Pyyhkäisykoetinmikroskoopit (SPM, eng. SPM - scanning probe microscope ) - mikroskooppiluokka, jolla saadaan kuva pinnasta ja sen paikallisista ominaisuuksista. Kuvausprosessi perustuu pinnan skannaamiseen anturin avulla . Yleisessä tapauksessa se mahdollistaa kolmiulotteisen pinnan kuvan (topografian) saamisen korkealla resoluutiolla. Pyyhkäisyanturimikroskoopin nykyaikaisessa muodossaan (toiset tutkijat määrittelivät tämän laiteluokan periaatteet aiemmin) keksivät Gerd Karl Binnig ja Heinrich Rohrer vuonna 1981. Tästä keksinnöstä he saivat vuonna 1986 fysiikan Nobelin palkinnon , joka jaettiin heidän ja transmissioelektronimikroskoopin keksijän E. Ruskan kesken . SPM:n erottuva piirre on:
Tallennusjärjestelmä kiinnittää toiminnon arvon, joka riippuu anturin ja näytteen etäisyydestä. Tyypillisesti tallennettu arvo käsitellään negatiivisella takaisinkytkentäjärjestelmällä, joka ohjaa näytteen tai koettimen sijaintia jollakin koordinaatilla (Z). Yleisimmin käytetty takaisinkytkentäjärjestelmä on PID-säädin .
Skannauskoettimikroskooppien päätyypit:
Pyyhkäisykoetinmikroskoopin toiminta perustuu näytteen pinnan vuorovaikutukseen anturin ( uloke , neula tai optinen koetin) kanssa. Pienellä etäisyydellä pinnan ja koettimen välillä voidaan tallentaa vuorovaikutusvoimien (hylkimis-, vetovoima- ja muiden voimien) toiminta ja erilaisten vaikutusten ilmentyminen (esimerkiksi elektronitunnelointi) nykyaikaisilla tallennusvälineillä. Rekisteröintiin käytetään erilaisia antureita, joiden herkkyys mahdollistaa pienten häiriöiden havaitsemisen. Täydellisen rasterikuvan saamiseksi käytetään erilaisia skannauslaitteita X- ja Y-akselilla (esimerkiksi pietsoputket, tasorinnakkaisskannerit).
Tärkeimmät tekniset vaikeudet skannauskoetinmikroskoopin luomisessa:
Tällä hetkellä useimmissa tutkimuslaboratorioissa käytetään skannauskoetinta ja elektronimikroskopiaa tutkimusmenetelminä, jotka täydentävät toisiaan useiden fysikaalisten ja teknisten ominaisuuksien vuoksi.
Pyyhkäisyelektronimikroskooppiin (SEM) verrattuna pyyhkäisyanturimikroskoopilla on useita etuja. Joten toisin kuin SEM, joka antaa pseudo-kolmiulotteisen kuvan näytepinnasta, SPM mahdollistaa todellisen kolmiulotteisen pinnan topografian. Lisäksi yleisessä tapauksessa pyyhkäisykoetinmikroskoopilla voidaan saada kuva sekä johtavasta että johtamattomasta pinnasta, kun taas johtamattomien esineiden tutkimiseksi SEM:n avulla pinta on metalloitava. SEM-toiminta vaatii tyhjiön, kun taas useimmat SPM-tilat on tarkoitettu tutkimuksiin ilmassa, tyhjiössä ja nesteessä. Tästä johtuen SPM:n avulla on mahdollista tutkia materiaaleja ja biologisia esineitä näille esineille normaaleissa olosuhteissa. Esimerkiksi biomakromolekyylien ja niiden vuorovaikutusten, elävien solujen tutkimus. Periaatteessa SPM pystyy tarjoamaan korkeamman resoluution kuin SEM. Siten osoitettiin, että SPM pystyy tarjoamaan todellisen atomiresoluution ultrakorkeassa tyhjiöolosuhteissa ilman tärinää. Ultrakorkean tyhjiö-SPM:n resoluutio on verrattavissa transmissioelektronimikroskoopin resoluutioon.
SPM:n haittana SEM:ään verrattuna on myös skannauskentän pieni koko. SEM pystyy skannaamaan muutaman millimetrin pinta-alan sivutasossa muutaman millimetrin korkeuseron pystytasossa. SPM:n suurin korkeusero on useita mikrometrejä, yleensä enintään 25 mikronia, ja suurin skannauskenttä on parhaimmillaan noin 150 × 150 mikrometriä. Toinen ongelma on, että kuvan laatu määräytyy anturin kärjen kaarevuussäteen perusteella, mikä johtaa virheellisesti valittuun tai vaurioituneeseen anturiin artefakteihin tuloksena olevassa kuvassa. Samaan aikaan näytteiden valmistelu SPM:lle vie vähemmän aikaa kuin SEM:lle.
Perinteinen SPM ei pysty skannaamaan pintaa yhtä nopeasti kuin SEM. SPM-kuvan saaminen kestää useista minuuteista useisiin tunteihin, kun taas pumppauksen jälkeen SEM pystyy toimimaan lähes reaaliajassa, vaikkakin suhteellisen huonolla laadulla. SPM:n alhaisesta pyyhkäisynopeudesta johtuen tuloksena syntyviä kuvia vääristää lämpöryömintä [1] [2] [3] , mikä heikentää skannatun kohokuvion elementtien mittaustarkkuutta. SPM:n nopeuden lisäämiseksi on ehdotettu useita malleja [4] [5] , joista voidaan erottaa video AFM -niminen koetinmikroskooppi. Video AFM tarjoaa tyydyttävän pinnan kuvanlaadun television pyyhkäisytaajuudella, joka on jopa nopeampi kuin perinteinen SEM. VideoAFM:n käyttö on kuitenkin rajallista, koska se toimii vain kontaktitilassa ja näytteissä, joiden korkeusero on suhteellisen pieni. Termisen ajautuman aiheuttamien vääristymien korjaamiseksi on ehdotettu useita menetelmiä. [1] [2] [3]
Skannerin pietsokeramiikan epälineaarisuus, hystereesi [6] ja viruminen ovat myös syynä SPM-kuvien voimakkaisiin vääristymiin. Lisäksi osa vääristymisestä johtuu skannerin X-, Y-, Z-manipulaattoreiden välillä toimivista keskinäisistä loisyhteyksistä. Vääristymien korjaamiseksi reaaliajassa nykyaikaiset SPM:t käyttävät ohjelmistoja (esimerkiksi ominaisuusorientoitunutta skannausta [1] [7] ) tai suljetuilla seurantajärjestelmillä varustettuja skannereita, jotka sisältävät lineaarisia sijaintiantureita. Jotkut SPM:t käyttävät XY- ja Z-elementtejä, jotka eivät ole mekaanisesti yhteydessä toisiinsa, pietsoputkiskannerin sijaan, mikä mahdollistaa osan loisliitäntöjen poistamisen. Tietyissä tapauksissa, esimerkiksi kun niitä yhdistetään elektronimikroskoopin tai ultramikrotomien kanssa, pietsoputkiskannerien käyttö on rakenteellisesti perusteltua.
Yleensä pyyhkäisykoetinmikroskoopilla otettua kuvaa on vaikea tulkita tähän menetelmään liittyvien vääristymien vuoksi. Melkein aina alkuskannauksen tulokset käsitellään matemaattisesti. Tätä varten käytetään suoraan SPM:n mukana toimitettua ohjelmistoa. Myös ohjelmistoja jaetaan GNU - lisenssillä. Esimerkiksi Gwyddion [8]
Tällä hetkellä pyyhkäisykoettimikroskooppeja on käytetty lähes kaikilla tieteenaloilla. Fysiikassa, kemiassa, biologiassa SPM:ää käytetään tutkimusvälineenä. Erityisesti tieteidenväliset tieteet, kuten materiaalitiede , biokemia , lääkkeet , nanoteknologia , pintafysiikka ja kemia , sähkökemia , korroosiotutkimus , elektroniikka (kuten MEMS ), fotokemia ja monet muut. Lupaava suunta on pyyhkäisyanturimikroskooppien yhdistäminen muihin perinteisiin ja nykyaikaisiin tutkimusmenetelmiin sekä täysin uusien laitteiden luominen. Esimerkiksi SPM:n yhdistäminen optisiin mikroskoopeihin (perinteiset ja konfokaaliset mikroskoopit ) [9] [10] [11] , elektronimikroskoopit [12] , spektrometrit (esim. Raman (Raman) -sirontaspektrometrit ja fluoresenssi ) [13] [14] [15] , ultramikrotomit [16] .
Kansainvälisen muuntorahaston nanoteknologiainstituutti. [17] on venäläinen voittoa tavoittelematon tieteellinen ja tekninen yritys, joka on työskennellyt nanoteknologian laboratoriolaitteiden luomisen alalla vuodesta 1996. Tällä hetkellä valmistettavien laitteiden joukossa on Umkan nanoteknologiakompleksi. [18] perustuu pyyhkäisytunnelimikroskooppiin (STM), joka mahdollistaa sekä johtavien että heikosti johtavien materiaalien tutkimisen. Kompleksi sisältää myös laitteiston STM-anturien teroittamiseen [19] .
AIST-NT LLC on venäläinen yritys, jonka Zelenogradissa perusti vuonna 2007 kehittäjäryhmä, joka jätti NT-MDT CJSC:n. Harrastaa pyyhkäisyanturimikroskooppien tuotantoa. [20] Yritys valmistaa tällä hetkellä 2 ainutlaatuista laite sekä tarvikkeet ja kulutustarvikkeet SPM:lle.
Nano Scan Technology LLC on Dolgoprudnyssa vuonna 2007 perustettu yritys. Se on erikoistunut tieteelliseen tutkimukseen ja koulutukseen tarkoitettujen pyyhkäisyanturimikroskooppien ja niihin perustuvien kompleksien kehittämiseen ja tuotantoon. [21] Tällä hetkellä yritys on kehittänyt ja valmistanut kahta mallia tutkimusluokan pyyhkäisyanturimikroskoopeista ja neljää SPM-pohjaista tutkimuskompleksia. Tämän yrityksen tuottamiin tutkimuskompleksiin kuuluvat SPM, optiset ja spektrilaitteet tutkimuskohteiden ominaisuuksien monimutkaisiin tutkimuksiin.
NT-SPb LLC on Pietariin Venäjän tiedeakatemian Analyyttisen instrumentoinnin instituutin Probe Microscopy Laboratoryn pohjalta perustettu yritys, joka on toiminut vuodesta 2003 nanoteknisten laitteiden markkinoilla ja asuu tällä hetkellä ITMO-yliopiston Technopark . NT-SPb:n ehdottama ja valmistama koulutuskoetinmikroskooppi on saavuttanut suuren suosion Venäjällä ja ulkomailla. Yritys harjoittaa skannausanturimikroskooppien tuotantoa sekä koulutustoimintaa kouluissa, yliopistoissa ja teknologiapuistoissa. Yritys tarjoaa tällä hetkellä:
Yritys, joka valmistaa tieteellisiä tutkimuslaitteita, mukaan lukien yhden mallin pyyhkäisyanturimikroskoopista. [22]
NT-MDT CJSC on venäläinen yritys, joka perustettiin Zelenogradiin vuonna 1989. Harrastaa pyyhkäisyanturimikroskooppien tuotantoa koulutusta, tieteellistä tutkimusta ja pienimuotoista tuotantoa varten. [23] Tällä hetkellä yritys valmistaa 4 mallilinjaa sekä laajan valikoiman tarvikkeita ja kulutusosia: ulokkeita , kalibrointiritilöitä, testinäytteitä.
LLC NPP " Center for Advanced Technologies " on venäläinen nanoteknologian alalla toimiva yritys. Perustettu vuonna 1990. Erikoistunut FemtoScan-pyyhkäisyanturimikroskooppien, atomipainojen ja lisävarusteiden tuotantoon sekä ohjelmistokehitykseen. [24] Se on ensimmäinen yritys, joka tarjoaa ohjelmistopaketin pyyhkäisykoettimikroskoopin ohjaamiseen Internetin kautta.
| Pyyhkäisykoettimen mikroskopia | ||
|---|---|---|
| Mikroskooppien päätyypit | ||
| Muut menetelmät |
| |
| Laitteet ja materiaalit | ||
| Katso myös | ||
| Nanoteknologia | |
|---|---|
| Liittyvät tieteet | |
| Persoonallisuudet | |
| Ehdot | Nanohiukkanen |
| Tekniikka | |
| Muut |
|