Для чего нужен туннельный микроскоп
Сканирующий туннельный микроскоп
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope ) — вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1—1000 пА при расстояниях около 1 Å. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.
В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.
Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор. Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.
История создания
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером из лаборатории IBM в Цюрихе в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска.
В СССР первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 году в Институте Физических проблем АН СССР.
Литература
Ссылки
Электросиловой · Электрохимический сканирующий туннельный · Метод Кельвина · Магнитно-силовой · Магниторезонансный силовой · Ближнепольный оптический · Фототермальная микроспектроскопия · Сканирующий емкостной · Scanning gate · Сканирование датчиком Холла · Ионной проводимости · Спиновой поляризационный сканирующий туннельный · Сканирующая микроскопия напряжения · Нанолитография · Особенность-ориентированное сканирование
Растровый туннельный микроскоп
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — система образец + игла, к которым приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют на иглу, создавая таким образом туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 Å.
В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.
Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.
История создания
СТМ был изобретен в начале 1980-х годов Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, которые в 1986 году за это изобретение получили Нобелевскую премию по физике.
В СССР первые работы по этой тематике появились в конце восьмидесятых.
Ссылки
Электросиловой · Электрохимический сканирующий туннельный · Метод Кельвина · Магнитно-силовой · Магниторезонансный силовой · Ближнепольный оптический · Фототермальная микроспектроскопия · Сканирующий емкостной · Scanning gate · Сканирование датчиком Холла · Ионной проводимости · Спиновой поляризационный сканирующий туннельный · Сканирующая микроскопия напряжения · Нанолитография · Особенность-ориентированное сканирование
Полезное
Смотреть что такое «Растровый туннельный микроскоп» в других словарях:
растровый туннельный микроскоп — rastrinis tunelinis mikroskopas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. scanning tunneling microscope vok. Rastertunnelmikroskop, n rus. растровый туннельный микроскоп, m pranc. microscope tunnel à balayage, m … Radioelektronikos terminų žodynas
растровый туннельный микроскоп — rastrinis tunelinis mikroskopas statusas T sritis chemija apibrėžtis Mikroskopas, kuriuo matomą vaizdą sukuria tunelinė srovė, atsirandanti tarp zondo ir bandinio. atitikmenys: angl. scanning tunneling microscope rus. растровый туннельный… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Микроскоп — У этого термина существуют и другие значения, см. Микроскоп (значения). Микроскоп, 1876 год … Википедия
Растровый микроскоп — Сканирующий (растровый) микроскоп: Сканирующий атомно силовой микроскоп (AFM, SPM) Сканирующий туннельный микроскоп (STM) Сканирующий электронный микроскоп (SEM) Сканирующий емкостной микроскоп (SCM) Микроскоп ближнего поля (SNOM) … Википедия
ТУННЕЛЬНЫЙ РАСТРОВЫЙ МИКРОСКОП — ТУННЕЛЬНЫЙ РАСТРОВЫЙ МИКРОСКОП, прибор, основанный на возникновении так называемого туннельного тока между поверхностью проводника и металлическим острием, удаленным от нее на расстояние z около 0,1 нм (при разности потенциалов между ними порядка … Современная энциклопедия
Туннельный растровый микроскоп — ТУННЕЛЬНЫЙ РАСТРОВЫЙ МИКРОСКОП, прибор, основанный на возникновении так называемого туннельного тока между поверхностью проводника и металлическим острием, удаленным от нее на расстояние z около 0,1 нм (при разности потенциалов между ними порядка … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп.… … Энциклопедия Кольера
Оптический микроскоп — Современный оптический микроскоп Микроскоп (от греч. μικρός малый и … Википедия
Rastertunnelmikroskop — rastrinis tunelinis mikroskopas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. scanning tunneling microscope vok. Rastertunnelmikroskop, n rus. растровый туннельный микроскоп, m pranc. microscope tunnel à balayage, m … Radioelektronikos terminų žodynas
microscope tunnel à balayage — rastrinis tunelinis mikroskopas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. scanning tunneling microscope vok. Rastertunnelmikroskop, n rus. растровый туннельный микроскоп, m pranc. microscope tunnel à balayage, m … Radioelektronikos terminų žodynas
5 разных типов микроскопов и их применение
Как и многие другие технологические устройства, микроскопы имеют очень долгую историю. Самые ранние микроскопы содержали простое увеличительное стекло с малой мощностью (до 10 раз). Их использовали для наблюдения за маленькими насекомыми, такими как блохи.
Ранние версии оптических микроскопов были разработаны в конце 15 века. Хотя изобретатель неизвестен, за эти годы было сделано несколько заявлений. Использование микроскопов для исследования органических тканей появилось только в 1644 году.
Сегодня у нас есть микроскопы, которые могут обеспечить разрешение в 50 пикометров с увеличением до 50 миллионов раз, что достаточно для наблюдения ультраструктуры различных неорганических и биологических образцов.
1. Оптические микроскопы
Оптические микроскопы являются наиболее распространенными микроскопами, которые используют свет, чтобы пройти через образец для генерации изображений. Они могут иметь очень простую конструкцию, хотя сложные оптические микроскопы направлены на повышение разрешения и контрастности образца.
В дальнейшем их можно подразделить на два типа: простые и сложные микроскопы. Простой микроскоп использует одну линзу (например, увеличительное стекло) для увеличения, в то время как сложные микроскопы используют несколько линз для увеличения образца.
Они часто оснащены цифровой камерой, поэтому образец можно наблюдать с помощью компьютера. Это позволяет провести глубокий анализ микроскопического изображения.
Оптические микроскопы могут обеспечивать увеличение до 1250 раз с теоретическим пределом разрешения 0,250 микрометров. Тем не менее развитие сверхразрешенной флуоресцентной микроскопии в последнее десятилетие привело оптическую микроскопию в наноразмерность.
Варианты оптического микроскопа
Применение
Основные оптические микроскопы часто встречаются в классах и дома. Сложные широко используются в фармацевтических исследованиях, микробиологии, микроэлектронике, нанофизике и минералогии.
Они часто используются для исследования тканей с целью изучения проявлений заболеваний. В клинической медицине исследование биопсии или хирургического образца относится к гистопатологии.
2. Электронные микроскопы
Электронный микроскоп использует пучок ускоренных электронов для получения изображения образца. Точно так же, как оптические микроскопы используют стеклянные линзы, электронные микроскопы используют фасонные магнитные поля для создания систем электронно-оптических линз.
Поскольку длина волны электрона может быть намного короче, чем у фотонов, электронные микроскопы имеют более высокую разрешающую способность и увеличение, чем обычные оптические микроскопы. Они могут выявить структуры объектов размером с пикометр.
Первый электронный микроскоп, который превысил разрешение, достигнутое с помощью оптического микроскопа, был разработан немецким физиком Эрнстом Руской в 1933 году. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для дальнейшего улучшения увеличения и разрешения микроскопа.
Современные электронные микроскопы способны увеличивать образцы до 2000000 раз, однако они все еще полагаются на прототип Руска (разработанный в 1931 году) и его связь между разрешением и длиной волны.
Электронные микроскопы имеют некоторые ограничения: они дороги в изготовлении, обслуживании и должны быть размещены в стабильных средах, таких как системы подавления магнитного поля. Также объекты должны просматриваться в вакууме.
Современный просвечивающий электронный микроскоп | Предоставлено: Дэвид Морган из Кембриджа, Великобритания.
Два основных типа электронного микроскопа
1. Просвечивающий электронный микроскоп: используется для наблюдения за тонкими образцами, через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение. Он может захватывать мелкие детали размером с колонку атомов.
В этом случае образец обычно представляет собой очень тонкий срез (
Современный сканирующий зондовый микроскоп
Распространенные типы сканирующих зондовых микроскопов
А) Атомно-силовой микроскоп: имеет разрешение порядка долей нанометра, что позволяет получать изображения практически любого типа поверхности, включая стекло, полимеры и биологические образцы.
B) Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля: может достигать производительности пространственного разрешения сверх классического дифракционного предела. Он может быть использован для изучения всех проводящих, непроводящих и прозрачных образцов.
C) Сканирующие туннельные микроскопы: могут достигать бокового разрешения 0,1 нм и глубины 0,01 нм. Образцы могут быть отображены в экстремальных условиях, при температурах от почти абсолютного нуля до более 1000 ° C.
Применение
Сканирующие зондовые микроскопы используются в широком спектре естественных наук, включая медицину, клеточную и молекулярную биологию, физику твердого тела, химию полимеров и полупроводниковую науку и технику.
Например, в молекулярной биологии этот метод микроскопии используется для анализа структуры и механических характеристик белковых комплексов и сборок. В клеточной биологии он используется для определения взаимодействия между определенными клетками и различения нормальных клеток и раковых клеток на основе твердости клеток.
В физике твердого тела он используется для изучения взаимодействия между соседними атомами и изменений в расположении атомов посредством атомных манипуляций.
4. Сканирующие акустические микроскопы
Сканирующий акустический микроскоп измеряет изменения акустического импеданса с помощью звуковых волн. Он в основном используется для неразрушающей оценки, анализа отказов и выявления дефектов в недрах материалов, в том числе обнаруженных в интегральных микросхемах.
Этот тип микроскопа был впервые разработан в 1974 году в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для повышения его точности и разрешения.
Микроскоп непосредственно фокусирует звук от датчика в маленькой точке на образце. Звук, падающий на объекты, либо поглощается, либо рассеивается под разными углами. Эти рассеянные импульсы, распространяющиеся в определенном направлении, дают полезную информацию об образце.
Разрешение образца изображения либо ограничено шириной звукового луча (зависит от частоты звука), либо физическим разрешением сканирования.
В отличие от обычных оптических микроскопов, которые позволяют наблюдать поверхность образца, акустические микроскопы фокусируются на определенной точке и получают изображения из более глубоких слоев. Кроме того, они обеспечивают более точные результаты и увеличивают объём данных, сохраняя при этом целостность образца.
Сканирующий акустический микроскоп Sonix HS 1000
Применение
Многие компании используют этот тип микроскопии в аналитических лабораториях для определения качества своих электронных компонентов. Производители также используют его для контроля качества, квалификации поставщиков, тестирования надежности продукции, а также для исследований и разработок.
В биологии эти микроскопы предоставляют полезные данные о физических силах, удерживающих структуры в определенных формах, таких как эластичность клеток и тканей. Это чрезвычайно полезно при изучении процесса подвижности клеток (способность организма самостоятельно передвигаться, используя метаболическую энергию).
5. Рентгеновский микроскоп
Рентгеновские микроскопы генерируют увеличенные изображения объектов, используя электромагнитное излучение в мягком луче. Они способны выдавать 3D-изображение компьютерной томографии относительно больших образцов с высоким разрешением.
Для идентификации рентгеновских лучей, проходящих через образец, используется детектор с зарядовой связью. Поскольку рентгеновские лучи легко проникают сквозь вещество, микроскопы этого типа могут отображать внутреннюю часть образцов, непрозрачных для видимого света.
Современные рентгеновские микроскопы позволяют наблюдать различные образцы, в том числе те, которые имеют низкий контраст поглощения и более плотный материал, например керамические композиты. Чтобы достичь этого, микроскоп изменяет длину волны рентгеновского излучения, что увеличивает контраст или проникновение.
Его разрешение лежит между оптической микроскопией и электронной микроскопией. В отличие от традиционных электронных микроскопов, рентгеновские микроскопы могут отображать толстые биологические материалы в их естественном состоянии.
Рентгеновский микроскоп ZEISS Xradia 510 Versa
Применение
Рентгеновская микроскопия оказалась чрезвычайно полезной в области медицины и материаловедения. Он был использован для анализа структуры различных тканей и образцов биопсии.
В области материаловедения рентгеновские микроскопы могут определять структуру кристалла вплоть до размещения отдельных атомов внутри его молекул. Он также обеспечивает неразрушающий, неинвазивный метод поиска дефектов в трех измерениях.
Туннельный микроскоп: история создания, устройство и принцип работы
Создатели
До изобретения подобного микроскопа возможности изучения атомарного строения поверхностей в основном ограничивались дифракционными методами с использованием пучков рентгеновских лучей, электронов, ионов и других частиц. Прорыв произошел, когда швейцарские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер разработали первый туннельный микроскоп. Они выбрали поверхность золота для своего первого изображения. Когда изображение выводилось на экран телевизионного монитора, они видели ряды точно расположенных атомов и наблюдали широкие террасы, разделенные ступенями высотой в один атом. Бинниг и Рорер открыли простой метод создания прямого образа атомной структуры поверхностей. Их впечатляющее достижение было признано Нобелевской премией по физике в 1986 году.
Предшественник
Вам будет интересно: Князь Оболенский: две жизни
Подобный микроскоп под названием Topografiner был изобретен Расселом Янгом и его коллегами в период с 1965 по 1971 год в Национальном бюро стандартов. В настоящее время это Национальный институт стандартов и технологий. Данный микроскоп работает по принципу, согласно которому левый и правый пьезо-драйверы сканируют наконечник над и немного выше поверхности образца. Центральный пьезоуправляемый серверный привод управляется серверной системой для поддержания постоянного напряжения. Это приводит к постоянному вертикальному разделению между наконечником и поверхностью. Электронный умножитель обнаруживает крошечную долю туннельного тока, которая рассеивается на поверхности образца.
Схематический вид
Устройство туннельного микроскопа включает следующие компоненты:
Наконечник часто изготавливается из вольфрама или платины-иридия, хотя также используется золото. Компьютер применяется для улучшения изображения с помощью его обработки и для выполнения количественных измерений.
Как работает
Принцип работы туннельного микроскопа достаточно сложен. Электроны на вершине наконечника не ограничены областью внутри металла потенциальным барьером. Они движутся через препятствие подобно их движению в металле. Создается иллюзия свободно перемещающихся частиц. В действительности электроны движутся от атома к атому, проходя через потенциальный барьер между двумя атомными участками. Для каждого подхода к барьеру вероятность туннелирования равна 10:4. Электроны пересекают его со скоростью 1013 шт в секунду. Этот высокий темп передачи значит, что движение существенно и непрерывно.
Перемещая наконечник металла по поверхности на очень маленькое, перекрывающее атомные облака расстояние производится атомный обмен. При этом образуется небольшое количество электрического тока, протекающего между наконечником и поверхностью. Его можно измерить. Благодаря этим текущим изменениям туннельный микроскоп предоставляет информацию о структуре и топографии поверхности. На ее основе строится трехмерная модель в атомном масштабе, которая дает изображение образца.
Туннелирование
Когда наконечник перемещается близко к образцу, расстояние между ним и поверхностью уменьшается до величины, сравнимой с промежутком между соседними атомами в решетке. Туннельный электрон может двигаться либо к ним, либо к атому на кончике зонда. Ток в зонде измеряет плотность электронов на поверхности образца, и эта информация отображается на картинке. Периодический массив атомов хорошо виден на таких материалах, как золото, платина, серебро, никель и медь. Вакуумное туннелирование электронов от кончика к образцу может происходить даже при том, что окружающая среда не является вакуумом, а заполнена молекулами газа или жидкости.
Формирование высоты барьера
Спектроскопия высоты локального барьера обеспечивает информацию о пространственном распределении микроскопической функции работы поверхности. Изображение получают путем измерения по пунктам логарифмического изменения туннельного тока с учетом трансформации в разделительный разрыв. При измерении высоты барьера расстояние между зондом и образцом модулируется по синусоидальному закону с помощью дополнительного переменного напряжения. Период модуляции выбирается гораздо короче, чем константа времени петли обратной связи в туннельном микроскопе.
Значение
Этот тип сканирующих зондовых микроскопов позволил разработать нанотехнологии, которые должны манипулировать объектами нанометрического размера (меньше длины волны видимого света от 400 до 800 нм). Туннельный микроскоп наглядно иллюстрирует квантовую механику, измеряя квант оболочки. Сегодня аморфные некристаллические материалы наблюдаются с помощью атомно-силовой микроскопии.
Пример на кремнии
Поверхности кремния были изучены более широко, чем любой другой материал. Они подготавливались путем нагревания в вакууме до такой температуры, что атомы реконструировались в вызванном процессе. Реконструкция была изучена в мельчайших деталях. На поверхности образовался сложный узор, известный как Такаянаги 7 х 7. Атомы образовали пары, или димеры, которые вписались в ряды, простирающиеся по всей исследуемой части кремния.
Исследования
Исследования принципа действия туннельного микроскопа привели к выводу, что он может работать в окружающей атмосфере так же, как и в вакууме. Он эксплуатировался в воздухе, воде, изоляционных жидкостях и ионных разрешениях, используемых в электрохимии. Это гораздо удобнее, чем высоковакуумные приборы.
Туннельный микроскоп используется в основном для визуализации, но есть много других применений, которые были изучены. Сильное электрическое поле между зондом и образцом было использовано для того, чтобы двинуть атомы вдоль поверхности образца. Изучено действие туннельного микроскопа в различных газах. В одном из исследований напряжение составляло четыре вольта. Поле на кончике было достаточно сильным, чтобы удалить атомы из наконечника и поместить их на подложку. Эту процедуру использовали с золотым зондом для изготовления небольших золотых островков на подложке с несколькими сотнями атомов золота в каждом. В ходе исследований был изобретен гибридный туннельный микроскоп. Изначальное устройство интегрировали с бипотенциостатом.