Методы сканирующей зондовой микроскопии

Зондовая микроскопия, работающая с помощью сканирования, – это современный мощный способ проведения исследований локальных и морфологических свойств, а также верхнего слоя твёрдого тела.

Особенности СЗМ

Главными особенностями СЗМ-микроскопии являются:

• возможность разглядеть молекулярно-атомную структуру, ведь разрешение увеличивающего устройства может иметь показатель, равный тысячным долям миллиметра;
• наличие наглядности получаемой информации;
• возможность изучать структуру/свойства материала в отличающихся средах (воздушной, жидкой, в вакууме).

 

 

Какие бывают методы

Методы проводимых зондовыми микроскопами исследований отличаются. В туннельном устройстве применяется остриё, которое создаёт туннель-переход, после чего происходит измерение его электротока. Для силового скан-микроскопа используют микроостриё, при этом происходит регистрация взаимодействия и их силы между кончиком и телом.

Для оптического скан-микроскопа ближнего поля применяют оптоволокно, имеющее минидиафрагму. Во время её перемещения используют воздействие лазерного источника, который освещает образец. Этот метод предполагает регистрацию переизлучённого света. Так как рассеивается свет на некотором расстоянии от поверхности, которое меньше, чем длина световой волны, преодолевается барьер, существующий в оптической микроскопии. Именно поэтому становятся видны такие небольшие детали поверхности, которые имеют микроскопический размер (несколько нанометров).

Квейт составил небольшой обзор хронологии появления разных типов зондовых микроскопов. Так, после сканирующего туннельного устройства в 1982 году благодаря Дитеру Полу (Pohl D.W.) стал доступен ближнепольный микроскоп, который может делать изображения, имеющие пятидесятинанометровое разрешение.

Ёмкостный микроскоп 1984 года (создатели – Matey J.R. и Blanc J.) проводит фиксирование параметров электроёмкости, тепловой (в 1985 г. представлен Williams C.C. и Wickramasinghe H.K.) – температурные перепады, бесконтактный (изобрели Y. Martin,  Williams C.C. и Wickramasinghe H.K. в 1987 г.) осуществляет визуализацию верхнего слоя образца в режиме наличия сил притяжения.

Магнитно-силовое устройство (обнародовали это открытие в том же календарном году Martin Y., Wickrama–singhe H.K.) даёт изображение магнит-доменов, а фрикционное – «картинку» в режиме вибрации сил трения (Mate C.M., McClelland G.M. и Chiang S.). Устройство, изобретённое в 1988 году, производит изучение Шоттки-барьеров, а ближнепольное акустическое устройство осуществляет низкочастотные измерения звука с десятинанометровм разрешением.

Скан-микроскоп фрикционного типа был сделан группой учёных C.M. Mate, G.M. McClelland и S. Chiang. Он использует метод, основанный на исследовании сил трения.

 

 

Как работает сканирующий туннельный микроскоп

СТМ, изобретённый в 1981 году Гердом Карлом Биннигом (G. Binnig) и Генрихом Рорером (H. Rohrer), помогает визуализировать атом-структуру. Функционирование устройства основано на способности электрона проходить барьер, который образуется как маленькое расстояние от внешнего слоя сканируемого тела до зонда. Для материала изготовления зонда используют проволоку из вольфрама или металлосплава. При этом можно осуществить простой срез или применить электрохимический способ.

Феномен, именуемый туннелированием, при приложении электрического напряжения и приближении острия даёт туннельный ток. В процессе зондирования остриё перемещается над образцом, совпадая с перепадами его поверхности.

Для движения устройство оснащено механоманипулятором из пьезокерамики. Транспортировка зонда по каждой из трёх координат использует обратный пьезоэффект. Для этого берут прямоугольную в сечении балку с металлическими электродами и прикладывают к ней разность потенциалов. В результате этого изменяются её геометрические размеры.

Также для перемещения зонда могут применяться пьезоэлектрические трубки с тонкими стенками, оснащённые электродами. При подаче управляющего напряжения эта трубка удлиняется. Разность между положениями зонда современного туннельного скан-микроскопа (ТСМ) составляет до ста-двухсот микрометров (мкм) в плоскости рассматриваемого образца, до пяти-двенадцати – по нормали. ТСМ стал прообразом другого вида подобного оборудования – АСМ.

Как работает атомный силовой микроскоп

АСМ, появившийся в 1986-м году благодаря Герду Карлу Биннигу (Binnig G.), Келвину Куэйту (Quate C.F.) и Паулю Герберу (Gerber Ch.) использует сверхчувствительный измеритель атомного разрешения покрывающего слоя тела. Зондом в этом приспособлении является жёсткая пластина кантилевер. На этой детали литографическим способом формируется твердометаллическое остриё из кремния и его нитрида.

Исследование вируса SARS-CoV-2 с помощью Атомно-силовой микроскопии

 

Во время движения такого зонда вдоль материала начинается регистрация отклонений острия. Также используют второй способ: перемещают зонд так, чтобы изгиб оставался постоянным. В итоге получают изображение, соответствующее силовым контурам. Благодаря описанным особенностям этого устройства измеряются в том числе силы трения, а также величина адгезии поверхности.

Если необходимо исследовать полимерные и биополимерные материалы, успешно применяют методы модуляционные, тогда кантилевер осуществляет колебания, входящие в резонанс, и при этом взаимодействуют с поверхностью. Это приводит к изменению показателей частоты, фазы и амплитуды упомянутых колебаний. Благодаря тому, что при этом воздействие на внешний слой образца снижается, появляется возможность изучения динамики происходящих явлений, в которых принимают участие макромолекулы.