Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — scanning probe microscope ) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом . В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 году , которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска . Отличительной особенностью СЗМ является наличие:

• зонда,
• системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
• регистрирующей системы.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образца. 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 .

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:

• Сканирующий атомно-силовой микроскоп
• Сканирующий туннельный микроскоп
• Ближнепольный оптический микроскоп

Принцип работы

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом ( кантилевер , игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

• Конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами.
• Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.
• Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.
• Создание прецизионной системы развёртки.
• Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.

Особенности работы

В настоящий момент в большинстве исследовательских лабораторий сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования в силу ряда физических и технических особенностей.

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для работы с РЭМ необходим вакуум, в то время как большая часть режимов СЗМ предназначена для исследований на воздухе, в вакууме и жидкости. Благодаря этому, с помощью СЗМ возможно изучать материалы и биологические объекты в нормальных для этих объектов условиях. Например, изучение биомакромолекул и их взаимодействий, живых клеток. В принципе, СЗМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так, было показано, что СЗМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума при отсутствии вибраций. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку СЗМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У СЗМ максимальный перепад высот составляет несколько микрометров, как правило, не более 25 мкм, а максимальное поле сканирования в лучшем случае — порядка 150×150 микрометров. Другая проблема заключается в том, что качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда или его повреждении приводит к появлению артефактов на получаемом изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает меньше времени, чем для РЭМ.

Обычный СЗМ не в состоянии сканировать поверхность так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения СЗМ-изображения требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки СЗМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом , что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия СЗМ было предложено несколько конструкций , среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Однако, применение ВидеоАСМ ограничено, так как он работает только в контактном режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом высот. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько способов.

Нелинейность, гистерезис и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения СЗМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные СЗМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование ) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые СЗМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами , конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.

Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений

Как правило, снятое на сканирующем зондовом микроскопе изображение трудно поддается расшифровке из-за присущих данному методу искажений. Практически всегда результаты первоначального сканирования подвергаются математической обработке. Для этого используется программное обеспечение, непосредственно поставляемое с СЗМ. Существует и программное обеспечение, распространяемое по GNU лицензии. Например, Gwyddion

Современное состояние и развитие сканирующей зондовой микроскопии

В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования СЗМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как материаловедение , биохимия , фармацевтика , нанотехнологии , физика и химия поверхности, электрохимия , исследование коррозии , электроника (например, МЭМС ), фотохимия и многие другие. Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследований, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами ) , электронными микроскопами , спектрометрами (например, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресцентными ) , ультрамикротомами .

Производители СЗМ в России и СНГ в алфавитном порядке

АНО «Институт нанотехнологий МФК»

Институт нанотехнологий Международного фонда конверсии . — российская некоммерческая научно-технническая компания, работающая в сфере создания нанотехнологического лабораторного оборудования с 1996 года. Среди выпускаемого в настоящее время оборудования — нанотехнологический комплекс «Умка» . на базе сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), позволяющего исследовать как проводящие, так и слабопроводящие материалы. В комплекс также входит установка для заточки зондов СТМ .

ООО «АИСТ-НТ»

ООО « » — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году группой разработчиков, вышедших из ЗАО « NT-MDT ». Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов.

ООО «Нано Скан Технология»

ООО « » — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования. В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирующих зондовых микроскопов исследовательского класса и 4 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ. Научно-исследовательские комплексы, производимой этой компанией, включают в себя СЗМ, оптическое и спектральное оборудование для комплексных исследований свойств объектов изучения.

ООО «НТ-СПб»

ООО « » — компания, созданная в Санкт-Петербурге на основе лаборатории Зондовой микроскопии Института аналитического приборостроения РАН и с 2003 года работает на рынке нанотехнологического оборудования и в настоящее время компания является резидентом Технопарка Университета ИТМО . Предложенный и произведенный в «НТ-СПб» учебный зондовый микроскоп завоевал большую популярность в России и за рубежом. Компания занимается производством сканирующих зондовых микроскопов, а также образовательной деятельностью в школах, ВУЗах и технопарках. В настоящее время компания предлагает:

• Учебно-образовательный комплекс NanoTutor.
• СЗМ модуль для оптического микроскопа MicProbe.
• СЗМ для электронного микроскопа ProBeam.
• Дополнительное оборудование и аксессуары для СЗМ.

«Микротестмашины», Белоруссия

Компания, производящая оборудование для научных исследований, в том числе одну модель сканирующего зондового микроскопа.

ЗАО « NT-MDT »

ЗАО « NT-MDT » — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства. В настоящее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы , калибровочные решетки, тестовые образцы.

«Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ФГБНУ ТИСНУМ), Россия

.

• Разработка и развитие новых подходов к измерению физико-механических свойств материалов на наномасштабах.
• Создание оригинальных измерительных методик и приборов.
• Производство сканирующих нанотвердомеров серии , сочетающих возможности классических наноинденторов и сканирующих зондовых микроскопов, имеющих ряд дополнительных уникальных возможностей.
• Производство наноинденторов.

ООО НПП «Центр перспективных технологий»

ООО НПП « Центр перспективных технологий » — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения. Является первой компанией, предложившей комплекс программного обеспечения для управления сканирующим зондовым микроскопом через Интернет.

См. также

• 1986 год в науке
• Микроскопия
• Манипуляция атомами
• Сканирующая туннельная спектроскопия

Примечания

Литература

• R. Wiesendanger , Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge Universtiy Press, Cambridge (1994)
• D. Sarid , Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences, Oxford University Press, New York (1991)
• R. Dagani , Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March 2007, page 13. Published by American Chemical Society
• Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V. B. Elings , Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).
• V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning , Atomic Force Microscopy for Biologists. (Book) (December 1999) Imperial College Press.
• J. W. Cross
• P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne , Nature Methods , 3, 5 (2006)
• F. Giessibl , Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 (3), 949—983 (2003).
• R. H. Eibl, V.T. Moy , Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439-50 (2005)
• P. M. Hoffmann, A. Oral, R. A. Grimble, H. Ö. Özer, S. Jeffery, J. B. Pethica , Proc. Royal Soc. A 457, 1161 (2001).
• Eibl RH, First measurement of physiologic VLA-4 activation by SDF-1 at the single-molecule level on a living cell. In: Advances in Single Molecule Research for Biology and Nanoscience. Hinterdorfer P, Schuetz G, Pohl P (Editors),Trauner, ISBN (2007).
• West P, Introduction to Atomic Force Microscopy: Theory, Practice and Applications — www.AFMUniversity.org
• Суслов А. А., Чижик С. А. // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89

Ссылки

• (англ.)
• от 31 июля 2012 на Wayback Machine