Mikroskopi skanues i forcës atomike. Kuvaytsev A.V.

Një klasë e mikroskopëve për marrjen e një imazhi të një sipërfaqeje dhe karakteristikave të saj lokale. Procesi i imazhit bazohet në skanimin e sipërfaqes me një sondë. Në përgjithësi, ju lejon të merrni një imazh 3-dimensional të sipërfaqes (topografisë) me rezolucion të lartë.

Mikroskopi i sondës skanuese në formën e tij moderne u shpik nga Gerd Karl Binnig dhe Heinrich Rohrer në 1981. Për këtë shpikje ata u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë në 1986.

Një tipar dallues i të gjithë mikroskopëve është një sondë mikroskopike, e cila është në kontakt me sipërfaqen në studim dhe kur skanimi lëviz përgjatë një zone të caktuar të sipërfaqes së një madhësie të caktuar.

Kontakti midis sondës dhe mostrës nënkupton ndërveprim. Natyra e ndërveprimit përcakton nëse pajisja i përket llojit të mikroskopit të sondës. Informacioni rreth sipërfaqes nxirret duke përdorur një sistem reagimi ose zbulimin e ndërveprimit majë-kampion.

Sistemi regjistron vlerën e një funksioni në varësi të distancës së sondës-kampionit.

Llojet e mikroskopëve të sondës skanuese.

Mikroskopi skanues i forcës atomike

Mikroskopi skanues i tunelit

Mikroskop optik i fushës së afërt

Mikroskopi skanues i tunelit

Një nga variantet e një mikroskopi skanues i krijuar për të ndryshuar topografinë e sistemeve përcjellëse me rezolucion të lartë hapësinor.

Parimi i funksionimit bazohet në kalimin e një elektroni përmes një pengese potenciale si rezultat i një ndërprerjeje në qarkun elektrik - një hendek i vogël midis mikroskopit sondues dhe sipërfaqes së mostrës. Një gjilpërë metalike e mprehtë sillet në mostër në një distancë prej disa angstromash. Kur një potencial i vogël aplikohet në gjilpërë, lind një rrymë tuneli, madhësia e së cilës varet në mënyrë eksponenciale nga distanca midis mostrës dhe gjilpërës. Në një distancë mostër-gjilpërë prej 1 angstrom, vlera aktuale varion nga 1 në 100 pA.

Kur skanoni një mostër, gjilpëra lëviz përgjatë sipërfaqes së saj, rryma e tunelit mbahet për shkak të reagimit. Leximet e sistemit ndryshojnë për shkak të topografisë së sipërfaqes. Regjistrohet ndryshimi i sipërfaqes dhe mbi këtë bazë ndërtohet një hartë e lartësisë.

Një metodë tjetër përfshin lëvizjen e gjilpërës në një lartësi fikse mbi sipërfaqen e mostrës. Në këtë rast, madhësia e rrymës së tunelit ndryshon dhe në bazë të këtyre ndryshimeve ndërtohet topografia e sipërfaqes.

Figura 1. Skema e funksionimit të një mikroskopi tunelizimi skanues.

Mikroskopi i tunelit skanues përfshin:

Sonda (gjilpërë)

Sistemi i lëvizjes së zonës sipas koordinatave

Sistemi i regjistrimit

Sistemi i regjistrimit regjistron vlerën e funksionit, në varësi të madhësisë së rrymës midis gjilpërës dhe kampionit, ose lëvizjes përgjatë boshtit Z. Vlera e regjistruar përpunohet nga sistemi i reagimit, duke kontrolluar pozicionin e kampionit ose sondës përgjatë boshti koordinativ. Një rregullator PID (rregullator proporcional - integral - diferencues) përdoret si reagim.

Kufizimi:

Gjendja e përçueshmërisë së mostrës (rezistenca e sipërfaqes duhet të jetë jo më shumë se 20 MOhm/cm²).

Thellësia e brazdës duhet të jetë më e vogël se gjerësia e saj, përndryshe do të vërehet tunelizimi nga sipërfaqet anësore.

Universiteti Pedagogjik Shtetëror Karelian

Mikroskopi me sondë skanuese

E kryer:

554 gr. (2007)

Mikroskopi i sondës skanuese (SPM), struktura dhe parimi i funksionimit të tij

Mikroskopi me sondë skanuese (SPM)- një nga metodat moderne të fuqishme për studimin e morfologjisë dhe vetive lokale të një sipërfaqeje të fortë me rezolucion të lartë hapësinor

Pavarësisht nga shumëllojshmëria e llojeve dhe aplikimeve të mikroskopëve modernë të skanimit, funksionimi i tyre bazohet në parime të ngjashme dhe dizajnet e tyre ndryshojnë pak nga njëri-tjetri. Në Fig. Figura 1 tregon një diagram të përgjithësuar të një mikroskopi sondë skanimi (SPM).

Fig. 1 Diagrami i përgjithësuar i një mikroskopi sondë skanimi (SPM).

Parimi i funksionimit të tij është si më poshtë. Duke përdorur një sistem pozicionimi të përafërt, sonda matëse sillet në sipërfaqen e mostrës së provës. Kur mostra dhe sonda afrohen në një distancë prej më pak se qindra nm, sonda fillon të ndërveprojë me strukturat sipërfaqësore të sipërfaqes së analizuar. Sonda lëviz përgjatë sipërfaqes së mostrës duke përdorur një pajisje skanimi, e cila siguron skanimin e sipërfaqes me gjilpërën e sondës. Zakonisht është një tub i bërë nga piezoqeramika, në sipërfaqen e të cilit aplikohen tre palë elektroda të ndara. Nën ndikimin e tensioneve Ux dhe Uy të aplikuara në piezotube, ajo përkulet, duke siguruar kështu lëvizjen e sondës në lidhje me kampionin përgjatë akseve X dhe Y; nën ndikimin e tensionit Uz, ajo është e ngjeshur ose shtrirë, gjë që ju lejon të ndryshoni distancën e mostrës së gjilpërës.

Efekti piezoelektrik në kristale u zbulua në vitin 1880 nga vëllezërit P. dhe J. Curie, të cilët vëzhguan shfaqjen e ngarkesave elektrostatike në sipërfaqen e pllakave të prera në një orientim të caktuar nga një kristal kuarci nën ndikimin e stresit mekanik. Këto ngarkesa janë proporcionale me stresin mekanik, ndryshojnë shenjë me të dhe zhduken kur hiqet.

Formimi i ngarkesave elektrostatike në sipërfaqen e një dielektrike dhe shfaqja e polarizimit elektrik brenda tij si rezultat i ekspozimit ndaj stresit mekanik quhet efekt piezoelektrik i drejtpërdrejtë.

Së bashku me atë të drejtpërdrejtë, ekziston një efekt piezoelektrik i kundërt, i cili konsiston në faktin se një deformim mekanik ndodh në një pllakë të prerë nga një kristal piezoelektrik nën ndikimin e një fushe elektrike të aplikuar në të; Për më tepër, madhësia e deformimit mekanik është proporcionale me forcën e fushës elektrike. Efekti piezoelektrik vërehet vetëm në dielektrikë të ngurtë, kryesisht në ato kristalore. Në strukturat që kanë një qendër simetrie, asnjë deformim uniform nuk mund të prishë ekuilibrin e brendshëm të rrjetës kristalore dhe, për rrjedhojë, vetëm 20 klasa kristalesh që nuk kanë një qendër simetrie janë piezoelektrike. Mungesa e një qendre simetrie është një kusht i domosdoshëm, por jo i mjaftueshëm për ekzistencën e efektit piezoelektrik, dhe për këtë arsye jo të gjithë kristalet acentrike e kanë atë.

Efekti piezoelektrik nuk mund të vërehet në dielektrikë të ngurtë amorfe dhe kriptokristalorë. (Piezoelektrikë – njëkristal: kuarc. Vetitë piezoelektrike të kuarcit përdoren gjerësisht në teknologji për të stabilizuar dhe filtruar frekuencat e radios, për të gjeneruar dridhje tejzanor dhe për të matur sasitë mekanike. Turmalinë. Avantazhi kryesor i turmalinës është vlera më e lartë e koeficientit të pjesshëm në krahasim me kuarcin. Për shkak të kësaj, si dhe për shkak të forcës më të madhe mekanike të turmalinës, është e mundur të prodhohen rezonatorë për frekuenca më të larta.

Aktualisht, turmalina pothuajse nuk përdoret për prodhimin e rezonatorëve piezoelektrikë dhe ka përdorim të kufizuar për matjen e presionit hidrostatik.

Kripë Rochette. Elementet piezoelektrike të bëra nga kripa Rochelle u përdorën gjerësisht në pajisjet që funksiononin në një gamë relativisht të ngushtë të temperaturës, në veçanti, në marrjen e zërit. Megjithatë, aktualisht ato janë zëvendësuar pothuajse plotësisht nga piezoelemente qeramike.

Sensori i pozicionit të sondës monitoron vazhdimisht pozicionin e sondës në raport me kampionin dhe, përmes një sistemi reagimi, transmeton të dhëna në lidhje me të në sistemin kompjuterik që kontrollon lëvizjen e skanerit. Për të regjistruar forcat e ndërveprimit midis një sondë dhe një sipërfaqe, zakonisht përdoret një metodë që bazohet në regjistrimin e devijimit të një rreze lazer gjysmëpërçues të reflektuar nga maja e sondës. Në mikroskopët e këtij lloji, një rreze e reflektuar drite bie në qendër të një fotodiode me dy ose katër seksione të lidhur sipas një qarku diferencial. Sistemi kompjuterik, përveç kontrollit të skanerit, shërben edhe për përpunimin e të dhënave nga sonda, analizimin dhe shfaqjen e rezultateve të kërkimit sipërfaqësor.

Siç mund ta shihni, struktura e mikroskopit është mjaft e thjeshtë. Interesi kryesor është ndërveprimi i sondës me sipërfaqen në studim. Është lloji i ndërveprimit të përdorur nga një mikroskop i veçantë sondë skanimi që përcakton aftësitë dhe shtrirjen e tij të aplikimit. (rrëshqitje) Siç sugjeron emri, një nga elementët kryesorë të një mikroskopi të sondës skanuese është një sondë. Një tipar i përbashkët i të gjithë mikroskopëve të sondës skanuese është metoda e marrjes së informacionit rreth vetive të sipërfaqes në studim. Sonda mikroskopike i afrohet sipërfaqes derisa të vendoset një ekuilibër ndërveprimesh të një natyre të caktuar midis sondës dhe mostrës, pas së cilës kryhet skanimi.

Mikroskopi i tunelit skanues (STM), struktura dhe parimi i funksionimit të tij

Prototipi i parë i SPM ishte mikroskopi i tunelit të skanimit (STM), i shpikur në 1981. nga shkencëtarët në Laboratorin Kërkimor IBM në Cyrih, Gerhard Binnig dhe Heinrich Röhrer. Me ndihmën e tij, për herë të parë u morën imazhe reale të sipërfaqeve me rezolucion atomik, në veçanti, një rindërtim 7x7 në një sipërfaqe silikoni (Fig. 2).

Fig. 3 Imazhi STM i sipërfaqes së silikonit monokristalor. Rikonstruksioni 7 x 7

Të gjitha metodat e njohura aktualisht SPM mund të ndahen në tre grupe kryesore:

– mikroskopi tunelimi skanues; STM përdor një gjilpërë të mprehtë përçuese si sondë

Nëse midis majës dhe kampionit aplikohet një tension paragjykim, atëherë kur maja e gjilpërës i afrohet kampionit në një distancë prej rreth 1 nm, midis tyre lind një rrymë tunelimi, madhësia e së cilës varet nga distanca gjilpërë-kampion, dhe drejtimi në polaritetin e tensionit (Fig. 4). Ndërsa maja e gjilpërës largohet nga sipërfaqja në studim, rryma e tunelit zvogëlohet dhe ndërsa afrohet, rritet. Kështu, duke përdorur të dhënat mbi rrymën e tunelit në një grup të caktuar pikash sipërfaqësore, është e mundur të ndërtohet një imazh i topografisë së sipërfaqes.

Fig. 4 Diagrami i shfaqjes së rrymës së tunelit.

– mikroskopi i forcës atomike; regjistron ndryshime në forcën e tërheqjes së gjilpërës në sipërfaqe nga pika në pikë. Gjilpëra ndodhet në fundin e një trau konsol (konsol), i cili ka një ngurtësi të njohur dhe është në gjendje të përkulet nën veprimin e forcave të vogla van der Waals që lindin midis sipërfaqes në studim dhe majës së majës. Deformimi i konsolit regjistrohet nga devijimi i një rreze lazer që bie në sipërfaqen e saj të pasme, ose duke përdorur efektin piezorezistues që ndodh në vetë konsol gjatë përkuljes;

– mikroskopi optik në fushë të afërt; në të, sonda është një përcjellës valësh optike (fibër), që zvogëlohet në fund, përballë kampionit në një diametër më të vogël se gjatësia e valës së dritës. Në këtë rast, vala e dritës nuk e lë udhërrëfyesin e valës në një distancë të gjatë, por vetëm pak "bie" nga maja e saj. Në skajin tjetër të valëzuesit, janë instaluar një lazer dhe një marrës i dritës së reflektuar nga skaji i lirë. Në një distancë të vogël midis sipërfaqes në studim dhe majës së sondës, amplituda dhe faza e valës së reflektuar të dritës ndryshon, e cila shërben si një sinjal që përdoret në ndërtimin e një imazhi tredimensional të sipërfaqes.

Në varësi të rrymës së tunelit ose distancës midis gjilpërës dhe sipërfaqes, janë të mundshme dy mënyra të funksionimit të mikroskopit të tunelit skanues. Në modalitetin me lartësi konstante, maja e gjilpërës lëviz në një rrafsh horizontal mbi kampionin dhe rryma e tunelit ndryshon në varësi të distancës me të (Fig. 5a). Sinjali i informacionit në këtë rast është madhësia e rrymës së tunelit të matur në çdo pikë skanimi të sipërfaqes së mostrës. Në bazë të vlerave të marra të rrymës së tunelit, ndërtohet një imazh i topografisë.

Oriz. 5. Diagrami i funksionimit STM: a - në modalitetin e lartësisë konstante; b - në modalitetin e rrymës së drejtpërdrejtë

Në modalitetin e rrymës konstante, sistemi i reagimit të mikroskopit siguron një rrymë tunelimi konstante duke rregulluar distancën e mostrës së gjilpërës në çdo pikë skanimi (Fig. 5b). Ai monitoron ndryshimet në rrymën e tunelit dhe kontrollon tensionin e aplikuar në pajisjen e skanimit për të kompensuar këto ndryshime. Me fjalë të tjera, kur rritet rryma, sistemi i reagimit e largon sondën nga kampioni dhe kur zvogëlohet, e afron atë. Në këtë mënyrë, imazhi ndërtohet bazuar në të dhënat mbi madhësinë e lëvizjeve vertikale të pajisjes skanuese.

Të dy mënyrat kanë avantazhet dhe disavantazhet e tyre. Modaliteti me lartësi konstante ofron rezultate më të shpejta, por vetëm për sipërfaqe relativisht të lëmuara. Në modalitetin e rrymës konstante, sipërfaqet e parregullta mund të maten me saktësi të lartë, por matjet zgjasin më shumë.

Duke pasur ndjeshmëri të lartë, mikroskopët e tunelit skanues i kanë dhënë njerëzimit mundësinë për të parë atomet e përçuesve dhe gjysmëpërçuesve. Por për shkak të kufizimeve të projektimit, është e pamundur të imazhohen materiale jopërçuese duke përdorur STM. Për më tepër, për funksionimin me cilësi të lartë të një mikroskopi tuneli, është e nevojshme të përmbushen një sërë kushtesh shumë strikte, në veçanti, funksionimi në vakum dhe përgatitja speciale e mostrës. Kështu, megjithëse nuk mund të thuhet se petulla e parë e Binnig dhe Röhrer rezultoi me gunga, produkti doli pak i papërpunuar.

Kaluan pesë vjet dhe Gerhard Binning, së bashku me Calvin Quaite dhe Christopher Gerber, shpikën një lloj të ri mikroskopi, të cilin e quajtën një mikroskop i forcës atomike (AFM), për të cilin në të njëjtin 1986. G. Binnig dhe H. Röhrer u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë. Mikroskopi i ri bëri të mundur tejkalimin e kufizimeve të paraardhësit të tij. Duke përdorur AFM, është e mundur të imazhoni sipërfaqen e materialeve përçuese dhe jopërçuese me rezolucion atomik dhe në kushte atmosferike. Një avantazh shtesë i mikroskopëve të forcës atomike është aftësia, së bashku me matjen e topografisë së sipërfaqeve, për të vizualizuar vetitë e tyre elektrike, magnetike, elastike dhe të tjera.

Mikroskopi i forcës atomike (AFM), struktura dhe parimi i funksionimit të tij

Komponenti më i rëndësishëm i ACM (Mikroskopi i forcës atomike) janë sonda skanuese - konsol; vetitë e mikroskopit varen drejtpërdrejt nga vetitë e konsolit.

Konsoli është një rreze fleksibël (175x40x4 mikronë - të dhëna mesatare) me një koeficient të caktuar ngurtësie k(10-3 – 10 N/m), në fund të së cilës ndodhet një mikrogjilpërë (Fig. 1). Gama e ndryshimit të rrezes së lakimit R Maja e gjilpërës ndryshoi me zhvillimin e AFM nga 100 në 5 nm. Natyrisht, me një rënie R Mikroskopi mundëson imazhe me rezolucion më të lartë. Këndi i majës së gjilpërës a- gjithashtu një karakteristikë e rëndësishme e sondës, nga e cila varet cilësia e imazhit. a në konsolë të ndryshëm varion nga 200 në 700, nuk është e vështirë të supozohet se sa më i vogël a, aq më e lartë është cilësia e imazhit që rezulton.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image007_32.gif" width="113 height=63" height="63">,

prandaj të rritet w0 Gjatësia e konsolit (nga e cila varet koeficienti i ngurtësisë) është në rendin e disa mikronave, dhe masa nuk i kalon 10-10 kg. Frekuencat rezonante të konsoleve të ndryshme variojnë nga 8 në 420 kHz.

Metoda e skanimit duke përdorur AFM është si më poshtë (Figura 2) : gjilpëra e sondës ndodhet mbi sipërfaqen e kampionit, ndërsa sonda lëviz në lidhje me kampionin, si një rreze në një tub me rreze katodë në një televizor (skanim rresht pas rreshti). Një rreze lazer e drejtuar në sipërfaqen e sondës (e cila përkulet në përputhje me peizazhin e kampionit) reflektohet dhe godet një fotodetektor, i cili regjistron devijimet e rrezes. Në këtë rast, devijimi i gjilpërës gjatë skanimit shkaktohet nga ndërveprimi ndëratomik i sipërfaqes së mostrës me majën e saj. Duke përdorur përpunimin kompjuterik të sinjaleve të fotodetektorit, është e mundur të merren imazhe tredimensionale të sipërfaqes së kampionit në studim.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Oriz. 8. Varësia e forcës së bashkëveprimit ndëratomik nga distanca ndërmjet majës dhe kampionit

Forcat e ndërveprimit midis sondës dhe sipërfaqes ndahen në rreze të shkurtër dhe të gjatë. Forcat me rreze të shkurtër lindin në një distancë të rendit 1-10 A kur predha elektronike të atomeve të majës së gjilpërës dhe sipërfaqes mbivendosen shpejt bien me rritjen e distancës. Vetëm disa atome (në kufirin një) të majës së gjilpërës hyjnë në ndërveprim me rreze të shkurtër me atomet sipërfaqësore. Kur imazhoni një sipërfaqe duke përdorur këtë lloj force, AFM funksionon në modalitetin e kontaktit.

Ekziston një modalitet i skanimit të kontaktit, kur gjilpëra e sondës prek sipërfaqen e kampionit, modaliteti i ndërprerë - gjatë skanimit, sonda prek periodikisht sipërfaqen e mostrës dhe modaliteti pa kontakt, kur sonda është disa nanometra nga ajo e skanuar. sipërfaqe (modaliteti i fundit i skanimit përdoret rrallë, pasi forcat e ndërveprimit midis sondës dhe kampionit janë praktikisht të vështira për t'u përcaktuar).

Mundësitë e etiketës private

STM u mësua jo vetëm për të dalluar atomet individuale, por edhe për të përcaktuar formën e tyre.
Shumë nuk e kanë kuptuar ende plotësisht faktin se mikroskopët e tunelit skanues (STM) janë në gjendje të njohin atome individuale, kur hapi tjetër është ndërmarrë tashmë: tani është bërë e mundur të përcaktohet edhe forma të një atomi individual në hapësirën reale (më saktë, forma e shpërndarjes së densitetit të elektroneve rreth bërthamës atomike).

Mikroskopi optik i fushës së afërt, struktura dhe parimi i funksionimit të tij

Mikroskopi optik i fushës së afërt; në të, sonda është një përcjellës valësh optike (fibër), që zvogëlohet në fund, përballë kampionit në një diametër më të vogël se gjatësia e valës së dritës. Në këtë rast, vala e dritës nuk e lë udhërrëfyesin e valës në një distancë të gjatë, por vetëm pak "bie" nga maja e saj. Në skajin tjetër të valëzuesit, janë instaluar një lazer dhe një marrës i dritës së reflektuar nga skaji i lirë. Në një distancë të vogël midis sipërfaqes në studim dhe majës së sondës, amplituda dhe faza e valës së reflektuar të dritës ndryshon, e cila shërben si një sinjal që përdoret në ndërtimin e një imazhi tredimensional të sipërfaqes.

Nëse e detyroni dritën të kalojë përmes një diafragme me diametër 50-100 nm dhe e afroni atë në një distancë prej disa dhjetëra nanometrash në sipërfaqen e kampionit në studim, atëherë duke lëvizur një "" të tillë përgjatë sipërfaqes nga pika. për të treguar (dhe duke pasur një detektor mjaft të ndjeshëm), mund të studioni vetitë optike të këtij kampioni në një zonë lokale që korrespondon me madhësinë e vrimës.

Kjo është pikërisht mënyra se si funksionon një mikroskop optik skanues me fushë të afërt (SNOM). Roli i vrimës (diafragma me gjatësi nënvalore) kryhet zakonisht nga një fibër optike, njëra skaj i së cilës është e theksuar dhe e mbuluar me një shtresë të hollë metali, kudo përveç një zone të vogël në majë të majës (diametri i " zona pa pluhur” është vetëm 50-100 nm). Nga ana tjetër, drita nga lazeri hyn në një fibër të tillë.

Dhjetor 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">Dhjetor 2005 dhe është një nga laboratorët bazë të Departamentit të Nanoteknologjisë, Fakulteti i Fizikës, Universiteti Shtetëror Rus. Laboratori ka 4 grupe të Mikroskopët sondë skanues NanoEducator, të zhvilluara posaçërisht nga kompania NT-MDT (Zelenograd, Rusi) për punë laboratorike... Pajisjet janë të drejtuara për një audiencë studentore: ato kontrollohen plotësisht duke përdorur një kompjuter, kanë një ndërfaqe të thjeshtë dhe intuitive, mbështetje për animacion. , dhe përfshijnë një zhvillim hap pas hapi të teknikave.

Fig. 10 Laboratori i mikroskopisë së sondës skanuese

Zhvillimi i mikroskopisë së sondës skanuese shërbeu si bazë për zhvillimin e një drejtimi të ri të nanoteknologjisë - nanoteknologjinë e sondës.

Letërsia

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Rindërtimi në Si(111) Resolved in Real Space // Fiz. Rev. Lett. 1983. Vëll. 50, nr 2. F. 120-123. Ky botim i famshëm solli epokën e etiketimit privat.

2. http://www. *****/obrazovanie/stsoros/1118.html

3. http://ru. wikipedia. org

4. http://www. *****/SPM-Techniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Near-field_Microscopy_mode94.html

5. http://scireg. *****.

6. http://www. *****/lista_artikull. html

Puna laboratorike nr. 1

Marrja e imazhit të parë SPM. Përpunimi dhe prezantimi

Rezultatet e eksperimentit

Qëllimi i punës: studimi i bazave të mikroskopisë së sondës skanuese, dizajni dhe parimet e funksionimit të pajisjes NanoEducator, marrja e imazhit të parë SPM, fitimi i aftësive në përpunimin dhe paraqitjen e rezultateve eksperimentale.

Pajisjet dhe aksesorët: Pajisja NanoEducator, mostra për kërkime: mostra e testimit TGZ3 ose ndonjë tjetër sipas zgjedhjes së mësuesit.

TEORI E SHKURTËR

Dizajni i përgjithshëm i një mikroskopi sondë skanimi

SPM përbëhet nga komponentët kryesorë të mëposhtëm (Fig. 1-1): 1 – sonda; 2 – mostër; 3 – motorët piezoelektrikë x, y, z për lëvizjen e saktë të sondës mbi sipërfaqen e mostrës së provës; 4 – gjenerator i skanimit, i cili furnizon me tension piezodrivers x dhe y, të cilët sigurojnë skanimin e sondës në planin horizontal; 5 – sensor elektronik që zbulon madhësinë e ndërveprimit lokal midis sondës dhe kampionit; 6 - krahasues, duke krahasuar sinjalin aktual në qarkun e sensorit V(t) me V S të specifikuar fillimisht dhe, nëse ai devijon, gjeneron një sinjal korrigjues V fb; 7 – qark elektronik i reagimit që kontrollon pozicionin e sondës përgjatë boshtit z; 8 – kompjuter që kontrollon procesin e skanimit dhe marrjen e imazhit (9).

Oriz. 1-1. Diagrami i përgjithshëm i një mikroskopi sondë skanimi. 1 – sonda; 2 – mostër; 3 – motorët piezoelektrikë x, y, z; 4 – gjenerator i tensionit skanues në piezoceramikë x, y; 5 – sensor elektronik; 6 – krahasues; 7 – qark elektronik i reagimit; 8 – kompjuter; 9 – imazhi z(x,y)

Llojet e sensorëve. Dy teknikat kryesore të mikroskopisë së sondës janë mikroskopi skanues i tunelit dhe mikroskopi i forcës atomike.

Gjatë matjes së rrymës së tunelit në një sensor tuneli (Fig. 1-2), përdoret një konvertues i tensionit të rrymës (CVT), i cili përfshihet në qarkun e rrjedhës së rrymës midis sondës dhe mostrës. Dy opsione kalimi janë të mundshme: me një sondë të tokëzuar, kur një tension paragjykim aplikohet në mostër në lidhje me një sondë të tokëzuar, ose me një kampion të tokëzuar, kur një tension paragjykim aplikohet në sondë.

Një sensor tradicional i ndërveprimit të forcës është një mikrorreze silikoni, tastierë ose konsol (nga konsoli anglez - konsol) me një qark optik për regjistrimin e sasisë së përkuljes së konsolit që ndodh si rezultat i ndërveprimit të forcës midis mostrës dhe sondës që ndodhet në fund. e konsolit (Fig. 1-3).

Oriz. 1-2. Diagrami i sensorit të tunelit Fig. 1-3. Qarku i sensorit të fuqisë

Ekzistojnë metoda kontakti, pa kontakt dhe kontakti me ndërprerje ("gjysmë kontakti") për kryerjen e mikroskopisë së forcës. Përdorimi i metodës së kontaktit supozon se sonda qëndron në mostër. Kur konsol përkulet nën veprimin e forcave të kontaktit, rrezja lazer e reflektuar prej saj zhvendoset në lidhje me qendrën e fotodetektorit kuadrant. Kështu, devijimi i konsolit mund të përcaktohet nga ndryshimi relativ në ndriçimin e gjysmës së sipërme dhe të poshtme të fotodetektorit.

Kur përdorni metodën pa kontakt, sonda hiqet nga sipërfaqja dhe ndodhet në zonën e veprimit të forcave tërheqëse me rreze të gjatë. Forcat tërheqëse dhe gradientët e tyre janë më të dobëta se forcat e kontaktit refuzues. Prandaj, zakonisht përdoret një teknikë modulimi për t'i zbuluar ato. Për ta bërë këtë, duke përdorur një piezovibrator, konsol lëkundet vertikalisht në një frekuencë rezonante. Larg sipërfaqes, amplituda e lëkundjeve të konsolit është maksimale. Ndërsa i afroheni sipërfaqes, për shkak të veprimit të gradientit të forcave tërheqëse, frekuenca rezonante e lëkundjeve të konsolit ndryshon dhe amplituda e lëkundjeve të saj zvogëlohet. Kjo amplitudë regjistrohet duke përdorur një sistem optik nga ndryshimi relativ në ndriçimin e ndryshueshëm të gjysmës së sipërme dhe të poshtme të fotodetektorit.

Me metodën e matjes "gjysmë-kontakt", përdoret gjithashtu një teknikë modulimi për matjen e ndërveprimit të forcës. Në modalitetin "gjysmë-kontakt", sonda prek pjesërisht sipërfaqen, duke qenë në mënyrë alternative në zonën e tërheqjes dhe në zonën e zmbrapsjes.

Motor piezoelektrik. Skanera. Për lëvizjen e kontrolluar të gjilpërës në distanca ultra të shkurtra, SPM përdor motorë piezoelektrikë. Detyra e tyre është të sigurojnë skanim mekanik të saktë të kampionit të provës me një sondë duke lëvizur sondë në lidhje me një kampion të palëvizshëm ose duke lëvizur kampionin në lidhje me një sondë të palëvizshme. Funksionimi i shumicës së motorëve piezoelektrikë të përdorur në SPM-të moderne bazohet në përdorimin e efektit piezoelektrik të anasjelltë, i cili konsiston në ndryshimin e dimensioneve të piezomaterialit nën ndikimin e një fushe elektrike. Baza e shumicës së piezoqeramikave të përdorura në SPM është përbërja Pb(ZrTi)O 3 (titanat zirkonat plumbi) me aditivë të ndryshëm.

Zgjatja e një pllake piezoelektrike të fiksuar në njërin skaj përcaktohet nga shprehja:

Ku l- gjatësia e pllakës, h- trashësia e pllakës, U- Tensioni elektrik i aplikuar në elektrodat e vendosura në skajet e pllakës piezoelektrike, d 31 – piezomoduli i materialit.

Strukturat piezoqeramike që ofrojnë lëvizje përgjatë tre koordinatave x, y (në rrafshin anësor të kampionit) dhe z (vertikalisht) quhen "skanerë". Ka disa lloje skanerësh, më të zakonshmet janë trekëmbëshi dhe tuba (Figura 1-4).

Oriz. 1-4. Modelet bazë të skanerëve: a) – trekëmbësh, b) – tuba

Në një skaner trekëmbësh, lëvizjet përgjatë tre koordinatave sigurohen nga tre piezoceramikë të pavarur të rregulluar në një strukturë ortogonale. Skanerët me tuba funksionojnë duke përkulur një tub piezoelektrik të zbrazët në planin anësor dhe duke e zgjatur ose ngjeshur tubin përgjatë boshtit Z. Elektrodat që kontrollojnë lëvizjen e tubit në drejtimet X dhe Y vendosen në katër segmente përgjatë sipërfaqes së jashtme të tubit (Fig. 1-4 b). Për të përkulur tubin në drejtimin X, një tension aplikohet në qeramikë +X për të zgjatur njërën nga anët e saj. I njëjti parim përdoret për të specifikuar lëvizjen në drejtimin Y. Zhvendosjet në drejtimet X dhe Y

proporcionale me tensionin e aplikuar dhe katrorin e gjatësisë së tubit. Lëvizja në drejtimin Z gjenerohet duke aplikuar një tension në elektrodën në qendër të tubit. Kjo bën që i gjithë tubi të zgjatet në proporcion me gjatësinë e tij dhe tensionin e aplikuar.

Procesi i skanimit të një sipërfaqeje në një SPM (Fig. 1-5) është i ngjashëm me lëvizjen e një rreze elektronike nëpër ekran në një tub me rreze katodë TV. Sonda lëviz përgjatë vijës (vijës), së pari në drejtimin përpara, dhe më pas në drejtimin e kundërt (skanimi i linjës), pastaj kalon në vijën tjetër (skanimi i kornizës). Sonda lëviz me ndihmën e një skaneri në hapa të vegjël nën ndikimin e tensioneve të dhëmbëve sharrë të furnizuara nga një gjenerator skanimi (zakonisht një konvertues dixhital në analog). Regjistrimi i informacionit në lidhje me topografinë e sipërfaqes kryhet, si rregull, në një kalim të drejtpërdrejtë.

Oriz. 1-5. Paraqitja skematike e procesit të skanimit

Opsionet kryesore për të zgjedhur përpara se të filloni një skanim përfshijnë:

Madhësia e skanimit;

Numri i pikave në vijën N X dhe linjave në skanimin N Y , duke përcaktuar hapin e skanimit Δ;

Shpejtësia e skanimit.

Parametrat e skanimit zgjidhen në bazë të të dhënave paraprake (madhësia e veçorive karakteristike të sipërfaqes) që studiuesi ka për objektin e studimit.

Kur zgjidhni një madhësi skanimi, është e nevojshme të merrni informacionin më të plotë për sipërfaqen e mostrës, d.m.th. shfaq veçoritë më karakteristike të sipërfaqes së saj. Për shembull, kur skanoni një grilë difraksioni me një periudhë prej 3 µm, është e nevojshme të shfaqen të paktën disa periudha, d.m.th. Madhësia e skanimit duhet të jetë 10 - 15 µm. Nëse vendndodhja e veçorive në sipërfaqen e objektit në studim është jo uniforme, atëherë për një vlerësim të besueshëm është e nevojshme të skanohet në disa pika të larguara nga njëra-tjetra në sipërfaqen e kampionit. Në mungesë të informacionit për objektin e studimit, skanimi zakonisht kryhet fillimisht në një zonë afër maksimumit të aksesueshëm për imazhe, në mënyrë që të merret informacion i përgjithshëm për natyrën e sipërfaqes. Zgjedhja e madhësisë së skanimit për skanim të përsëritur kryhet bazuar në të dhënat e marra në skanimin e rishikimit.

Numri i pikave të skanimit (N X, N Y) zgjidhet në atë mënyrë që hapi i skanimit Δ (distanca midis pikave në të cilat lexohet informacioni për sipërfaqen) të jetë më i vogël se karakteristikat e tij karakteristike, përndryshe disa nga informacionet që përmbahen midis pikat e skanimit do të humbasin. Nga ana tjetër, zgjedhja e një numri të tepërt pikash skanimi do të rrisë kohën e marrjes së skanimit.

Shpejtësia e skanimit përcakton shpejtësinë me të cilën sonda lëviz midis pikave në të cilat lexohet informacioni. Një shpejtësi tepër e lartë mund të rezultojë që sistemi i reagimit të mos ketë kohë për të larguar sondën nga sipërfaqja, gjë që do të çojë në riprodhim të gabuar të dimensioneve vertikale, si dhe në dëmtim të sondës dhe sipërfaqes së mostrës. Shpejtësia e ulët e skanimit do të rrisë kohën e marrjes së skanimit.

Sistemi i feedback-ut. Gjatë procesit të skanimit, sonda mund të vendoset mbi sipërfaqe që kanë veti fizike të ndryshme, si rezultat i së cilës do të ndryshojë madhësia dhe natyra e ndërveprimit sondë-kampion. Përveç kësaj, nëse ka parregullsi në sipërfaqen e mostrës, atëherë gjatë skanimit distanca ΔZ midis sondës dhe sipërfaqes do të ndryshojë, dhe madhësia e ndërveprimit lokal do të ndryshojë në përputhje me rrethanat.

Gjatë procesit të skanimit, një vlerë konstante e ndërveprimit lokal (forca ose rryma e tunelit) mbahet duke përdorur një sistem reagimi negativ. Ndërsa sonda i afrohet sipërfaqes, sinjali i sensorit rritet (shih Figurën 1-1). Krahasuesi krahason sinjalin aktual të sensorit me tensionin e referencës V s dhe gjeneron një sinjal korrigjues V fb, i cili përdoret si sinjal kontrolli për aktivizuesin piezo, i cili heq sondë nga sipërfaqja e mostrës. Sinjali për marrjen e një imazhi të topografisë së sipërfaqes merret nga kanali i lëvizjes z-piezo.

Në Fig. Figura 1-6 tregojnë trajektoren e sondës në lidhje me kampionin (kurba 2) dhe kampionin në lidhje me sondë (lakorja 1) duke ruajtur një vlerë konstante të ndërveprimit majë-kampion. Nëse sonda është mbi një vrimë ose zonë ku ndërveprimi është më i dobët, atëherë kampioni ngrihet, përndryshe kampioni ulet.

Përgjigja e sistemit të reagimit ndaj shfaqjes së një sinjali mospërputhje V fb =V(t) – V S përcaktohet nga konstanta e qarkut të reagimit K (në pajisjen NanoEducator - Forcimi i OS) ose disa konstante të tilla. Vlerat specifike të K varen nga tiparet e projektimit të një SPM të veçantë (dizajni dhe karakteristikat e skanerit, elektronikës), mënyra e funksionimit të SPM (madhësia e skanimit, shpejtësia e skanimit, etj.), Si dhe karakteristikat e sipërfaqja në studim (shkalla e vrazhdësisë, shkalla e veçorive topografike, fortësia e materialit etj.).

Oriz. 1-6. Trajektorja e lëvizjes relative të sondës dhe kampionit gjatë procesit të mbajtjes së ndërveprimit të vazhdueshëm lokal nga sistemi i reagimit

Në përgjithësi, sa më e lartë të jetë vlera K, aq më saktë qarku i reagimit përpunon tiparet e sipërfaqes së skanuar dhe aq më të besueshme janë të dhënat e marra gjatë skanimit. Megjithatë, kur tejkalohet një vlerë e caktuar kritike K, sistemi i reagimit tenton të vetëeksitohet, d.m.th. Ka zhurmë në linjën e skanimit.

Formati i të dhënave SPM, metodat e përpunimit dhe prezantimi i rezultateve eksperimentale. Informacioni i marrë duke përdorur një mikroskop sondë skanimi ruhet në formën e një kornize SPM - një grup dy-dimensional i numrave të plotë Z ij (matricë). Çdo vlerë e një çifti indeksesh ij korrespondon me një pikë specifike të sipërfaqes brenda fushës së skanimit. Koordinatat e pikave sipërfaqësore llogariten thjesht duke shumëzuar indeksin përkatës me distancën midis pikave në të cilat është lexuar informacioni. Si rregull, kornizat SPM janë matrica katrore me madhësi 200x200 ose 300x300 elemente.

Vizualizimi i kornizave SPM kryhet duke përdorur grafikë kompjuterike, kryesisht në formën e imazheve me shkëlqim dy-dimensionale (2D) dhe tredimensionale (3D). Me vizualizimin 2D, çdo pike sipërfaqësore Z=f(x,y) i caktohet një ton me një ngjyrë të caktuar në përputhje me lartësinë e pikës së sipërfaqes (Fig. 1-7 a). Në vizualizimin 3D, një imazh i një sipërfaqeje Z=f(x,y) ndërtohet në një perspektivë aksonometrike duke përdorur pikselë ose vija. Mënyra më efektive për të ngjyrosur imazhet 3D është simulimi i kushteve të ndriçimit të sipërfaqes me një burim pikësor të vendosur në një pikë të hapësirës mbi sipërfaqe (Fig. 1-7 b). Në të njëjtën kohë, është e mundur të theksohen veçoritë e vogla individuale të relievit.

Imazhet SPM, së bashku me informacionin e dobishëm, përmbajnë gjithashtu shumë informacione anësore që shtrembërojnë të dhënat mbi morfologjinë dhe vetitë e sipërfaqes. Imazhet SPM, si rregull, përmbajnë një komponent konstant, i cili nuk përmban informacion të dobishëm për topografinë e sipërfaqes, por pasqyron saktësinë e sjelljes së mostrës në mes të diapazonit dinamik të lëvizjeve të skanerit përgjatë boshtit Z. Komponenti konstant është hequr nga korniza SPM duke përdorur softuer.

Oriz. 1-7. Metodat e paraqitjes grafike të imazheve SPM:

a) – 2D, b) – 3D me ndriçim anësor

Imazhet sipërfaqësore të marra duke përdorur mikroskopët e sondës, si p.sh

zakonisht kanë një pjerrësi të përbashkët. Kjo mund të jetë për shkak të disa arsyeve. Së pari, pjerrësia mund të shfaqet për shkak të instalimit të pasaktë të kampionit në lidhje me sondën ose paralelizmit joplanar të kampionit; së dyti, mund të shoqërohet me zhvendosje të temperaturës, e cila çon në një zhvendosje të sondës në raport me kampionin; së treti, mund të jetë për shkak të jolinearitetit të lëvizjeve të piezoskanerit. Shfaqja e animit konsumon një hapësirë ​​të madhe të përdorshme në kornizën SPM, në mënyrë që detajet e vogla të imazhit të bëhen të padukshme. Për të eliminuar këtë pengesë, kryhet operacioni i zbritjes së një pjerrësi konstante (nivelimi) (Fig. 1-8).

Oriz. 1-8. Heqja e pjerrësisë së vazhdueshme nga një imazh SPM

Vetitë jo ideale të piezoskanerit çojnë në faktin se imazhi SPM

përmban një sërë shtrembërimesh specifike. Në veçanti, meqenëse lëvizja e skanerit në rrafshin e mostrës ndikon në pozicionin e sondës mbi sipërfaqe (përgjatë boshtit Z), imazhet SPM janë një mbivendosje e relievit real dhe një sipërfaqe e rendit të dytë (dhe shpesh më të lartë). . Për të eliminuar shtrembërimet e këtij lloji, gjendet një sipërfaqe e përafërt e rendit të dytë duke përdorur metodën e katrorëve më të vegjël, e cila ka devijime minimale nga sipërfaqja origjinale dhe më pas kjo sipërfaqe zbritet nga imazhi origjinal SPM.

Zhurma e pajisjes, paqëndrueshmëria e kontaktit sondë-kampion gjatë skanimit, zhurma akustike e jashtme dhe dridhjet çojnë në faktin se imazhet SPM, së bashku me informacionin e dobishëm, kanë një komponent zhurme. Zhurma e pjesshme në imazhet SPM mund të hiqet duke përdorur softuer duke përdorur filtra të ndryshëm.

Dizajni i NanoEducator SPM. Në Fig. Figura 1-9 tregojnë pamjen e kokës matëse NanoEducator SPM dhe tregojnë elementët kryesorë të pajisjes së përdorur gjatë funksionimit. Në Fig. 1-10 tregon modelin e kokës matëse. Në bazën 1 ka një skaner 7 me një mbajtës kampioni 6 dhe një mekanizëm furnizimi 2 bazuar në një motor stepper. Sonda 5, e montuar në sensorin e ndërveprimit 4, mund të sillet gjithashtu në mostër duke përdorur vidën e furnizimit manual 3. Përzgjedhja paraprake e vendndodhjes së studimit në mostër kryhet duke përdorur vidën 8.

Oriz. 1-9. Pamja e kokës matëse NanoEducator: 1 – bazë, 2 – mbajtëse kampioni, 3 – sensor ndërveprimi, 4 – vidë fiksuese e sensorit, 5 – vidë manuale, 6 – vida për lëvizjen e skanerit me mostrën, 7 – mbulesë me videokamerë

Oriz. 1-10. Dizajni i NanoEducator SPM: 1 – bazë, 2 – mekanizëm furnizimi, 3 – vidë furnizimi manual, 4 – sensor ndërveprimi, 5 – vidë fiksuese të sensorit, 6 – sondë, 7 – mbajtëse kampioni, 8 – skaner, 9, 10 – vida lëvizëse të skanerit me mostër

Në Fig. 1-11 tregon diagramin funksional të pajisjes. NanoEducator përbëhet nga një kokë matës, një njësi elektronike, kabllo lidhëse dhe një kompjuter kontrolli. Videokamera shfaqet si një pajisje e veçantë e lidhur me kompjuterin. Sinjali nga sensori i ndërveprimit, pas konvertimit në parapërforcues, hyn në kontrolluesin SPM. Sinjalet e kontrollit nga njësia elektronike hyjnë në kokën matëse. Njësia elektronike kontrollohet nga një kompjuter përmes një kontrolluesi komunikimi me një PC.

Oriz. 1-11. Diagrami funksional i pajisjes. NanoEdukator

Sensori universal i ndërveprimit të rrymës dhe forcës së tunelit. Pajisja NanoEducator përdor një sensor universal për tunelizimin e rrymës dhe ndërveprimin e forcës së modulimit. Sensori është bërë në formën e një tubi piezoceramic me një gjatësi l= 7 mm diametër d= 1.2 mm dhe trashësia e murit h= 0,25 mm, i fiksuar fort në njërin skaj. Një elektrodë përçuese aplikohet në sipërfaqen e brendshme të tubit. Dy elektroda gjysmë cilindrike të izoluara elektrikisht aplikohen në sipërfaqen e jashtme të tubit. Një tel tungsteni me diametër 100 mikron është ngjitur në skajin e lirë të tubit (Fig. 1-12). Fundi i lirë i telit të përdorur si sondë është i mprehur elektrokimikisht, rrezja e lakimit është 0,2-0,05 mikron. Sonda ka kontakt elektrik me elektrodën e brendshme të tubit, të lidhur me trupin e tokëzuar të pajisjes. Kur matni rrymën e tunelit, piezotubi luan rolin e një tastierë të ngurtë pasive. Një paragjykim elektrik zbatohet në kampion në lidhje me një sondë të tokëzuar (Figura 1-13). Konvertuesi i paraqitur në figurë gjeneron një tension elektrik Ut, duke shkaktuar rrjedhjen e rrymës së tunelit I dhe nxjerr një tension U proporcional me këtë rrymë në njësinë elektronike.

Oriz. 1-12. Dizajni i universales Fig. 1-13. Parimi i regjistrimit të sensorit të tunelit të pajisjes aktuale NanoEducator

Si një sensor i ndërveprimit të forcës, një pjesë e tubit piezoelektrik përdoret si piezovibrator, dhe tjetra si sensor mekanik i dridhjeve. Një tension elektrik i alternuar furnizohet në piezovibrator me një frekuencë të barabartë me frekuencën rezonante të sensorit të forcës. Amplituda e lëkundjeve në një distancë të madhe sondë-kampion është maksimale. Siç mund të shihet nga Fig. 1-14, gjatë procesit të lëkundjeve, sonda devijon nga pozicioni i saj ekuilibër me një sasi Ao të barabartë me amplituda e lëkundjeve të saj të detyruara mekanike (është një pjesë e mikronit), ndërsa në pjesën e dytë shfaqet një tension elektrik i alternuar. të elementit piezoelektrik (sensori i lëkundjes), proporcional me zhvendosjen e sondës, e cila matet nga pajisja.

Ndërsa sonda i afrohet sipërfaqes së kampionit, sonda fillon të prekë kampionin në procesin e lëkundjes. Kjo çon në një zhvendosje në përgjigjen e frekuencës amplitudë (AFC) të lëkundjeve të sensorit në të majtë në krahasim me AFC të matur larg sipërfaqes (Fig. 1-14). Meqenëse frekuenca e lëkundjeve të detyruara të piezotubit mbahet konstante dhe e barabartë me ω 0 në gjendje të lirë, kur sonda i afrohet sipërfaqes, amplituda e lëkundjeve të saj zvogëlohet dhe bëhet e barabartë me A. Kjo amplitudë lëkundjesh regjistrohet nga gjysma e dytë e piezotubit.

Oriz. 1-14. Ndryshimi i frekuencës së lëkundjes së sensorit të forcës kur

duke iu afruar sipërfaqes së mostrës

Skaner. Metoda e organizimit të mikrolëvizjeve të përdorura në pajisjen NanoEducator bazohet në përdorimin e një membrane metalike të mbërthyer rreth perimetrit, në sipërfaqen e së cilës është ngjitur një pllakë piezoelektrike (Fig. 1-15 a). Ndryshimi i dimensioneve të pllakës piezoelektrike nën ndikimin e tensionit të kontrollit do të çojë në lakimin e membranës. Duke vendosur membrana të tilla në tre anët pingule të kubit dhe duke i lidhur qendrat e tyre me udhëzues metalikë, mund të merrni një skaner me 3 koordinata (Fig. 1-15 b).

Çdo element piezoelektrik 1, i bashkangjitur në faqet e kubit 2, mund të lëvizë shtytësin 3 të bashkangjitur në të në një nga tre drejtimet pingul reciprokisht - X, Y ose Z kur aplikohet tension elektrik në të. Siç mund të shihet nga figura, të tre shtytësit janë të lidhur në një pikë 4. Me një përafrim, mund të supozojmë se kjo pikë lëviz përgjatë tre koordinatave X, Y, Z. Një stendë 5 me një mbajtës kampioni 6 është ngjitur në Kështu, kampioni lëviz përgjatë tre koordinatave nën ndikimin e tre burimeve të pavarura të tensionit. Në pajisjet NanoEducator, lëvizja maksimale e mostrës është rreth 50-70 µm, e cila përcakton zonën maksimale të skanimit.

Oriz. 1-15. Parimi i funksionimit (a) dhe dizajni (b) i skanerit të pajisjes NanoEducator

Mekanizmi për afrimin e automatizuar të sondës në kampion (marrë reagime). Gama e lëvizjes së skanerit përgjatë boshtit Z është rreth 10 μm, kështu që para skanimit është e nevojshme të afroni sondën më afër kampionit në këtë distancë. Mekanizmi i furnizimit është projektuar për këtë qëllim, diagrami i të cilit është paraqitur në Fig. 1-16. Motori stepper 1, kur impulset elektrike aplikohen në të, rrotullon vidën ushqyese 2 dhe lëviz shiritin 3 me sondën 4, duke e afruar ose më larg kampionit 5 të montuar në skanerin 6. Madhësia e një hapi është rreth 2 μm.

Oriz. 1-16. Diagrami i mekanizmit për sjelljen e sondës në sipërfaqen e mostrës

Meqenëse hapi i mekanizmit të afrimit tejkalon ndjeshëm distancën e kërkuar sondë-kampion gjatë procesit të skanimit, për të shmangur deformimin e sondës, afrimi i saj kryhet ndërsa motori stepper është në funksion dhe skaneri lëviz përgjatë boshtit Z sipas në algoritmin e mëposhtëm:

Sistemi i reagimit fiket dhe skaneri "tërhiqet", d.m.th., ul mostrën në pozicionin më të ulët ekstrem:

1. Mekanizmi i afrimit të sondës bën një hap dhe ndalon.

2. Sistemi i reagimit është i ndezur dhe skaneri e ngre pa probleme kampionin, ndërkohë që analizohet prania e ndërveprimit tip-kampion.

3. Nëse nuk ka ndërveprim, procesi përsëritet nga hapi 1.

Nëse shfaqet një sinjal jo zero ndërsa skaneri është duke u tërhequr lart, sistemi

reagimet do të ndalojnë lëvizjen lart të skanerit dhe do të rregullojnë sasinë e ndërveprimit në një nivel të caktuar. Madhësia e ndërveprimit të forcës në të cilën afrimi i sondës do të ndalet dhe procesi i skanimit do të ndodhë karakterizohet në pajisjen NanoEducator nga parametri Ndaloni amplituda(shtypja e amplitudës ).

PROCEDURA E KRYERJES SË PUNËS

1. Përgatitja për matje.

Pas thirrjes së programit NanoEducator, dritarja kryesore shfaqet në ekran. Në Fig. Figura 1-17 tregon një fragment të dritares kryesore.

Oriz. 1-17. Dritarja kryesore e NanoEducator

Rekomandohet të përgatiteni për matjet duke përdorur dritaren Përgatitja për Skanim. Dritarja hapet me një buton në panelin kryesor të operacioneve. Nëse kontrolluesi i pajisjes është ndezur përpara fillimit të programit NanoEducator, atëherë kur të fillojë programi, kontrolluesi do të zgjidhet automatikisht. Përndryshe, emri i kontrolluesit duhet të zgjidhet nga lista Zgjedhja e kontrolluesit. Për të përdorur pajisjen si një mikroskop i forcës atomike, në meny Zgjedhja e modalitetit zgjidhni konfigurimin AFM.

Informacione të lidhura.

Prezantimi

Aktualisht, drejtimi shkencor dhe teknik i nanoteknologjisë po zhvillohet me shpejtësi, duke mbuluar një gamë të gjerë kërkimesh themelore dhe të aplikuara. Kjo është një teknologji thelbësisht e re e aftë për të zgjidhur probleme në fusha të tilla të ndryshme si komunikimi, bioteknologjia, mikroelektronika dhe energjia. Sot, më shumë se njëqind kompani të reja po zhvillojnë produkte nanoteknologjike që do të hyjnë në treg në dy deri në tre vitet e ardhshme.

Nanoteknologjitë do të bëhen teknologjitë kryesore në shekullin e 21-të dhe do të kontribuojnë në zhvillimin e ekonomisë dhe sferës sociale të shoqërisë; ato mund të bëhen parakusht për një revolucion të ri industrial. Në dyqind vitet e mëparshme, përparimi në Revolucionin Industrial u arrit me koston e rreth 80% të burimeve të Tokës. Nanoteknologjia do të zvogëlojë ndjeshëm sasinë e konsumit të burimeve dhe nuk do të ushtrojë presion mbi mjedisin; ato do të luajnë një rol udhëheqës në jetën e njerëzimit, ashtu siç, për shembull, kompjuteri është bërë pjesë integrale e jetës së njerëzve.

Progresi në nanoteknologji u stimulua nga zhvillimi i metodave eksperimentale të kërkimit, më informueset prej të cilave janë metodat e mikroskopisë së sondës skanuese, shpikjen dhe veçanërisht përhapjen e të cilave bota ia ka borxh laureatëve Nobel të vitit 1986 - Profesor Heinrich Rohrer dhe Dr. Gerd Binnig.

Bota u magjeps nga zbulimi i metodave kaq të thjeshta të vizualizimit të atomeve, madje edhe nga mundësia e manipulimit të tyre. Shumë grupe kërkimore filluan të ndërtonin pajisje shtëpiake dhe të eksperimentonin në këtë drejtim. Si rezultat, lindën një sërë skemash të përshtatshme pajisjesh dhe u propozuan metoda të ndryshme për vizualizimin e rezultateve të ndërveprimit sondë-sipërfaqe, si: mikroskopi i forcës anësore, mikroskopi i forcës magnetike, mikroskopi për regjistrimin e ndërveprimeve magnetike, elektrostatike dhe elektromagnetike. Metodat e mikroskopisë optike të fushës së afërt kanë marrë zhvillim intensiv. Janë zhvilluar metoda të ndikimit të drejtuar, të kontrolluar në sistemin e sipërfaqes së sondës, për shembull, nanolithografia - ndryshimet ndodhin në sipërfaqe nën ndikimin e ndikimeve elektrike, magnetike, deformimeve plastike dhe dritës në sistemin e sipërfaqes së sondës. Janë krijuar teknologji për prodhimin e sondave me parametra gjeometrikë të specifikuar, me veshje dhe struktura speciale për vizualizimin e vetive të ndryshme të sipërfaqes.

Mikroskopi me sondë skanuese (SPM) është një nga metodat moderne të fuqishme për studimin e morfologjisë dhe vetive lokale të një sipërfaqeje të ngurtë me rezolucion të lartë hapësinor. Gjatë 10 viteve të fundit, mikroskopi i sondës skanuese ka evoluar nga një teknikë ekzotike e disponueshme vetëm për një numër të kufizuar grupesh kërkimore në një mjet të përhapur dhe të suksesshëm për studimin e vetive të sipërfaqes. Aktualisht, pothuajse asnjë kërkim në fushën e fizikës së sipërfaqes dhe teknologjive të shtresës së hollë nuk është i plotë pa përdorimin e metodave SPM. Zhvillimi i mikroskopisë së sondës skanuese shërbeu gjithashtu si bazë për zhvillimin e metodave të reja në nanoteknologji - teknologji për krijimin e strukturave në një shkallë nanometri.

1. Sfondi historik

Për të vëzhguar objekte të vogla, holandezi Antonie van Leeuwenhoek shpiku mikroskopin në shekullin e 17-të, duke hapur botën e mikrobeve. Mikroskopët e tij ishin të papërsosur dhe siguruan zmadhim nga 150 në 300 herë. Por ndjekësit e tij e përmirësuan këtë pajisje optike, duke hedhur themelet për shumë zbulime në biologji, gjeologji dhe fizikë. Sidoqoftë, në fund të shekullit të 19-të (1872), optika gjermane Ernst Karl Abbe tregoi se për shkak të difraksionit të dritës, fuqia zgjidhëse e një mikroskopi (d.m.th., distanca minimale midis objekteve kur ato ende nuk janë shkrirë në një imazh) kufizohet nga gjatësia e valës së dritës (0,4 - 0,8 µm). Kështu, ai kurseu shumë përpjekje për optikët që përpiqeshin të bënin mikroskopë më të avancuar, por zhgënjeu biologët dhe gjeologët, të cilët humbën shpresën për të marrë një instrument me një zmadhim më të madh se 1500x.

Historia e krijimit të mikroskopit elektronik është një shembull i mrekullueshëm sesi fushat e shkencës dhe teknologjisë në zhvillim të pavarur, duke shkëmbyer informacionin e marrë dhe duke bashkuar forcat, mund të krijojnë një mjet të ri të fuqishëm për kërkimin shkencor. Kulmi i fizikës klasike ishte teoria e fushës elektromagnetike, e cila shpjegoi përhapjen e dritës, shfaqjen e fushave elektrike dhe magnetike dhe lëvizjen e grimcave të ngarkuara në këto fusha si përhapja e valëve elektromagnetike. Optika valore e bëri të qartë fenomenin e difraksionit, mekanizmin e formimit të imazhit dhe lojën e faktorëve që përcaktojnë rezolucionin në mikroskopin e dritës. Përparimet në fushën e fizikës teorike dhe eksperimentale i detyrohemi zbulimit të elektronit me vetitë e tij specifike. Këto rrugë të veçanta dhe në dukje të pavarura të zhvillimit çuan në themelet e optikës elektronike, një nga aplikimet më të rëndësishme të së cilës ishte shpikja e EM në vitet 1930. Një aluzion i drejtpërdrejtë i kësaj mundësie mund të konsiderohet hipoteza për natyrën valore të elektronit, e paraqitur në 1924 nga Louis de Broglie dhe e konfirmuar eksperimentalisht në 1927 nga K. Davisson dhe L. Germer në SHBA dhe J. Thomson në Angli. Kjo sugjeroi një analogji që bëri të mundur ndërtimin e një EM sipas ligjeve të optikës valore. H. Bush zbuloi se duke përdorur fushat elektrike dhe magnetike është e mundur të formohen imazhe elektronike. Në dy dekadat e para të shekullit të 20-të. u krijuan edhe parakushtet e nevojshme teknike. Laboratorët industrialë që punonin në oshiloskopin e rrezeve elektronike prodhuan teknologji vakum, burime të qëndrueshme të tensionit të lartë dhe rrymës dhe emetues të mirë elektronesh.

Në vitin 1931, R. Rudenberg paraqiti një kërkesë për patentë për një mikroskop elektronik transmetues dhe në vitin 1932, M. Knoll dhe E. Ruska ndërtuan mikroskopin e parë të tillë, duke përdorur lente magnetike për të fokusuar elektronet. Ky instrument ishte paraardhësi i mikroskopit elektronik të transmetimit optik modern (OTEM). (Ruska u shpërblye për përpjekjet e tij duke fituar çmimin Nobel në Fizikë për vitin 1986.) Në vitin 1938, Ruska dhe B. von Borries ndërtuan një prototip industrial OPEM për Siemens-Halske në Gjermani; ky instrument përfundimisht bëri të mundur arritjen e një rezolucioni prej 100 nm. Disa vjet më vonë, A. Prebus dhe J. Hiller ndërtuan OPEM-in e parë me rezolucion të lartë në Universitetin e Torontos (Kanada).

Mundësitë e gjera të OPEM u bënë pothuajse menjëherë të dukshme. Prodhimi i tij industrial filloi njëkohësisht nga Siemens-Halske në Gjermani dhe RCA Corporation në SHBA. Në fund të viteve 1940, kompani të tjera filluan të prodhojnë pajisje të tilla.

SEM në formën e tij aktuale u shpik në 1952 nga Charles Otley. Vërtetë, versionet paraprake të një pajisjeje të tillë u ndërtuan nga Knoll në Gjermani në vitet 1930 dhe nga Zworykin dhe kolegët e tij në RCA Corporation në vitet 1940, por vetëm pajisja e Otley ishte në gjendje të shërbente si bazë për një sërë përmirësimesh teknike, duke arritur kulmin në prezantimin e një versioni industrial të SEM në prodhim në mesin e viteve 1960. Gama e konsumatorëve të një pajisjeje kaq të lehtë për t'u përdorur me një imazh tre-dimensional dhe një sinjal elektronik të daljes është zgjeruar në mënyrë eksponenciale. Aktualisht, ka një duzinë prodhues industrialë të SEM-ve në tre kontinente dhe dhjetëra mijëra pajisje të tilla të përdorura në laboratorë në mbarë botën.Në vitet 1960 u zhvilluan mikroskopët me tension ultra të lartë për të studiuar mostrat më të trasha.Udhëheqësi i këtij drejtimi zhvillimi ishte G. Dupuy në Francë, ku një pajisje me një tension përshpejtues prej 3.5 milion volt u vu në punë në vitin 1970. RTM u shpik nga G. Binnig dhe G. Rohrer në 1979 në Cyrih. Kjo pajisje shumë e thjeshtë siguron zgjidhje atomike të Për punën e tij Binnig dhe Rohrer (në të njëjtën kohë me Ruska) morën çmimin Nobel për krijimin e RTM.

Në vitin 1986, mikroskopi i sondës skanuese u shpik nga Rohrer dhe Binnig. Që nga shpikja e tij, STM është përdorur gjerësisht nga shkencëtarët në një sërë specialitetesh, duke mbuluar pothuajse të gjitha disiplinat e shkencave natyrore, nga kërkimi themelor në fizikë, kimi, biologji deri tek aplikimet specifike teknologjike. Parimi i funksionimit të STM është kaq i thjeshtë dhe mundësitë e mundshme janë aq të mëdha sa është e pamundur të parashikohet ndikimi i tij në shkencë dhe teknologji edhe në të ardhmen e afërt.

Siç doli më vonë, pothuajse çdo ndërveprim i sondës së majës me sipërfaqen (mekanike, magnetike) mund të shndërrohet duke përdorur instrumente dhe programe kompjuterike të përshtatshme në një imazh të sipërfaqes.

Instalimi i mikroskopit të sondës së skanimit përbëhet nga disa blloqe funksionale të paraqitura në Fig. 1. Ky është, së pari, vetë mikroskopi me një piezomanipulator për kontrollin e sondës, një konvertues tuneli nga rryma në tension dhe një motor stepper për furnizimin e mostrës; bllok i konvertuesve analog-në-dixhital dhe dixhital-në-analog dhe amplifikatorëve të tensionit të lartë; njësia e kontrollit të motorit stepper; një tabelë me një procesor sinjali që llogarit sinjalin e reagimit; një kompjuter që mbledh informacion dhe ofron një ndërfaqe për përdoruesit. Strukturisht, njësia DAC dhe ADC është instaluar në të njëjtin strehë me njësinë e kontrollit të motorit stepper. Një tabelë me një procesor sinjali (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 nga Pajisjet Analoge është instaluar në folenë e zgjerimit të ISA të një kompjuteri personal.

Një pamje e përgjithshme e sistemit mekanik të mikroskopit është paraqitur në Fig. 2. Sistemi mekanik përfshin një bazë me një manipulues piezo dhe një sistem të qetë të furnizimit të mostrës në një motor stepper me një kuti ingranazhi dhe dy koka matëse të lëvizshme për funksionimin në mënyrat e skanimit të tunelit dhe mikroskopisë së forcës atomike. Mikroskopi ju lejon të merrni rezolucion të qëndrueshëm atomik në sipërfaqet tradicionale të provës pa përdorimin e filtrave shtesë sizmikë dhe akustikë.

2. Parimet e funksionimit të mikroskopëve të sondës skanuese

Në mikroskopët e sondës skanuese, studimi i mikrorelievit sipërfaqësor dhe vetive të tij lokale kryhet duke përdorur sonda të përgatitura posaçërisht në formën e gjilpërave. Pjesa e punës e sondave të tilla (maja) ka përmasa rreth dhjetë nanometra. Distanca karakteristike ndërmjet sondës dhe sipërfaqes së mostrave në mikroskopët e sondës është në rendin e madhësisë 0,1 – 10 nm. Funksionimi i mikroskopëve të sondës bazohet në lloje të ndryshme të ndërveprimit midis sondës dhe sipërfaqes. Kështu, funksionimi i një mikroskopi tuneli bazohet në fenomenin e rrymës së tunelit që rrjedh midis një gjilpëre metalike dhe një kampioni përçues; Lloje të ndryshme të ndërveprimeve të forcës nënvizojnë funksionimin e mikroskopëve të forcës atomike, magnetike dhe forcës elektrike. Le të shqyrtojmë tiparet e përbashkëta të natyrshme në mikroskopët e ndryshëm të sondës. Le të karakterizohet ndërveprimi i sondës me sipërfaqen nga një parametër i caktuar P. Nëse ekziston një varësi mjaft e mprehtë dhe një për një e parametrit P nga distanca sondë-kampion, atëherë ky parametër mund të përdoret për të organizuar një sistemi i reagimit (FS) që kontrollon distancën midis sondës dhe kampionit. Në Fig. Figura 3 tregon në mënyrë skematike parimin e përgjithshëm të organizimit të reagimeve SPM.

Sistemi i feedback-ut ruan vlerën e parametrit P konstante, të barabartë me vlerën e specifikuar nga operatori. Nëse distanca sondë-sipërfaqe ndryshon, atëherë ndryshon parametri P. Në sistemin OS gjenerohet një sinjal diferenci, në përpjesëtim me vlerën ΔP = P - P, i cili përforcohet me vlerën e kërkuar dhe futet në elementin aktivizues IE. Aktuatori përpunon këtë sinjal të ndryshimit, duke e afruar sondën më afër sipërfaqes ose duke e larguar atë derisa sinjali i ndryshimit të bëhet zero. Në këtë mënyrë, distanca sondë-kampion mund të mbahet me saktësi të madhe. Kur sonda lëviz përgjatë sipërfaqes së mostrës, parametri i ndërveprimit P ndryshon për shkak të topografisë së sipërfaqes. Sistemi OS i përpunon këto ndryshime, kështu që kur sonda lëviz në rrafshin X, Y, sinjali në aktuator rezulton të jetë proporcional me topografinë e sipërfaqes. Për të marrë një imazh SPM, kryhet një proces i organizuar posaçërisht i skanimit të mostrës. Gjatë skanimit, sonda së pari lëviz mbi mostrën përgjatë një linje të caktuar (skanimi i linjës), ndërsa vlera e sinjalit në aktuator, proporcionale me topografinë e sipërfaqes, regjistrohet në kujtesën e kompjuterit. Sonda më pas kthehet në pikën e fillimit dhe kalon në linjën tjetër të skanimit (skanimi i kornizës) dhe procesi përsëritet përsëri. Sinjali i reagimit i regjistruar në këtë mënyrë gjatë skanimit përpunohet nga një kompjuter, dhe më pas një imazh SPM i relievit të sipërfaqes ndërtohet duke përdorur mjete grafike kompjuterike. Së bashku me studimin e topografisë së sipërfaqes, mikroskopët e sondës bëjnë të mundur studimin e vetive të ndryshme të sipërfaqes: mekanike, elektrike, magnetike, optike dhe të tjera.

3. Elementet skanuese (skanerët) e mikroskopëve të sondës

3.1 Elementet e skanimit

Për të përdorur mikroskopët e sondës, është e nevojshme të kontrolloni distancën e punës së sondës dhe mostrës dhe të lëvizni sondën në planin e mostrës me saktësi të lartë (në nivelin e fraksioneve të një angstrom). Ky problem zgjidhet me ndihmën e manipuluesve specialë - elementë skanues (skanerë). Elementet skanuese të mikroskopëve të sondës janë bërë nga piezoelektrikë - materiale me veti piezoelektrike. Piezoelektrikët ndryshojnë dimensionet e tyre në një fushë elektrike të jashtme. Ekuacioni për efektin piezoelektrik të anasjelltë për kristalet shkruhet si:

ku u është tensori i sforcimit, E janë komponentët e fushës elektrike, d janë përbërësit e tensorit të koeficientit piezoelektrik. Forma e tensorit të koeficientit piezoelektrik përcaktohet nga lloji i simetrisë së kristaleve.

Transformatorët e bërë nga materiale piezoqeramike janë bërë të përhapura në aplikime të ndryshme teknike. Piezoceramika është një material polikristalor i polarizuar i përftuar nga sinterizimi i pluhurave nga ferroelektrikët kristalorë. Polarizimi i qeramikës kryhet si më poshtë. Qeramika nxehet mbi temperaturën Curie (për shumicën e piezoqeramikave kjo temperaturë është më pak se 300C), dhe më pas ftohet ngadalë në një fushë elektrike të fortë (rreth 3 kV/cm). Pas ftohjes, piezoqeramika ka shkaktuar polarizimin dhe fiton aftësinë për të ndryshuar madhësinë e saj (rritje ose ulje në varësi të drejtimit të ndërsjellë të vektorit të polarizimit dhe vektorit të fushës elektrike të jashtme).

Piezoelementet tubulare janë bërë të përhapura në mikroskopinë e sondës skanuese (Fig. 4). Ato bëjnë të mundur marrjen e lëvizjeve mjaft të mëdha të objekteve me tensione kontrolli relativisht të vogla. Piezoelementet tubulare janë cilindra të zbrazët me mure të hollë të bërë nga materiale piezoqeramike. Në mënyrë tipike, elektroda në formën e shtresave të holla të metalit aplikohen në sipërfaqet e jashtme dhe të brendshme të tubit, ndërsa skajet e tubit mbeten të pambuluara.

Nën ndikimin e ndryshimit të potencialit midis elektrodave të brendshme dhe të jashtme, tubi ndryshon dimensionet e tij gjatësore. Në këtë rast, deformimi gjatësor nën veprimin e një fushe elektrike radiale mund të shkruhet si:

ku l është gjatësia e tubit në gjendje jo të deformueshme. Zgjatja absolute e tubit piezo është e barabartë me

ku h është trashësia e murit të piezotubit, V është diferenca potenciale midis elektrodave të brendshme dhe të jashtme. Kështu, në të njëjtin tension V, zgjatja e tubit do të jetë më e madhe, aq më e madhe është gjatësia e tij dhe aq më e vogël trashësia e murit të saj.

Lidhja e tre tubave në një njësi ju lejon të organizoni lëvizje të sakta të sondës së mikroskopit në tre drejtime pingul reciprokisht. Ky element skanues quhet trekëmbësh.

Disavantazhet e një skaneri të tillë janë kompleksiteti i prodhimit dhe asimetria e fortë e dizajnit. Sot, skanerët e bazuar në një element të vetëm tubular përdoren më gjerësisht në mikroskopinë e sondës skanuese. Pamja e përgjithshme e skanerit tubular dhe rregullimi i elektrodës janë paraqitur në Fig. 5. Materiali i tubit ka drejtim radial të vektorit të polarizimit.

Elektroda e brendshme është zakonisht e ngurtë. Elektroda e jashtme e skanerit është e ndarë përgjatë cilindrit në katër seksione. Kur tensionet antifazore aplikohen në seksione të kundërta të elektrodës së jashtme (në raport me atë të brendshme), seksioni i tubit tkurret në vendin ku drejtimi i fushës përkon me drejtimin e polarizimit dhe zgjatet aty ku drejtohen në të kundërt. drejtimet. Kjo bën që tubi të përkulet në drejtimin e duhur. Në këtë mënyrë, skanimi kryhet në rrafshin X, Y. Ndryshimi i potencialit të elektrodës së brendshme në raport me të gjitha seksionet e jashtme çon në zgjatjen ose shkurtimin e tubit përgjatë boshtit Z. Kështu, është e mundur të organizohet një tre- skaner koordinativ i bazuar në një tub të vetëm piezo. Elementet reale të skanimit shpesh kanë një dizajn më kompleks, por parimet e funksionimit të tyre mbeten të njëjta.

Skanerët e bazuar në piezoelementë bimorfë janë gjithashtu të përhapur. Bimorfi përbëhet nga dy pllaka piezoelektrike të ngjitura së bashku në mënyrë të tillë që vektorët e polarizimit në secilën prej tyre të drejtohen në drejtime të kundërta (Fig. 6). Nëse voltazhi aplikohet në elektroda bimorfe, siç tregohet në Fig. 6, atëherë njëra prej pllakave do të zgjerohet dhe tjetra do të tkurret, gjë që do të çojë në përkuljen e të gjithë elementit. Në dizajnet reale të elementeve bimorfë, krijohet një ndryshim potencial midis elektrodave të brendshme të zakonshme dhe të jashtme, në mënyrë që në një element fusha përputhet me drejtimin e vektorit të polarizimit, dhe në tjetrin drejtohet në drejtim të kundërt.

Përkulja e një bimorfi nën ndikimin e fushave elektrike është baza për funksionimin e piezoskanerëve bimorfë. Duke kombinuar tre elementë bimorfë në një dizajn, është e mundur të zbatohet një trekëmbësh në elementët bimorfë.

Nëse elektrodat e jashtme të elementit bimorf ndahen në katër sektorë, atëherë është e mundur të organizohet lëvizja e sondës përgjatë boshtit Z dhe në rrafshin X, Y në një element bimorf (Fig. 7).

Në të vërtetë, duke aplikuar tensione antifazore në çifte të kundërta të seksioneve të elektrodave të jashtme, është e mundur të përkulet bimorfi në mënyrë që sonda të lëvizë në planin X, Y (Fig. 7 (a, b)). Dhe duke ndryshuar potencialin e elektrodës së brendshme në lidhje me të gjitha seksionet e elektrodave të jashtme, është e mundur të përkulet bimorfi duke lëvizur sondën në drejtimin Z (Fig. 7 (c, d)).

3.2 Jolineariteti i piezoceramikës

Pavarësisht nga një sërë avantazhesh teknologjike ndaj kristaleve, piezoceramika ka disa disavantazhe që ndikojnë negativisht në funksionimin e elementeve të skanimit. Një nga këto disavantazhe është jolineariteti i vetive piezoelektrike. Në Fig. Si shembull, Fig. 8 tregon varësinë e madhësisë së zhvendosjes së piezotubit në drejtimin Z nga madhësia e fushës së aplikuar. Në rastin e përgjithshëm (veçanërisht me fusha të mëdha kontrolli), piezoqeramika karakterizohet nga një varësi jolineare e deformimeve nga fusha (ose nga tensioni i kontrollit).

Kështu, deformimi i piezoceramikës është një funksion kompleks i fushës elektrike të jashtme:

Për fushat e vogla të kontrollit, kjo varësi mund të paraqitet në formën e mëposhtme:

u = d* E+ α* E*E+…

ku d dhe α janë modulet lineare dhe kuadratike të efektit piezoelektrik.

Vlerat tipike të fushës E, në të cilat fillojnë të shfaqen efektet jolineare, janë të rendit 100 V/mm. Prandaj, për funksionimin e duhur të elementeve të skanimit, fushat e kontrollit në rajonin e linearitetit të qeramikës (E< Е) .

mikroskop elektronik me sondë skanimi

3.3 Zvarritja e piezoqeramikës dhe histereza e piezoqeramikës

Një tjetër disavantazh i piezoceramikës është i ashtuquajturi zvarritje (zvarritje) - një përgjigje e vonuar ndaj një ndryshimi në vlerën e fushës elektrike të kontrollit.

Zvarritja rezulton në shtrembërime gjeometrike të lidhura me këtë efekt që vërehen në imazhet SPM. Creep ka një efekt veçanërisht të fortë kur sjell skanerët në një pikë të caktuar për të kryer matjet lokale dhe në fazat fillestare të procesit të skanimit. Për të zvogëluar ndikimin e zvarritjes së qeramikës, në këto procese përdoren vonesa kohore, të cilat bëjnë të mundur kompensimin pjesërisht të vonesës së skanerit.

Një tjetër disavantazh i piezoceramikës është paqartësia e varësisë së zgjatjes nga drejtimi i ndryshimit në fushën elektrike (histereza).

Kjo çon në faktin se, në të njëjtat tensione kontrolli, piezoqeramika shfaqet në pika të ndryshme të trajektores në varësi të drejtimit të lëvizjes. Për të eliminuar shtrembërimet në imazhet SPM të shkaktuara nga histereza e piezoceramikës, informacioni regjistrohet kur skanoni mostrat vetëm në një nga degët e varësisë.

4. Pajisjet për lëvizjet precize të sondës dhe kampionit

4.1 Kuti ingranazhesh mekanike

Një nga problemet e rëndësishme teknike në mikroskopinë e sondës skanuese është nevoja për lëvizje të saktë të sondës dhe kampionit në mënyrë që të formohet boshllëku i punës së mikroskopit dhe të përzgjidhet sipërfaqja që do të studiohet. Për të zgjidhur këtë problem përdoren lloje të ndryshme pajisjesh që lëvizin objektet me saktësi të lartë. Janë përhapur gjerësisht kuti ingranazhesh të ndryshme mekanike, në të cilat lëvizja e përafërt e lëvizësit origjinal korrespondon me lëvizjen e imët të objektit të zhvendosur. Metodat për reduktimin e lëvizjeve mund të jenë të ndryshme. Përdoren gjerësisht pajisjet e levave, në të cilat ulja e sasisë së lëvizjes kryhet për shkak të ndryshimit në gjatësinë e krahëve të levave. Diagrami i kutisë së ingranazhit të levës është paraqitur në Fig. 9.

Leva mekanike ju lejon të merrni një ulje të lëvizjes me një koeficient

Kështu, sa më i madh të jetë raporti i krahut L me krahun l, aq më saktë mund të kontrollohet procesi i afrimit të sondës dhe kampionit.

Gjithashtu në projektimet e mikroskopëve përdoren gjerësisht kutitë e shpejtësisë mekanike, në të cilat arrihet reduktimi i lëvizjeve për shkak të ndryshimit në koeficientët e ngurtësisë së dy elementëve elastikë të lidhur në seri (Fig. 10). Struktura përbëhet nga një bazë e ngurtë, një sustë dhe një rreze elastike. Ngurtësia e sustës k dhe e traut elastik K zgjidhen në atë mënyrë që të plotësohet kushti: k< K .

Koeficienti i reduktimit është i barabartë me raportin e koeficientëve të ngurtësisë së elementeve elastike:

Kështu, sa më i madh të jetë raporti i ngurtësisë së rrezes me ngurtësinë e sustës, aq më saktë mund të kontrollohet zhvendosja e elementit të punës së mikroskopit.

4.2 Motorët stepper

Motorët stepper (SEM) janë pajisje elektromekanike që konvertojnë impulset elektrike në lëvizje mekanike diskrete. Një avantazh i rëndësishëm i motorëve stepper është se ata ofrojnë një varësi të qartë të pozicionit të rotorit nga impulset e rrymës hyrëse, në mënyrë që këndi i rrotullimit të rotorit të përcaktohet nga numri i pulseve të kontrollit. Në SHED, çift rrotullimi gjenerohet nga flukset magnetike të krijuara nga polet e statorit dhe rotorit, të cilët janë të orientuar në mënyrë të përshtatshme në lidhje me njëri-tjetrin.

Dizajni më i thjeshtë është për motorët me magnet të përhershëm. Ato përbëhen nga një stator, i cili ka mbështjellje, dhe një rotor që përmban magnet të përhershëm. Në Fig. Figura 11 tregon një dizajn të thjeshtuar të një motori stepper.

Polet e alternuara të rotorit kanë një formë drejtvizore dhe janë të vendosura paralelisht me boshtin e motorit. Motori i paraqitur në figurë ka 3 palë shtylla të rotorit dhe 2 palë shtylla të statorit. Motori ka 2 mbështjellje të pavarura, secila prej të cilave është e mbështjellë në dy pole të kundërta të statorit. Motori i treguar ka një madhësi hapi prej 30 gradë. Kur rryma ndizet në njërën nga mbështjelljet, rotori tenton të marrë një pozicion në të cilin polet e kundërta të rotorit dhe statorit janë përballë njëri-tjetrit. Për të arritur rrotullim të vazhdueshëm, duhet të ndizni mbështjelljet në mënyrë alternative.

Në praktikë, përdoren motorë stepper që kanë një dizajn më kompleks dhe ofrojnë nga 100 deri në 400 hapa për rrotullim të rotorit. Nëse një motor i tillë çiftohet me një lidhje me fileto, atëherë me një hap fileto prej rreth 0,1 mm, sigurohet një saktësi e pozicionimit të objektit prej rreth 0,25 - 1 mikron. Për të rritur saktësinë, përdoren kuti ingranazhesh mekanike shtesë. Mundësia e kontrollit elektrik bën të mundur përdorimin efektiv të ShED në sistemet e automatizuara për afrimin e sondës dhe mostrës së mikroskopëve të sondës skanuese.

4.3 Motorët piezo stepper

Kërkesat për izolim të mirë të instrumenteve nga dridhjet e jashtme dhe nevoja për të përdorur mikroskopët e sondës në kushte vakum imponojnë kufizime serioze në përdorimin e pajisjeve thjesht mekanike për lëvizjen e sondës dhe mostrës. Në këtë drejtim, pajisjet e bazuara në transduktorë piezoelektrikë, të cilët lejojnë kontrollin në distancë të lëvizjes së objekteve, janë përhapur gjerësisht në mikroskopët e sondës.

Një nga modelet e një motori piezo inercial stepper është paraqitur në Fig. 12. Kjo pajisje përmban një bazë (1) mbi të cilën është fiksuar një tub piezoelektrik (2). Tubi ka elektroda (3) në sipërfaqet e jashtme dhe të brendshme. Në fund të tubit ka një pranverë të ndarë (4), e cila është një cilindër me petale të veçanta susta. Një mbajtës objekti (5) është instaluar në pranverë - një cilindër mjaft masiv me një sipërfaqe të lëmuar. Objekti që lëviz mund të ngjitet në mbajtëse duke përdorur një susta ose një dado bashkimi, e cila lejon pajisjen të funksionojë në çdo orientim në hapësirë.

Pajisja funksionon si më poshtë. Për të lëvizur mbajtësin e objektit në drejtim të boshtit Z, një tension i pulsit të sharrës aplikohet në elektrodat e tubit piezo (Fig. 13).

Në pjesën e përparme të sheshtë të tensionit të sharrës, tubi zgjatet ose tkurret pa probleme në varësi të polaritetit të tensionit, dhe fundi i tij, së bashku me sustën dhe mbajtësin e objektit, zhvendoset nga distanca:

Në momentin që lirohet tensioni i dhëmbit të sharrës, tubi kthehet në pozicionin e tij origjinal me përshpejtimin a, i cili fillimisht ka një vlerë maksimale:

ku ω është frekuenca rezonante e dridhjeve gjatësore të tubit. Kur plotësohet kushti F< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5. Mbrojtja e mikroskopëve të sondës nga ndikimet e jashtme

5.1 Mbrojtja nga dridhjet

Për të mbrojtur pajisjet nga dridhjet e jashtme, përdoren lloje të ndryshme të sistemeve të izolimit të dridhjeve. Në mënyrë konvencionale, ato mund të ndahen në pasive dhe aktive. Ideja kryesore pas sistemeve pasive të izolimit të dridhjeve është si më poshtë. Amplituda e lëkundjeve të detyruara të një sistemi mekanik zvogëlohet shpejt ndërsa diferenca midis frekuencës së forcës ngacmuese dhe frekuencës natyrore rezonante të sistemit rritet (një përgjigje tipike amplitude-frekuencë (AFC) e një sistemi oscilues është paraqitur në Fig. 14 ).

Prandaj, ndikimet e jashtme me frekuenca ω > ω praktikisht nuk kanë asnjë efekt të dukshëm në sistemin oscilues. Rrjedhimisht, nëse vendosni kokën matëse të një mikroskopi sondë në një platformë izoluese të dridhjeve ose në një pezullim elastik (Fig. 15), atëherë vetëm dridhjet e jashtme me frekuenca afër frekuencës rezonante të sistemit të izolimit të dridhjeve do të kalojnë nëpër trupi i mikroskopit. Meqenëse frekuencat natyrore të kokave SPM janë 10-100 kHz, duke zgjedhur frekuencën rezonante të sistemit të izolimit të dridhjeve mjaft të ulët (rreth 5-10 Hz), mund ta mbroni në mënyrë shumë efektive pajisjen nga dridhjet e jashtme. Për të zbutur dridhjet në frekuencat rezonante natyrore, elementët shpërndarës me fërkim viskoz futen në sistemet izoluese të dridhjeve.

Kështu, për të siguruar mbrojtje efektive, është e nevojshme që frekuenca rezonante e sistemit të izolimit të dridhjeve të jetë sa më e ulët që të jetë e mundur. Megjithatë, frekuencat shumë të ulëta janë të vështira për t'u realizuar në praktikë.

Për të mbrojtur kokat SPM, përdoren me sukses sistemet aktive për shtypjen e dridhjeve të jashtme. Pajisjet e tilla janë sisteme elektromekanike me reagim negativ, i cili siguron një pozicion të qëndrueshëm të platformës izoluese të vibrimit në hapësirë ​​(Fig. 16).

5.2 Mbrojtja nga zhurma akustike

Një burim tjetër dridhjeje në elementët e projektimit të mikroskopëve të sondës është zhurma akustike e natyrave të ndryshme.

Një tipar i ndërhyrjes akustike është se valët akustike ndikojnë drejtpërdrejt në elementët strukturorë të kokave SPM, gjë që çon në lëkundje të sondës në lidhje me sipërfaqen e kampionit në studim. Për të mbrojtur SPM-të nga ndërhyrja akustike, përdoren kapele të ndryshme mbrojtëse, të cilat mund të zvogëlojnë ndjeshëm nivelin e ndërhyrjes akustike në zonën e hendekut të punës së mikroskopit. Mbrojtja më efektive kundër ndërhyrjeve akustike është vendosja e kokës matëse të mikroskopit të sondës në një dhomë vakum (Fig. 17).

5.3 Stabilizimi i zhvendosjes termike të pozicionit të sondës mbi sipërfaqe

Një nga problemet e rëndësishme të SPM është detyra e stabilizimit të pozicionit të sondës mbi sipërfaqen e kampionit në studim. Burimi kryesor i paqëndrueshmërisë së pozicionit të sondës është një ndryshim në temperaturën e ambientit ose ngrohja e elementeve strukturorë të mikroskopit të sondës gjatë funksionimit të tij. Një ndryshim në temperaturën e një trupi të ngurtë çon në shfaqjen e deformimeve termoelastike. Deformime të tilla kanë një efekt shumë domethënës në funksionimin e mikroskopëve të sondës. Për të reduktuar zhvendosjen termike, përdoret termostatimi i kokave matëse SPM ose elementët kompensues termik futen në dizajnin e kokave. Ideja e kompensimit termik është si më poshtë. Çdo dizajn SPM mund të përfaqësohet si një grup elementësh me koeficientë të ndryshëm të zgjerimit termik (Fig. 18 (a)).

Për të kompensuar zhvendosjen termike, elementët kompensues me koeficientë të ndryshëm të zgjerimit futen në projektimin e kokave matëse SPM, në mënyrë që të plotësohet kushti që shuma e zgjerimeve të temperaturës në krahë të ndryshëm të strukturës të jetë e barabartë me zero:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Mënyra më e thjeshtë për të reduktuar zhvendosjen termike të pozicionit të sondës përgjatë boshtit Z është futja në modelin SPM elemente kompensuese të bëra nga i njëjti material dhe me të njëjtat dimensione karakteristike si elementët strukturorë kryesorë (Fig. 18 (b)). Kur temperatura e këtij dizajni ndryshon, zhvendosja e sondës në drejtimin Z do të jetë minimale. Për të stabilizuar pozicionin e sondës në rrafshin X, Y, kokat matëse të mikroskopëve prodhohen në formën e strukturave aksiale simetrike.

6. Formimi dhe përpunimi i imazheve SPM

6.1 Procesi i skanimit

Procesi i skanimit të një sipërfaqeje në një mikroskop sondë skanimi është i ngjashëm me lëvizjen e një rreze elektronike nëpër ekran në një tub me rreze katodë televizive. Sonda lëviz përgjatë vijës (vijës), së pari në drejtimin përpara, dhe më pas në drejtimin e kundërt (skanimi i linjës), dhe më pas kalon në vijën tjetër (skanimi i kornizës) (Fig. 19). Sonda lëviz duke përdorur një skaner në hapa të vegjël nën veprimin e tensioneve të dhëmbëve sharrë të krijuara nga konvertuesit dixhital në analog. Regjistrimi i informacionit në lidhje me topografinë e sipërfaqes kryhet, si rregull, në një kalim të drejtpërdrejtë.

Informacioni i marrë duke përdorur një mikroskop sondë skanimi ruhet në formën e një kornize SPM - një grup dy-dimensional i numrave të plotë a (matricë). Kuptimi fizik i këtyre numrave përcaktohet nga vlera që është dixhitalizuar gjatë procesit të skanimit. Çdo vlerë e një çifti indeksesh ij korrespondon me një pikë specifike të sipërfaqes brenda fushës së skanimit. Koordinatat e pikave sipërfaqësore llogariten thjesht duke shumëzuar indeksin përkatës me distancën midis pikave në të cilat është regjistruar informacioni.

Si rregull, kornizat SPM janë matrica katrore me madhësi 2 (kryesisht elemente 256x256 dhe 512x512). Vizualizimi i kornizave SPM kryhet duke përdorur grafikë kompjuterike, kryesisht në formën e imazheve tredimensionale (3D) dhe ndriçimit dydimensionale (2D). Në vizualizimin 3D, një imazh i një sipërfaqeje ndërtohet në një perspektivë aksonometrike duke përdorur pikselë ose vija. Përveç kësaj, përdoren metoda të ndryshme për të theksuar pikselët që korrespondojnë me lartësi të ndryshme të relievit të sipërfaqes. Mënyra më efektive për të ngjyrosur imazhet 3D është të simuloni kushtet e ndriçimit të sipërfaqes me një burim pikësor të vendosur në një pikë të hapësirës mbi sipërfaqe (Fig. 20). Në të njëjtën kohë, është e mundur të theksohet pabarazia në shkallë të vogël të relievit. Gjithashtu, duke përdorur përpunimin dhe grafikën kompjuterike, realizohet shkallëzimi dhe rrotullimi i imazheve 3D SPM. Me vizualizimin 2D, çdo pike sipërfaqësore i caktohet një ngjyrë. Më të përdorurat janë paletat e gradientit, në të cilat imazhi ngjyroset në një ton të një ngjyre të caktuar në përputhje me lartësinë e një pike në sipërfaqe.

Matjet lokale SPM, si rregull, përfshijnë regjistrimin e varësive të sasive në studim nga parametra të ndryshëm. Për shembull, këto janë varësitë e madhësisë së rrymës elektrike përmes kontaktit sondë-sipërfaqe nga tensioni i aplikuar, varësitë e parametrave të ndryshëm të ndërveprimit të forcës ndërmjet sondës dhe sipërfaqes nga distanca sondë-kampion, etj. informacioni ruhet në formën e vargjeve vektoriale ose në formën e matricave 2 x N. Për vizualizimin e tyre Softueri i mikroskopit ofron një grup mjetesh standarde për paraqitjen e grafikëve të funksioneve.

6.2 Metodat për ndërtimin dhe përpunimin e imazheve

Kur studioni vetitë e objekteve duke përdorur metoda të mikroskopisë së sondës skanuese, rezultati kryesor i kërkimit shkencor është, si rregull, imazhet tredimensionale të sipërfaqes së këtyre objekteve. Përshtatshmëria e interpretimit të imazhit varet nga kualifikimet e specialistit. Në të njëjtën kohë, gjatë përpunimit dhe ndërtimit të imazheve, përdoren një sërë teknikash tradicionale, të cilat duhet të keni parasysh kur analizoni imazhet. Mikroskopi i sondës skanuese u shfaq në një kohë të zhvillimit intensiv të teknologjisë kompjuterike. Prandaj, gjatë regjistrimit të imazheve tre-dimensionale, përdorte metoda dixhitale të ruajtjes të zhvilluara për kompjuterë. Kjo çoi në lehtësi të konsiderueshme në analizën dhe përpunimin e imazhit, por ishte e nevojshme të sakrifikohej cilësia fotografike e natyrshme në metodat e mikroskopisë elektronike. Informacioni i marrë duke përdorur një mikroskop sondë paraqitet në një kompjuter si një matricë dydimensionale e numrave të plotë. Çdo numër në këtë matricë, në varësi të mënyrës së skanimit, mund të jetë një vlerë aktuale e tunelit, ose një vlerë devijimi, ose vlerë e ndonjë funksioni më kompleks. Nëse ia tregoni këtë matricë një personi, atëherë ai nuk do të jetë në gjendje të marrë ndonjë ide koherente për sipërfaqen në studim. Pra, problemi i parë është shndërrimi i numrave në një formë që është e lehtë për t'u kuptuar. Kjo bëhet si më poshtë. Numrat në matricën origjinale shtrihen në një gamë të caktuar; ka vlera minimale dhe maksimale. Kësaj gamë numrash të plotë i caktohet një gamë ngjyrash. Kështu, çdo vlerë e matricës është hartuar në një pikë të një ngjyre specifike në imazhin drejtkëndor. Rreshti dhe kolona në të cilën ndodhet kjo vlerë bëhen koordinatat e pikës. Si rezultat, marrim një pamje në të cilën, për shembull, lartësia e sipërfaqes përcillet me ngjyra - si në një hartë gjeografike. Por në një hartë zakonisht përdoren vetëm dhjetëra ngjyra, por në foton tonë ka qindra e mijëra të tilla. Për lehtësinë e perceptimit, pikat që janë afër lartësisë duhet të jepen me ngjyra të ngjashme. Mund të rezultojë, dhe si rregull ndodh gjithmonë, që diapazoni i vlerave fillestare të jetë më i madh se numri i ngjyrave të mundshme. Në këtë rast, informacioni humbet dhe rritja e numrit të ngjyrave nuk është zgjidhje, pasi aftësitë e syrit të njeriut janë të kufizuara. Kërkohet përpunim shtesë i informacionit dhe përpunimi duhet të jetë i ndryshëm në varësi të detyrave. Disa njerëz duhet të shohin të gjithë pamjen, ndërsa të tjerë duan të shikojnë detajet. Për këtë përdoren metoda të ndryshme.

6.3 Zbritja e një pjerrësi konstante

Imazhet sipërfaqësore të marra me mikroskop sondë zakonisht kanë një pjerrësi të përgjithshme. Kjo mund të jetë për shkak të disa arsyeve. Së pari, pjerrësia mund të shfaqet për shkak të vendosjes së pasaktë të kampionit në lidhje me sondën; së dyti, mund të shoqërohet me zhvendosje të temperaturës, e cila çon në një zhvendosje të sondës në raport me kampionin; së treti, mund të jetë për shkak të jolinearitetit të lëvizjeve të piezoskanerit. Shfaqja e animit konsumon një hapësirë ​​të madhe të përdorshme në kornizën SPM, në mënyrë që detajet e vogla të imazhit të bëhen të padukshme. Për të eliminuar këtë pengesë, kryhet operacioni i zbritjes së një pjerrësi konstante. Për ta bërë këtë, në fazën e parë, rrafshi i përafërt gjendet duke përdorur metodën e katrorëve më të vegjël

P(x,y), e cila ka devijime minimale nga relievi sipërfaqësor Z = f(x,y), atëherë ky plan zbritet nga imazhi SPM. Këshillohet të kryhet zbritja në mënyra të ndryshme në varësi të natyrës së pjerrësisë.

Nëse pjerrësia në imazhin SPM është për shkak të pjerrësisë së kampionit në raport me kampionin e sondës, atëherë këshillohet të rrotullohet rrafshi me një kënd që korrespondon me këndin midis normales në plan dhe boshtit Z; në këtë rast, koordinatat e sipërfaqes Z = f(x,y) transformohen në përputhje me transformimet e rrotullimit hapësinor. Megjithatë, me këtë transformim është e mundur të merret një imazh i sipërfaqes në formën e një funksioni me shumë vlera Z = f(x,y). Nëse animi është për shkak të zhvendosjes termike, atëherë procedura për zbritjen e pjerrësisë reduktohet në zbritjen e koordinatave Z të planit nga koordinatat Z të imazhit SPM:

Rezultati është një grup me një gamë më të vogël vlerash dhe detajet e imta në imazh do të pasqyrohen me më shumë ngjyra, duke u bërë më të dukshme.

6.4 Eliminimi i shtrembërimeve të lidhura me papërsosmëritë e skanerit

Papërsosmëria e vetive të skanerit çon në faktin se imazhi SPM përmban një sërë shtrembërimesh specifike. Defektet e pjesshme të skanerit, të tilla si pabarazia e goditjes përpara dhe të kundërt të skanerit (histereza), zvarritja dhe jolineariteti i piezoceramikës, kompensohen nga hardueri dhe zgjedhja e mënyrave optimale të skanimit. Megjithatë, pavarësisht kësaj, imazhet SPM përmbajnë shtrembërime që janë të vështira për t'u eliminuar në nivelin e harduerit. Në veçanti, meqenëse lëvizja e skanerit në rrafshin e mostrës ndikon në pozicionin e sondës mbi sipërfaqe, imazhet SPM janë një mbivendosje e relievit real dhe një sipërfaqe e rendit të dytë (dhe shpesh më të lartë).

Për të eliminuar këtë lloj shtrembërimi, përdoret metoda e katrorëve më të vegjël për të gjetur një sipërfaqe të përafërt të rendit të dytë P(x,y), e cila ka devijime minimale nga funksioni origjinal Z = f(x,y), dhe më pas kjo sipërfaqe është zbritur nga imazhi origjinal SPM:

Një lloj tjetër shtrembërimi lidhet me jolinearitetin dhe jo-ortogonialitetin e lëvizjeve të skanerit në rrafshin X, Y. Kjo çon në shtrembërim të përmasave gjeometrike në pjesë të ndryshme të imazhit SPM të sipërfaqes. Për të eliminuar shtrembërime të tilla, kryhet një procedurë për të korrigjuar imazhet SPM duke përdorur një skedar të koeficientit të korrigjimit, i cili krijohet kur një skaner specifik skanon strukturat e testimit me një lehtësim të njohur.

6.5 Filtrimi i imazheve SPM

Zhurma e pajisjeve (kryesisht zhurma e amplifikatorëve të hyrjes shumë të ndjeshme), paqëndrueshmëria e kontaktit sondë-kampion gjatë skanimit, zhurma akustike e jashtme dhe dridhjet çojnë në faktin se imazhet SPM, së bashku me informacionin e dobishëm, kanë një komponent zhurme. Zhurma e pjesshme në imazhet SPM mund të hiqet duke përdorur softuer.

6.6 Filtrimi mesatar

Filtrimi mesatar jep rezultate të mira kur heq zhurmën e rastësishme me frekuencë të lartë në kornizat SPM. Kjo është një metodë jolineare e përpunimit të imazhit, thelbi i së cilës mund të shpjegohet si më poshtë. Zgjidhet një dritare filtri funksionale, e përbërë nga pika nxn (për saktësi, le të marrim një dritare 3 x 3, d.m.th. që përmban 9 pika (Fig. 24)).

Gjatë procesit të filtrimit, kjo dritare lëviz nëpër kornizë nga pika në pikë dhe kryhet procedura e mëposhtme. Vlerat e amplitudës së imazhit SPM në pikat e kësaj dritareje janë rregulluar në rend rritës, dhe vlera në qendër të rreshtit të renditur futet në pikën qendrore të dritares. Më pas dritarja zhvendoset në pikën tjetër dhe procedura e renditjes përsëritet. Kështu, pikat e jashtme dhe dështimet e fuqishme të rastësishme gjatë klasifikimit të tillë përfundojnë gjithmonë në skajin e grupit të renditur dhe nuk do të përfshihen në imazhin përfundimtar (të filtruar). Me këtë përpunim, në skajet e kornizës mbeten zona të pafiltruara, të cilat hidhen në imazhin përfundimtar.

6.7 Metodat për rindërtimin e një sipërfaqeje nga imazhi i saj SPM

Një nga disavantazhet e natyrshme në të gjitha metodat e mikroskopisë së sondës skanuese është madhësia e kufizuar e pjesës së punës të sondave të përdorura. Kjo çon në një përkeqësim të konsiderueshëm të rezolucionit hapësinor të mikroskopëve dhe shtrembërime të konsiderueshme në imazhet SPM gjatë skanimit të sipërfaqeve me parregullsi lehtësimi të krahasueshme me dimensionet karakteristike të pjesës së punës të sondës.

Në fakt, imazhi i marrë në SPM është një "përbërje" e sondës dhe sipërfaqes në studim. Procesi i "konvolucionit" të formës së sondës me relievin e sipërfaqes është ilustruar në rastin njëdimensional në Fig. 25.

Ky problem mund të zgjidhet pjesërisht me metoda të zhvilluara së fundmi për rindërtimin e imazheve SPM, bazuar në përpunimin kompjuterik të të dhënave SPM duke marrë parasysh formën specifike të sondave. Metoda më efektive për restaurimin e sipërfaqes është metoda e dekonvolucionit numerik, e cila përdor formën e sondës së përftuar eksperimentalisht nga skanimi i strukturave testuese (me një topografi të njohur sipërfaqësore).

Duhet të theksohet se restaurimi i plotë i sipërfaqes së mostrës është i mundur vetëm nëse plotësohen dy kushte: sonda preku të gjitha pikat e sipërfaqes gjatë procesit të skanimit dhe në çdo moment sonda preku vetëm një pikë të sipërfaqes. Nëse sonda nuk mund të arrijë zona të caktuara të sipërfaqes gjatë skanimit (për shembull, nëse kampioni ka zona të varura të relievit), atëherë ndodh vetëm restaurimi i pjesshëm i relievit. Për më tepër, sa më shumë pika në sipërfaqe të preket sonda gjatë skanimit, aq më e besueshme mund të rindërtohet sipërfaqja.

Në praktikë, imazhi SPM dhe forma e sondës e përcaktuar eksperimentalisht janë grupe dydimensionale me vlera diskrete për të cilat derivati ​​është një sasi e përcaktuar dobët. Prandaj, në vend që të llogaritet në praktikë derivati ​​i funksioneve diskrete, gjatë dekonvolucionit numerik të imazheve SPM, përdoret kushti i distancës minimale midis sondës dhe sipërfaqes kur skanoni me një lartësi mesatare konstante.

Në këtë rast, lartësia e relievit të sipërfaqes në një pikë të caktuar mund të merret si distanca minimale midis pikës së sondës dhe pikës përkatëse të sipërfaqes për një pozicion të caktuar të sondës në lidhje me sipërfaqen. Në kuptimin e tij fizik, kjo gjendje është ekuivalente me kushtin e barazisë së derivateve, por ju lejon të kërkoni për pikat e kontaktit të sondës me sipërfaqen duke përdorur një metodë më adekuate, e cila redukton ndjeshëm kohën e rindërtimit të relievit.

Për të kalibruar dhe përcaktuar formën e pjesës së punës të sondave, përdoren struktura speciale testuese me parametra të njohur të lehtësimit të sipërfaqes. Llojet e strukturave më të zakonshme të provës dhe imazhet e tyre karakteristike të marra duke përdorur një mikroskop të forcës atomike janë paraqitur në Fig. 26 dhe fig. 27.

Rrjeti i kalibrimit në formën e thumbave të mprehta ju lejon të përcaktoni me saktësi majën e sondës, ndërsa rrjeti drejtkëndor ndihmon në rivendosjen e formës së sipërfaqes anësore. Duke kombinuar rezultatet e skanimit të këtyre grilave, është e mundur që të rivendoset plotësisht forma e pjesës së punës të sondave.

7. SPM moderne

1) Mikroskopi i sondës skanuese SM-300

Projektuar për të studiuar veçoritë morfologjike dhe strukturën e hapësirës së poreve. SM-300 (Figura 28) ka një mikroskop pozicionimi optik të integruar që eliminon nevojën për të kërkuar pafundësisht një zonë me interes. Një imazh optik me ngjyra i kampionit, me zmadhim të lehtë, shfaqet në një monitor kompjuteri. Kryqëzimi në imazhin optik korrespondon me pozicionin e rrezes elektronike. Duke përdorur pikën e kryqëzimit, mund të poziciononi shpejt për të përcaktuar një zonë me interes për analizën raster

Oriz. 28. Mikroskop elektronik SPM SM-300. Njësia e pozicionimit optik është e pajisur me një kompjuter të veçantë, i cili siguron pavarësinë e tij harduerike nga mikroskopi skanues.

AFTËSITË SM - 300

· Rezolucioni i garantuar prej 4 nm

· Mikroskop unik i pozicionimit optik (opsionale)

· Softuer intuitiv Windows®

Mikroskop skanues dhe imazhe plotësisht i kontrolluar nga kompjuteri

Dalje standarde televizive me përpunim dixhital të sinjalit

· Kontroll kompjuterik i sistemit me vakum të ulët (opsionale)

· Të gjitha studimet kryhen në të njëjtin pozicion të boshtit të aplikuesit (12 mm)

Mikroanalizë elementare me rreze X në modalitete me vakum të ulët dhe të lartë (opsionale)

Aftësia për të punuar në kushte normale të ndriçimit të dhomës

· Studimi i mostrave jopërçuese pa përgatitjen e tyre paraprake

Rezolucioni 5,5 nm në modalitetin me vakum të ulët

· Kontrolli i softuerit të ndërrimit të modalitetit

Gama e vakumit të dhomës së zgjedhur 1,3 – 260 Pa

· Shfaqja e imazheve në ekranin e monitorit të kompjuterit

· Sensori i Robinsonit me V-backscatter serik

2) Mikroskop sondë skanimi me rezolucion të lartë Supra50VP me sistemin e mikroanalizës INCA Energy+Oxford.

Pajisja (Fig. 29) është menduar për kërkime në të gjitha fushat e shkencës së materialeve, në fushën e nano- dhe bioteknologjive. Pajisja ju lejon të punoni me mostra të mëdha, dhe gjithashtu mbështet modalitetin e presionit të ndryshueshëm për studimin e mostrave jo-përçuese pa përgatitje. Oriz. 29. SPM Supra50VP

OPSIONE:

Tensioni përshpejtues 100 V – 30 kV (katodë e emetimit në terren)

Maks. rritet në x 900000

Rezolucioni ultra i lartë - deri në 1 nm (në 20 kV)

Modaliteti i vakumit me presion të ndryshueshëm nga 2 në 133 Pa

Tensioni i përshpejtimit - nga 0.1 në 30 kV

Tavolinë e motorizuar me pesë shkallë lirie

Rezolucioni i detektorit EDX 129 eV në linjën Ka(Mn), shpejtësia e numërimit deri në 100,000 numërime/s

3) LEO SUPRA 25 mikroskop i modernizuar me një kolonë “GEMINI” dhe emetim në terren (Fig. 30).

– Projektuar për kërkime në nanoanalizë

– Mund të lidhë të dy sistemet EDX dhe WDX për mikroanalizë

– Rezolucioni 1,5 nm në 20 kV, 2 nm në 1 kV.

konkluzioni

Gjatë viteve të fundit, përdorimi i mikroskopisë së sondës ka bërë të mundur arritjen e rezultateve unike shkencore në fusha të ndryshme të fizikës, kimisë dhe biologjisë.

Nëse mikroskopët e parë të sondës skanuese ishin pajisje treguese për kërkime cilësore, atëherë një mikroskop modern i sondës skanuese është një pajisje që integron deri në 50 teknika të ndryshme kërkimi. Është në gjendje të kryejë lëvizje të specifikuara në sistemin e mostrës së sondës me një saktësi prej 0,1%, duke llogaritur faktorin e formës së sondës, duke bërë matje precize të madhësive mjaft të mëdha (deri në 200 µm në rrafshin e skanimit dhe 15 - 20 µm në lartësi ) dhe, në të njëjtën kohë, të sigurojë rezolucionin submolekular.

Mikroskopët e sondës skanuese janë bërë një nga klasat më të njohura të instrumenteve për kërkime shkencore në tregun botëror. Po krijohen vazhdimisht dizajne të reja pajisjesh, të specializuara për aplikacione të ndryshme.

Zhvillimi dinamik i nanoteknologjisë kërkon gjithnjë e më shumë zgjerim të aftësive të teknologjisë kërkimore. Kompanitë e teknologjisë së lartë në mbarë botën po punojnë për krijimin e nanokomplekseve kërkimore dhe teknologjike që kombinojnë grupe të tëra metodash analitike, si: spektroskopia Raman, spektroskopia e lumineshencës, spektroskopia me rreze X për analizën elementare, mikroskopi optik me rezolucion të lartë, mikroskopi elektronik , teknikat e fokusuara të joneve tufa. Sistemet fitojnë aftësi të fuqishme intelektuale: aftësia për të njohur dhe klasifikuar imazhet, për të nxjerrë në pah kontrastet e kërkuara, janë të pajisura me aftësinë për të simuluar rezultatet dhe fuqia llogaritëse sigurohet nga përdorimi i superkompjuterëve.

Teknologjia që po zhvillohet ka aftësi të fuqishme, por qëllimi përfundimtar i përdorimit të saj është të marrë rezultate shkencore. Zotërimi i aftësive të kësaj teknologjie në vetvete është një detyrë me kompleksitet të lartë, që kërkon trajnimin e specialistëve të kualifikuar të cilët janë në gjendje të përdorin në mënyrë efektive këto pajisje dhe sisteme.

Bibliografi

1. Nevolin V.K. Bazat e teknologjisë së sondës së tunelit / V.K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996, - 91 f.

2. Kulakov Yu. A. Mikroskopi elektronik / Yu. A. Kulakov, – M.: Znanie, 1981, – 64 f.

3. Volodin A.P. Mikroskopi skanues / A. P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 f.

4. Mikroskopi i sondës skanuese të biopolimerëve / Redaktuar nga I. V. Yaminsky, - M.: Scientific World, 1997, - 86 f.

5. Mironov V. Bazat e mikroskopisë së sondës skanuese / V. Mironov, – M.: Tekhnosphere, 2004, – 143 f.

6. Rykov S. A. Mikroskopi i sondës skanuese të materialeve gjysmëpërçuese / S. A. Rykov, – Shën Petersburg: Nauka, 2001, – 53 f.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Mikroskopi i sondës skanuese për shkencën dhe industrinë / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronikë: shkencë, teknologji, biznes, – 1997, – Nr. 5, – Me. 7 – 14.