивающая электронная микроскопия
Атомно-силовой микроскоп (АСМ)
Растровый электронный микроскоп
Принцип работы
Заключение
Литература
