Презентация Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующая зондовая микроскопия. Фгбоу во уфимский государственный нефтяной техничсекий университет
 Скачать 1.17 Mb.
|
|
ФГБОУ ВО «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧСЕКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Сканирующая зондовая микроскопия Выполнил: ст.гр. МТП 21-21-01 М.Ю. Петропавловский Сканирующая зондовая микроскопия Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – набор мощных методик исследования локальных свойств поверхности, таких как особенности рельефа, магнитные свойства, локальные емкость и проводимость поверхности. Отличительной особенностью этих методик является их высокое разрешение, достигающее атомарного. Разновидностями сканирующей зондовой микроскопии являются, в частности, сканирующая туннельная микроскопия и сканирующая атомно-силовая микроскопия. Сканирующая зондовая микроскопия Исторически первым в семействе сканирующих зондовых микроскопов был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). В современном виде его разработали швейцарские ученые Герд Биннинг и Генрих Рорер в 1981 г. (Нобелевская премия по физике 1986 года, совместно с Э. Руском за изобретение просвечивающего электронного микроскопа). Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой микроскоп (ЭСМ), ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами. В настоящее время зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся область техники и прикладных научных исследований. Сканирующая зондовая микроскопия Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:
Сканирующая зондовая микроскопия Достоинства метода атомно- силовой микроскопии:
Обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа. Сканирующая зондовая микроскопия Формирование СЗМ изображений Процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электроннолучевой трубке телевизора Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Сканирующая зондовая микроскопия Внешний вид и принцип работы трубчатого пьезокерамического сканера. Основными недостатками такой системы являются:
Сканирующая зондовая микроскопия Соединение трех трубок в один узел позволяет организовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом. Недостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильная асимметрия конструкции. Сканирующая зондовая микроскопия Широкое распространение получили различные механические редукторы, в которых грубому перемещению исходного движителя соответствует тонкое перемещение смещаемого объекта. Способы редукции перемещений могут быть различными. Широко применяются рычажные устройства, в которых редукция величины перемещения осуществляется за счет разницы длины плеч рычагов. Механический рычаг позволяет получать редукцию перемещения с коэффициентом Таким образом, чем больше отношение плеча L к плечу l, тем более точно можно контролировать процесс сближения зонда и образца. Сканирующая зондовая микроскопия Наиболее простую конструкцию имеют двигатели с постоянными магнитами. Они состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на два противоположные полюса статора. Двигатель имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из обмоток ротор стремится занять такое положение, при котором разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать обмотки попеременно. На практике применяются шаговые электродвигатели, имеющие более сложную конструкцию и обеспечивающие от 100 до 400 шагов на один оборот ротора. Если такой двигатель работает в паре с резьбовым соединением, то при шаге резьбы порядка 0.1 мм обеспечивается точность позиционирования объекта порядка 0.25 - 1 мкм. Сканирующая зондовая микроскопия Устройство работает следующим образом. Для перемещения держателя объекта в направлении оси Z к электродам пьезотрубки прикладывается импульсное напряжение пилообразной формы. Данное устройство содержит основание (1), на котором закреплена пьезоэлектрическая трубка (2). Трубка имеет электроды (3) на внешней и внутренней поверхностях. На конце трубки укреплена разрезная пружина (4), представляющая собой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлен держатель объекта (5) - достаточно массивный цилиндр с полированной поверхностью. Перемещаемый объект может крепиться к держателю с помощью пружины или накидной гайки, что позволяет устройству работать при любой ориентации в пространстве. Сканирующая зондовая микроскопия Для защиты головок СЗМ успешно применяются также активные системы подавления внешних вибраций. Такие устройства представляют собой электромеханические системы с отрицательной обратной связью, которая обеспечивает стабильное положение виброизолирующей платформы в пространстве. Принцип работы активных систем можно рассмотреть на следующем простом примере. На платформе располагается датчик вибраций– устройство, реагирующее на ускорение, испытываемое платформой. Сигнал с датчика поступает в систему обратной связи (СОС), где он усиливается и в противофазе подается на пьезоэлектрические опоры, которые, смещаясь в противоположную сторону, гасят ускорение, испытываемое платформой. Это так называемое пропорциональное регулирование. Сканирующая зондовая микроскопия Атомно-силовой микроскоп был сконструирован Гердом Биннигом и его сотрудниками в 1986 году. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острием зонда на конце. В АСМ регистрируются изменения силы притяжения зонда к поверхности. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Колебания чувствительной к деформациям консоли определяются ее резонансной частотой и межатомными силами. Отклонения консоли детектируется с помощью лазерного луча, отражающегося от ее поверхности на детектор света. По изменению показаний фотодиода можно судить о рельефе исследуемого объекта. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Общие принципы работы атомно-силового микроскопа Сканирующая зондовая микроскопия Разновидности АСМ Контактная АСМ Остриё зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости кантилевера. Используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости («мягкие кантилеверы»), что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец. Недостаток контактных АСМ методик - непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Полуконтактная АСМ Основаны на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. применяется для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью (структуры на основе ряда органических материалов и многие биологические объекты). Позволяют существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Позволяют, в основном на качественном уровне, оценивать различные свойства поверхности образцов. Недостаток полуконтактных АСМ методик – большая сложность по сравнению с контактными. Кроме того, высокая частота колебаний кантилевера позволяет работать только с плотно прикрепленными к подложке объектами. Сканирующая зондовая микроскопия Зонд находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью Используются режимы постоянной силы и постоянного расстояния Сканирующая зондовая микроскопия Схема общего принципа работы атомно-силового микроскопа. Сканирующая зондовая микроскопия Изображение рельефа поверхности: а) 2D визуализация, б) 3D визуализация Производители СЗМ в России и СНГ:
Сканирующая зондовая микроскопия УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Спасибо за внимание! |