Skannasondmikroskop (SPM, eng. SPM - scanningprobmikroskop ) - en klass av mikroskop för att få en bild av ytan och dess lokala egenskaper. Avbildningsprocessen baseras på att skanna ytan med en sond . I det allmänna fallet tillåter det att erhålla en tredimensionell bild av ytan (topografi) med hög upplösning. Skanningssondmikroskopet i sin moderna form uppfanns (principerna för denna klass av enheter lades tidigare av andra forskare) av Gerd Karl Binnig och Heinrich Rohrer 1981. För denna uppfinning tilldelades de Nobelpriset i fysik 1986 , som delades mellan dem och uppfinnaren av transmissionselektronmikroskopet , E. Ruska . En utmärkande egenskap hos SPM är närvaron av:
Registreringssystemet fixar värdet på funktionen som beror på avståndet mellan sond och prov. Vanligtvis behandlas det registrerade värdet av ett negativt återkopplingssystem som styr positionen för provet eller sonden längs en av koordinaterna (Z). Det vanligaste återkopplingssystemet är PID-regulatorn .
Huvudtyper av skanningssondmikroskop:
Funktionen av ett skanningsprobmikroskop baseras på samverkan mellan provytan och en sond ( utbärande , nål eller optisk sond). På ett litet avstånd mellan ytan och sonden kan verkan av interaktionskrafter (repulsion, attraktion och andra krafter) och manifestationen av olika effekter (till exempel elektrontunnling) registreras med hjälp av moderna inspelningsverktyg. För registrering används olika typer av sensorer, vars känslighet gör det möjligt att upptäcka små störningar. För att få en fullfjädrad rasterbild används olika skanningsanordningar längs X- och Y-axlarna (till exempel piezorör, planparallella skannrar).
De största tekniska svårigheterna med att skapa ett skanningssondmikroskop:
I de flesta forskningslaboratorier används för närvarande skanningssond och elektronmikroskopi som forskningsmetoder som kompletterar varandra på grund av ett antal fysiska och tekniska egenskaper.
Jämfört med ett svepelektronmikroskop (SEM) har ett svepsondmikroskop ett antal fördelar. Så till skillnad från SEM, som ger en pseudo-tredimensionell bild av provytan, låter SPM dig få en äkta tredimensionell yttopografi. Dessutom, i det allmänna fallet, gör ett skanningssondmikroskop det möjligt att erhålla en bild av både en ledande och icke-ledande yta, medan för att studera icke-ledande föremål med hjälp av SEM är det nödvändigt att metallisera ytan. SEM-drift kräver ett vakuum, medan de flesta av SPM-lägena är avsedda för studier i luft, vakuum och vätska. På grund av detta är det med hjälp av SPM möjligt att studera material och biologiska föremål under normala förhållanden för dessa föremål. Till exempel, studiet av biomakromolekyler och deras interaktioner, levande celler. I princip kan SPM ge en högre upplösning än SEM. Således visades det att SPM kan ge verklig atomupplösning under ultrahöga vakuumförhållanden i frånvaro av vibrationer. Upplösningen för en ultrahögvakuum SPM är jämförbar med den för ett transmissionselektronmikroskop.
Nackdelen med SPM jämfört med SEM är också den lilla storleken på skanningsfältet. SEM kan skanna en yta på några millimeter i sidoplanet med en höjdskillnad på några millimeter i vertikalplanet. För SPM är den maximala höjdskillnaden flera mikrometer, vanligtvis inte mer än 25 mikrometer, och det maximala skanningsfältet är i bästa fall cirka 150 × 150 mikrometer. Ett annat problem är att bildkvaliteten bestäms av probspetsens krökningsradie, vilket, om sonden är felaktigt vald eller skadad, leder till artefakter i den resulterande bilden. Samtidigt tar beredningen av prover för SPM mindre tid än för SEM.
Konventionell SPM kan inte skanna ytan lika snabbt som SEM gör. Det tar från flera minuter till flera timmar att få en SPM-bild, medan en SEM efter utpumpning kan fungera i nästan realtid, dock med en relativt låg kvalitet. På grund av SPM:s låga svephastighet förvrängs de resulterande bilderna av termisk drift [1] [2] [3] , vilket minskar noggrannheten vid mätning av elementen i den skannade reliefen. För att öka hastigheten på SPM har flera konstruktioner föreslagits [4] [5] , bland vilka man kan peka ut ett sondmikroskop som kallas video AFM. Video AFM ger en tillfredsställande kvalitet på ytbilder vid en TV-skanningsfrekvens, vilket är till och med snabbare än konventionell SEM. Användningen av VideoAFM är dock begränsad, eftersom den bara fungerar i kontaktläge och på prover med en relativt liten höjdskillnad. Flera metoder har föreslagits för att korrigera förvrängningar som introduceras av termisk drift. [1] [2] [3]
Icke-linjäritet, hysteres [6] och krypning (krypning) hos skannerns piezokeramer är också orsakerna till kraftiga förvrängningar av SPM-bilder. Dessutom uppstår en del av distorsionen på grund av ömsesidiga parasitförbindelser som verkar mellan X, Y, Z-manipulatorerna i skannern. För att korrigera förvrängningar i realtid använder moderna SPM: er programvara (till exempel funktionsorienterad skanning [1] [7] ) eller skannrar utrustade med slutna spårningssystem, som inkluderar linjära positionssensorer. Vissa SPM använder XY- och Z-element, som är mekaniskt oanslutna till varandra, istället för en piezotube-skanner, vilket gör det möjligt att eliminera några av de parasitära anslutningarna. Men i vissa fall, till exempel i kombination med ett elektronmikroskop eller ultramikrotomer , är användningen av piezotube-skannrar strukturellt motiverad.
Som regel är bilden som tas med ett skanningssondmikroskop svår att tyda på grund av de förvrängningar som är inneboende i denna metod. Nästan alltid utsätts resultaten av den första skanningen för matematisk bearbetning. För detta används programvara som levereras direkt med SPM. Det finns även programvara som distribueras under GNU -licensen. Till exempel, Gwyddion [8]
För närvarande har scanningsprobmikroskop funnit tillämpning inom nästan alla vetenskapsområden. Inom fysik, kemi, biologi används SPM som ett forskningsverktyg. I synnerhet tvärvetenskapliga vetenskaper som materialvetenskap , biokemi , läkemedel , nanoteknik , ytfysik och kemi, elektrokemi , korrosionsforskning , elektronik (som MEMS ), fotokemi och många andra. En lovande riktning är kombinationen av scanningsprobmikroskop med andra traditionella och moderna forskningsmetoder, samt skapandet av fundamentalt nya enheter. Till exempel att kombinera SPM med optiska mikroskop (traditionella och konfokala mikroskop ) [9] [10] [11] , elektronmikroskop [12] , spektrometrar (till exempel Raman (Raman) spridningsspektrometrar och fluorescens ) [13] [14] [15] , ultramikrotomer [16] .
Nanotechnology Institute of the International Conversion Fund. [17] är ett ryskt icke-vinstdrivande vetenskapligt och tekniskt företag som har arbetat inom området för att skapa nanoteknologisk laboratorieutrustning sedan 1996. Bland den utrustning som för närvarande tillverkas är Umka nanoteknologiska komplex. [18] baserat på ett scanning tunneling microscope (STM), som gör det möjligt att studera både ledande och svagt ledande material. I komplexet ingår även en installation för skärpning av STM-sonder [19] .
AIST-NT LLC är ett ryskt företag etablerat i Zelenograd 2007 av en grupp utvecklare som lämnade NT-MDT CJSC. Engagerad i produktionen av scanningsprobmikroskop. [20] Företaget tillverkar för närvarande 2 unika instrument, samt tillbehör och förbrukningsvaror för SPM.
Nano Scan Technology LLC är ett företag som grundades i Dolgoprudny 2007. Det är specialiserat på utveckling och produktion av avsökningssondmikroskop och komplex baserade på dem för vetenskaplig forskning och utbildning. [21] För närvarande har företaget utvecklat och tillverkar 2 modeller av avsökningssondmikroskop i forskningsklass och 4 forskningskomplex baserade på SPM. Forskningskomplex som produceras av detta företag inkluderar SPM, optisk och spektral utrustning för komplexa studier av egenskaperna hos studieobjekt.
NT-SPb LLC är ett företag etablerat i St. Petersburg på grundval av Probe Microscopy Laboratory vid Institute of Analytical Instrumentation vid den ryska vetenskapsakademin och har sedan 2003 verkat på marknaden för nanoteknologisk utrustning och är för närvarande bosatt i ITMO Universitys Technopark . Det pedagogiska sondmikroskopet som föreslagits och producerats av NT-SPb har vunnit stor popularitet i Ryssland och utomlands. Företaget är engagerat i produktion av skanningssondmikroskop, samt utbildningsverksamhet i skolor, universitet och teknikparker. Företaget erbjuder för närvarande:
Ett företag som tillverkar vetenskaplig forskningsutrustning, inklusive en modell av ett scanningsprobmikroskop. [22]
NT-MDT CJSC är ett ryskt företag etablerat i Zelenograd 1989. Engagerad i produktion av scanningsprobmikroskop för utbildning, vetenskaplig forskning och småskalig produktion. [23] För närvarande producerar företaget 4 modelllinjer, samt ett brett utbud av tillbehör och förbrukningsmaterial: konsoler , kalibreringsgaller, testprover.
LLC NPP " Center for Advanced Technologies " är ett ryskt företag som verkar inom nanoteknik. Skapad 1990. Specialiserat på produktion av FemtoScan skanningssondmikroskop, atomvikter och tillbehör, samt mjukvaruutveckling. [24] Det är det första företaget som erbjuder ett mjukvarupaket för att styra ett avsökningssondmikroskop via Internet.
| Skanningssondmikroskopi | ||
|---|---|---|
| Huvudtyper av mikroskop | ||
| Andra metoder |
| |
| Enheter och material | ||
| se även | ||
| Nanoteknik | |
|---|---|
| Relaterade vetenskaper | |
| Personligheter | |
| Villkor | Nanopartikel |
| Teknologi | |
| Övrig |
|