Mijiedarbības procesus starp parauga virsmas atomiem un skenējošo zondi skaidro kvantu fizika un cietvielu fizika.
skenējošās zondes mikroskops
instruments virsmas attēlu iegūšanai, īpašību raksturošanai un manipulācijām atomārā mērogā, izmantojot mikroizmēru zondi, kas skenē paraugu
Saistītie šķirkļi
Atomspēku mikroskops Polijas Zinātņu akadēmijas Kodolfizikas institūtā. Krakova, 2016. gads.
Satura rādītājs
Iedalījums
Pēc mijiedarbības veida starp zondes smaili un parauga virsmu skenējošās zondes mikroskopus iedala:
- skenējošos tuneļstrāvas mikroskopos (scanning tunneling microscope, STM);
- atomspēku mikroskopos (atomic force microscope, AFM);
- skenējošos tuvā lauka optiskos mikroskopos (scanning near field optical microscope, SNOM).
Izgudrošanas un attīstības vēsture; nozīmīgākie atklājēji, izgudrotāji
Skenējošās zondes mikroskopu izgudrošanas priekšnosacījums bija kvantu fizikas ideju attīstība 20. gs. pirmajā pusē. Lai gan kvantu tunelēšanas parādības teorētisks apraksts tika izstrādāts jau 20. gs. 30. gados, eksperimentāli to starp diviem metāliem vakuumā izdevās novērot Raselam Jangam (Russell Young) ar kolēģiem Amerikas Savienotajās Valstīs tikai 1971. gadā. Skenējošās zondes mikroskopa priekšteča – topografera (topografiner) – prototipu R. Janga grupā izveidoja 1972. gadā.
1982. gadā IBM pētnieki Gerds Binnings (Gerd Binning) un Heinrihs Rorers (Heinrich Rohrer) Šveicē izgudroja jauna veida mikroskopu, kura darbības pamatā ir kvantu tunelēšana – STM. Sākotnēji tika demonstrēta elektronu plūsma starp diviem vadošiem materiāliem, starp kuriem ir vakuums, taču drīz instruments tika pielāgots, lai iegūtu parauga virsmas topogrāfijas attēlu. STM bija revolucionārs rīks nanofizikā un nanotehnoloģijās, tomēr to varēja izmantot tikai vadošu materiālu pētījumiem. G. Binnings un H. Rorers par šo izgudrojumu 1986. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.
1985. gadā G. Binnings ar kolēģiem Kristofu Gerberu (Cristoph Gerber) un Kelvinu Kveitu (Calvin Forrest Quate) demonstrēja metodi elektrisko strāvu nevadošu materiālu virsmu pētījumiem – AFM. Tās darbības pamatā bija mijiedarbības spēku noteikšana, mikroizmēra zondes smailei nonākot pētāmā parauga virsmas tuvumā. Mūsdienās ir pieejams plašs AFM instrumentu klāsts, kuri optimizēti konkrētu materiālu virsmu topogrāfijas raksturošanai un īpašību pētījumiem.
Teorētisku aprakstu ierīcei, kura varētu pārvarēt 1873. gadā formulēto vācu fiziķa Ernsta Karla Abes (Ernst Karl Abbe) optisko mikroskopu izšķirtspējas ierobežojumu gaismas difrakcijas parādības dēļ, 1928. gadā ierosināja īru fiziķis Edvards Sings (Edward Hutchinson Synge). Uz tā pamata 1982. gadā fiziķis Dīters Pols (Wolfgang Dieter Pohl) izveidoja pirmo SNOM.
Ierīces raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi
Skenējošās zondes mikroskopu darbības pamatā ir mijiedarbības procesi starp paraugu un mikroizmēru skenējošo zondi. Zondi var iztēloties kā smailu, konusveidīgu konstrukciju, kas tiek kontrolēti pārvietota pētāmā parauga virsmas tuvumā. Mijiedarbības raksturu nosaka zondes un parauga īpašības, savukārt tās stiprumu attēla iegūšanas laikā fiksē, mērot kāda fizikāla lieluma vērtību katrā virsmas punktā. Zondes precīzu pozicionēšanu mikroskopēšanas laikā veic pjeozelektrisku aktuatoru sistēma. Pjezoelektriski materiāli, piemēram, svina cirkonāta titanāts (lead zirconium titanate, PZT), izmaina savu formu elektriskā lauka iedarbībā. Pjezoelektrisku aktuatoru polarizēšanai skenējošās zondes mikroskopos jānodrošina augsts spriegums, kura precīzai kontrolei tiek izmantota elektroniska sistēma. Iekārtas vadībai, datu uzkrāšanai, saglabāšanai un attēlošanai tiek izmantots dators. Virsmas topogrāfijas attēlu veido divdimensionāla karte, kurā ar atšķirīgām krāsām tiek kodēta informāciju pār mērāmā fizikālā lieluma vērtību katrā punktā. Viens no priekšnosacījumiem augstas izšķirtspējas attēlu iegūšanai skenējošās zondes mikroskopos ir iekārtas mehāniska stabilitāte un izolācija no apkārtējās vides. Mikroskopi ir jāveido noslēgti, no apkārtējām vibrācijām ekranējot ar vairākpakāpju trokšņu slāpēšanas sistēmu.
STM darbības pamatā ir tuneļefekts – kvantu fizikas parādība, kuras rezultātā kvantu daļiņām ir varbūtība pārvarēt potenciāla barjeru, kas pārsniedz daļiņas enerģiju. Potenciāla barjeru parasti veido vakuuma sprauga starp elektrovadošu zondes smaili un parauga virsmu. Atkarībā no smailes attāluma līdz virsmas atomiem mainās elektronu tunelēšanās varbūtība. Mērot tuneļstrāvas lielumu, ar augstu precizitāti ir iespējams raksturot pētāmā parauga virsmas topogrāfiju un īpašības. Viens no izšķirtspēju ierobežojošajiem faktoriem ir zondes kvalitāte – tās parasti izgatavo no volframa vai platīna irīdija sakausējuma, izmantojot mehāniskas sagatavošanas vai elektroķīmiskas kodināšanas metodes. Mērījumus ar STM var veikt konstantas strāvas vai konstanta augstuma režīmos. Pirmajā gadījumā skenēšanas laikā zondes augstums tiek variēts tā, lai saglabātu nemainīga lieluma tuneļstrāvu. Konstanta augstuma režīmā tiek fiksēts zondes vertikālais stāvoklis un strāvas izmaiņas reģistrē tiešā veidā. Ar STM var veikt arī spektroskopijas eksperimentus, kā arī veikt manipulācijas ar atsevišķiem atomiem, pārvietojot tos vēlamajās pozīcijās.
AFM pamatkoncepcija balstās mijiedarbības raksturošanā starp zondes smaili un parauga virsmas atomiem. Atomārā mērogā nozīmīga loma ir tuvdarbības ķīmiskajiem, Van der Vālsa, elektrostatiskajiem, kapilārajiem un citiem mijiedarbības spēkiem. Komerciālās zondes parasti izgatavo “mikropiramīdas” formā no silīcija (Si) vai silīcija nitrīda (Si3N4), izmantojot pusvadītāju industrijā attīstītās metodes. Mehāniskās izturības palielināšanai, elektrostatisko vai magnētisko spēku mērījumiem vai specifisku molekulāru mijiedarbību noteikšanai tās var tikt pārklātas ar plānām funkcionālām kārtiņām. Zonde tiek uzmontēta mikroizmēra sviras (cantilever) nenostiprinātajā pusē, kas, nonākot parauga virsmas tuvumā, var kā atspere elastīgi deformēties. Sviras deformācijas noteikšanai galvenokārt izmanto optiskas metodes – visizplatītākā ir stara novirzes metode, kurā gaismas stars tiek atstarots no sviras aizmugurējās puses un detektēts ar fotodiodi. Sviras pozīciju var kontrolēt arī ar interferometrijas, kapacitātes, pjezoelektrisko īpašību vai tuneļstrāvas mērījumiem. AFM darbības režīmus var iedalīt statiskajos un dinamiskajos, kuros attiecīgi tiek mērīta sviras statiskā deformācija vai tās svārstības. Papildus izšķir darbības režīmus atkarībā no tā, vai zonde atrodas kontaktā ar pētāmo virsmu vai nē.
Zinātniece veic pētījumu ar atomspēku mikroskopu Kodolfizikas institūta Materiālzinātnes nodaļā. Krakova, Polija, 2016. gads.
SNOM ir optiskā un skenējošās zondes mikroskopu kombinēta versija, kurā informāciju par pētāmo objektu iegūst ar gaismu, pakāpeniski skenējot parauga virsmu. Fundamentālais ierobežojums optisko mikroskopu izšķirtspējai gaismas difrakcijas parādības dēļ tiek pārvarēts, izgaismojot paraugu ar avotu, kas ir mazāks par izmantotā starojuma viļņa garumu, un novietojot to ļoti tuvu (dažu nanometru attālumā) pētāmajai virsmai. SNOM mikroskopiem ir vairāki realizācijas varianti – par zondi parasti izmanto konusveidīgu optiskās šķiedras konstrukciju ar metālisku pārklājumu, apertūras izmēru nodrošinot ievērojami mazāku par gaismas viļņa garumu. Starojumu sāniski norobežo apertūras atvērums, tādējādi izšķirtspēju šajā gadījumā nosaka atvēruma efektīvais diametrs. Eksistē arī SNOM konfigurācija bez apertūras (apertureless), kurā tiek izmantoti tālā lauka elektromagnētiskie viļņi, lai pētītu gaismas izkliedes procesus nanoizmēra antenas un pētāmā parauga virsmas tuvumā.
Skenējošās tuneļstrāvas mikroskopijas pamatprincipa ilustrācija.
Atomspēku mikroskopijas pamatprincipa ilustrācija.
SNOM principa shematisks attēlojums (augšā) un starojuma detektēšanas ģeometrijas (apakšā).
Ierīces pielietojums zinātnē, pētniecībā
Skenējošās zondes mikroskopi tiek izmantoti cietvielu fizikas, pusvadītāju fizikas, nanofizikas, biofizikas, polimēru ķīmijas un fizikas, virsmas ķīmijas, molekulāras un šūnu bioloģijas, medicīnas un citu nozaru pētījumos. Fizikas un materiālzinātnes apakšnozarēs aktuāla ir paraugu virsmu topogrāfijas un īpašību analīze, virsmas ķīmiskā sastāva identifikācija, mijiedarbības spēku mērījumi un nanostruktūru veidošana, zondi izmantojot manipulāciju veikšanai atomārā mērogā. Bioloģijas apakšnozarēs skenējošās zondes mikroskopus izmanto šūnu struktūras, molekulāru savienojumu un to mijiedarbības procesu pētījumos.
Ierīces pielietojums tautsaimniecībā
Skenējošās zondes mikroskopi tiek plaši izmantoti materiālu inženierijā, piemēram, virsmas raupjuma raksturošanā, pārklājumu kvalitātes noteikšanā vai feromagnētisko struktūru analīzē magnētiskajās atmiņas ierīcēs. Pusvadītāju materiālu, cietvielu elektronikas ierīču, nanotehnoloģiju un citu nozaru industrijās tos izmanto kā produkcijas kvalitātes kontroles rīkus.
Nozīmīgākie ražotāji
Nozīmīgākie skenējošās zondes mikroskopu ražotāji ir “Agilent Technologies”, “Angstrom Advanced Inc”, “Bruker Nano”, “Hitachi High-Tech Science Corporation”, “Nanonics Imaging”, “NT-MDT”, “Oxford Instruments”, “Park Systems”.
Mūsdienu atklājumi, problemātika
Metožu komplekss, kas ietilpst skenējošās zondes mikroskopijā, ir ļoti daudzveidīgs un turpina attīstīties. Progress zondes tehnoloģijās, kā arī uzlabojumi mikroskopu aparatūrā un programmatūrā sekmē jaunu attēlveidošanas režīmu un instrumentu veidu izveidi – piemēram, mūsdienās eksistē skenējošās zondes mikroskopi, kuros iespējams veikt infrasarkanās, Ramana un magnētisko rezonanšu spektroskopijas eksperimentus. Joprojām aktuāli pētījumi tiek veikti jauna tipa sensoru un sistēmu izveidē, kurās tiktu apvienota vairāku veidu mikroskopu funkcionalitāte. Tiek izstrādāti arī instrumenti ar vairākām skenējošām zondēm vai to masīviem iekārtas ātrdarbības palielināšanai, kas ir aktuāli lielu virsmu raksturošanā vai litogrāfijā. Iespēja ar zondi pārkārtot individuālus atomus, veidojot kompleksas struktūras, paver plašas iespējas nanotehnoloģijās un molekulārajā elektronikā. Bioloģisku sistēmu raksturošanā būtisks šķērslis ir molekulu mobilitāte, jo pašreizējo skenējošo zondes mikroskopu datu iegūšanas ātrums neļauj pilnībā raksturot to dinamiskos procesus. Tādējādi tiek strādāts gan pie zondes skenēšanas ātruma palielināšanas, gan arī inovatīvām paraugu sagatavošanas procedūrām to imobilizēšanai.
Multivide
Atomspēku mikroskops Polijas Zinātņu akadēmijas Kodolfizikas institūtā. Krakova, 2016. gads.
Skenējošās tuneļstrāvas mikroskopijas pamatprincipa ilustrācija.
Atomspēku mikroskopijas pamatprincipa ilustrācija.
SNOM principa shematisks attēlojums (augšā) un starojuma detektēšanas ģeometrijas (apakšā).
Zinātniece veic pētījumu ar atomspēku mikroskopu Kodolfizikas institūta Materiālzinātnes nodaļā. Krakova, Polija, 2016. gads.