Ի՞նչ է սկանավորման մանրադիտակը: Սկանավորման զոնդ մանրադիտակ

Կարելյան պետական ​​մանկավարժական համալսարան

Սկանային զոնդի մանրադիտակ

Կատարվել է՝

554 գր. (2007)

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակ (SPM), դրա կառուցվածքը և աշխատանքի սկզբունքը

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակ (SPM)- պինդ մակերևույթի մորֆոլոգիայի և տեղային հատկությունների ուսումնասիրման հզոր ժամանակակից մեթոդներից մեկը՝ տարածական բարձր լուծմամբ

Չնայած ժամանակակից սկանավորող մանրադիտակների տեսակների և կիրառությունների բազմազանությանը, դրանց աշխատանքը հիմնված է նմանատիպ սկզբունքների վրա, և դրանց դիզայնը քիչ է տարբերվում միմյանցից: Նկ. Նկար 1-ը ցույց է տալիս սկանավորող զոնդի մանրադիտակի (SPM) ընդհանրացված դիագրամը:

Նկ. 1 Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի (SPM) ընդհանրացված դիագրամ:

Դրա գործողության սկզբունքը հետևյալն է. Օգտագործելով կոպիտ դիրքավորման համակարգ, չափիչ զոնդը բերվում է փորձանմուշի մակերեսին: Երբ նմուշը և զոնդը մոտենում են հարյուրավոր նմ-ից պակաս հեռավորության վրա, զոնդը սկսում է փոխազդել վերլուծված մակերեսի մակերեսային կառուցվածքների հետ: Զոնդը շարժվում է նմուշի մակերևույթի երկայնքով՝ օգտագործելով սկանավորող սարք, որն ապահովում է մակերեսի սկանավորումը զոնդի ասեղով: Սովորաբար դա պիեզոկերամիկայից պատրաստված խողովակ է, որի մակերեսին կիրառվում են երեք զույգ առանձնացված էլեկտրոդներ։ Պիեզոտողովակի վրա կիրառվող Ux և Uy լարումների ազդեցության տակ այն թեքում է, դրանով իսկ ապահովելով զոնդի շարժումը նմուշի համեմատ X և Y առանցքների երկայնքով, Uz լարման ազդեցության տակ այն սեղմվում կամ ձգվում է, ինչը թույլ է տալիս. փոխել ասեղ-նմուշի հեռավորությունը:

Բյուրեղներում պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հայտնաբերվել է 1880 թվականին Պ. և Ջ. Կյուրի եղբայրների կողմից, ովքեր մեխանիկական սթրեսի ազդեցության տակ դիտարկել են էլեկտրաստատիկ լիցքերի տեսքը քվարցային բյուրեղից որոշակի կողմնորոշմամբ կտրված թիթեղների մակերեսին։ Այս մեղադրանքները համաչափ են մեխանիկական սթրեսին, փոխում են նշանը դրա հետ և անհետանում, երբ այն հանվում է:

Դիէլեկտրիկի մակերևույթի վրա էլեկտրաստատիկ լիցքերի առաջացումը և մեխանիկական սթրեսի ազդեցության հետևանքով դրա ներսում էլեկտրական բևեռացման առաջացումը կոչվում է ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։

Ուղղակիի հետ մեկտեղ կա հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը բաղկացած է նրանից, որ դրա վրա կիրառվող էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ պիեզոէլեկտրական բյուրեղից կտրված ափսեում տեղի է ունենում մեխանիկական դեֆորմացիա. Ավելին, մեխանիկական դեֆորմացիայի մեծությունը համաչափ է էլեկտրական դաշտի ուժգնությանը: Պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը դիտվում է միայն պինդ դիէլեկտրիկների, հիմնականում բյուրեղային։ Համաչափության կենտրոն ունեցող կառույցներում ոչ մի համաչափ դեֆորմացիա չի կարող խաթարել բյուրեղային ցանցի ներքին հավասարակշռությունը և, հետևաբար, բյուրեղների միայն 20 դասեր, որոնք չունեն համաչափության կենտրոն, պիեզոէլեկտրական են: Համաչափության կենտրոնի բացակայությունը անհրաժեշտ, բայց ոչ բավարար պայման է պիեզոէլեկտրական էֆեկտի գոյության համար, և, հետևաբար, ոչ բոլոր ցենտրիկ բյուրեղներն ունեն այն։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը չի կարող դիտվել պինդ ամորֆ և կրիպտոկրիստալային դիէլեկտրիկների մեջ։ (Պիեզոէլեկտրիկներ – միաբյուրեղներ՝ քվարց:Քվարցի պիեզոէլեկտրական հատկությունները լայնորեն օգտագործվում են տեխնոլոգիայում ռադիոհաճախականությունների կայունացման և զտման, ուլտրաձայնային թրթռումների առաջացման և մեխանիկական քանակությունները չափելու համար: Տուրմալին.Տուրմալինի հիմնական առավելությունը քվարցի համեմատ մասնակի գործակցի ավելի բարձր արժեքն է։ Դրա շնորհիվ, ինչպես նաև տուրմալինի ավելի մեծ մեխանիկական ուժի շնորհիվ, հնարավոր է արտադրել ավելի բարձր հաճախականությունների ռեզոնատորներ:

Ներկայումս տուրմալինը գրեթե չի օգտագործվում պիեզոէլեկտրական ռեզոնատորների արտադրության համար և սահմանափակ օգտագործում է հիդրոստատիկ ճնշումը չափելու համար:

Rochette աղ.Ռոշելի աղից պատրաստված պիեզոէլեկտրական տարրերը լայնորեն օգտագործվում էին համեմատաբար նեղ ջերմաստիճանի տիրույթում աշխատող սարքավորումներում, մասնավորապես՝ ձայնային պիկապներում: Սակայն ներկայումս դրանք գրեթե ամբողջությամբ փոխարինված են կերամիկական պիեզոէլեմենտներով։

Զոնդի դիրքի սենսորը շարունակաբար վերահսկում է զոնդի դիրքը նմուշի նկատմամբ և հետադարձ կապի համակարգի միջոցով դրա մասին տվյալները փոխանցում է համակարգչային համակարգին, որը վերահսկում է սկաների շարժումը: Զոնդի և մակերեսի փոխազդեցության ուժերը գրանցելու համար սովորաբար օգտագործվում է մեթոդ, որը հիմնված է զոնդի ծայրից արտացոլված կիսահաղորդչային լազերային ճառագայթի շեղման գրանցման վրա: Այս տիպի մանրադիտակներում լույսի արտացոլված ճառագայթը ընկնում է երկու կամ չորս հատվածանոց ֆոտոդիոդի կենտրոն, որը միացված է դիֆերենցիալ սխեմայի համաձայն: Համակարգչային համակարգը, բացի սկաների կառավարումից, ծառայում է նաև զոնդից ստացված տվյալների մշակմանը, վերլուծությանն ու մակերեսային հետազոտության արդյունքների ցուցադրմանը:

Ինչպես տեսնում եք, մանրադիտակի կառուցվածքը բավականին պարզ է։ Հիմնական հետաքրքրությունը հետազոտվող մակերեսի հետ զոնդի փոխազդեցությունն է: Այն փոխազդեցության տեսակն է, որն օգտագործվում է որոշակի սկանավորող զոնդի մանրադիտակի կողմից, որը որոշում է դրա հնարավորություններն ու կիրառման շրջանակը: (սլայդ) Ինչպես երևում է անունից, զոնդային մանրադիտակի հիմնական տարրերից մեկը զոնդն է: Բոլոր սկանավորման զոնդերի մանրադիտակների ընդհանուր առանձնահատկությունն ուսումնասիրվող մակերեսի հատկությունների մասին տեղեկատվության ստացման մեթոդն է: Մանրադիտակային զոնդը մոտենում է մակերեսին այնքան ժամանակ, քանի դեռ զոնդի և նմուշի միջև որոշակի բնույթի փոխազդեցությունների հավասարակշռություն է հաստատվում, որից հետո կատարվում է սկանավորում։

Սկանային թունելային մանրադիտակ (STM), դրա կառուցվածքը և շահագործման սկզբունքը

SPM-ի առաջին նախատիպը եղել է սկանավորող թունելային մանրադիտակը (STM), որը հայտնագործվել է 1981 թվականին։ Ցյուրիխի IBM հետազոտական ​​լաբորատորիայի գիտնականներ Գերհարդ Բիննիգը և Հենրիխ Ռյորերը: Նրա օգնությամբ առաջին անգամ ստացվել են ատոմային թույլտվություն ունեցող մակերեսների իրական պատկերներ, մասնավորապես՝ 7x7 ռեկոնստրուկցիա սիլիկոնային մակերեսի վրա (նկ. 2)։

Նկ. 3 միաբյուրեղ սիլիցիումի մակերեսի STM պատկերը: Վերակառուցում 7 x 7

Ներկայումս հայտնի բոլոր SPM մեթոդները կարելի է բաժանել երեք հիմնական խմբի.

- սկանավորող թունելային մանրադիտակ; STM-ն որպես զոնդ օգտագործում է սուր հաղորդիչ ասեղ

Եթե ​​ծայրի և նմուշի միջև կիրառվում է շեղման լարում, ապա երբ ասեղի ծայրը մոտենում է նմուշին մոտ 1 նմ հեռավորության վրա, դրանց միջև առաջանում է թունելային հոսանք, որի մեծությունը կախված է ասեղ-նմուշի հեռավորությունից, և ուղղությունը լարման բևեռականության վրա (նկ. 4): Քանի որ ասեղի ծայրը հեռանում է ուսումնասիրվող մակերեսից, թունելային հոսանքը նվազում է, և երբ մոտենում է, այն մեծանում է: Այսպիսով, օգտագործելով թունելային հոսանքի տվյալները մակերեսային կետերի որոշակի հավաքածուում, հնարավոր է կառուցել մակերեսի տեղագրության պատկերը:

Նկ. 4 Թունելի հոսանքի առաջացման դիագրամ:

- ատոմային ուժի մանրադիտակ; այն արձանագրում է կետից կետ ասեղի մակերեսին ձգող ուժի փոփոխությունները: Ասեղը գտնվում է հենակետային ճառագայթի վերջում, որն ունի հայտնի կոշտություն և ունակ է թեքվել վան դեր Վալսյան փոքր ուժերի ազդեցության տակ, որոնք առաջանում են ուսումնասիրվող մակերեսի և ծայրի ծայրի միջև: Կանտի դեֆորմացիան գրանցվում է լազերային ճառագայթի շեղումով, որը դիպչում է նրա հետևի մակերևույթին կամ օգտագործելով պիեզորեզիստիվ էֆեկտը, որն առաջանում է հենց հենարանի մեջ ճկման ժամանակ.

- մոտ դաշտային օպտիկական մանրադիտակ; դրա մեջ զոնդը օպտիկական ալիքատար է (մանրաթել), որը վերջում դեպի նմուշը երևում է դեպի լույսի ալիքի երկարությունից պակաս տրամագծով: Այս դեպքում լույսի ալիքը չի թողնում ալիքատարը երկար հեռավորության վրա, այլ միայն մի փոքր «դուրս է գալիս» նրա ծայրից: Ալիքատարի մյուս ծայրում տեղադրված են լազերային և ազատ ծայրից արտացոլված լույսի ընդունիչ։ Ուսումնասիրվող մակերեսի և զոնդի ծայրի միջև փոքր հեռավորության վրա փոխվում է արտացոլված լույսի ալիքի ամպլիտուդը և փուլը, որը ծառայում է որպես ազդանշան, որն օգտագործվում է մակերեսի եռաչափ պատկեր ստեղծելու համար:

Կախված թունելային հոսանքից կամ ասեղի և մակերեսի միջև եղած հեռավորությունից, հնարավոր է սկանավորող թունելային մանրադիտակի աշխատանքի երկու եղանակ: Մշտական ​​բարձրության ռեժիմում ասեղի ծայրը հորիզոնական հարթությամբ շարժվում է նմուշի վերևում, և թունելային հոսանքը տատանվում է կախված նրանից հեռավորությունից (նկ. 5ա): Տեղեկատվական ազդանշանն այս դեպքում թունելային հոսանքի մեծությունն է, որը չափվում է նմուշի մակերեսի յուրաքանչյուր սկանավորման կետում: Թունելի հոսանքի ստացված արժեքների հիման վրա կառուցվում է տեղագրության պատկերը։

Բրինձ. 5. STM շահագործման դիագրամ՝ ա - հաստատուն բարձրության ռեժիմում; բ - ուղղակի ընթացիկ ռեժիմում

Մշտական ​​հոսանքի ռեժիմում մանրադիտակի հետադարձ կապի համակարգը ապահովում է թունելային մշտական ​​հոսանք՝ կարգավորելով ասեղ-նմուշի հեռավորությունը յուրաքանչյուր սկանավորման կետում (նկ. 5b): Այն վերահսկում է թունելի հոսանքի փոփոխությունները և վերահսկում է սկանավորող սարքի վրա կիրառվող լարումը, որպեսզի փոխհատուցի այդ փոփոխությունները: Այլ կերպ ասած, երբ հոսանքը մեծանում է, հետադարձ համակարգը հեռացնում է զոնդը նմուշից, իսկ երբ այն նվազում է, այն մոտեցնում է: Այս ռեժիմում պատկերը կառուցվում է սկանավորող սարքի ուղղահայաց շարժումների մեծության տվյալների հիման վրա:

Երկու ռեժիմներն էլ ունեն իրենց առավելություններն ու թերությունները: Մշտական ​​բարձրության ռեժիմը ապահովում է ավելի արագ արդյունքներ, բայց միայն համեմատաբար հարթ մակերեսների համար: Մշտական ​​ընթացիկ ռեժիմում անկանոն մակերեսները կարող են չափվել բարձր ճշգրտությամբ, սակայն չափումները ավելի երկար են տևում:

Ունենալով բարձր զգայունություն՝ սկանավորող թունելային մանրադիտակները մարդկությանը հնարավորություն են տվել տեսնելու հաղորդիչների և կիսահաղորդիչների ատոմները։ Բայց դիզայնի սահմանափակումների պատճառով անհնար է պատկերել ոչ հաղորդիչ նյութերը STM-ի միջոցով: Բացի այդ, թունելային մանրադիտակի բարձրորակ աշխատանքի համար անհրաժեշտ է կատարել մի շարք խիստ պայմաններ, մասնավորապես՝ աշխատել վակուումում և հատուկ նմուշի պատրաստում։ Այսպիսով, թեև չի կարելի ասել, որ Binnig-ի և Röhrer-ի առաջին նրբաբլիթը գնդիկավոր էր, արտադրանքը մի փոքր հում է:

Անցավ հինգ տարի, և Գերհարդ Բինինգը Կալվին Քուեյթի և Քրիստոֆեր Գերբերի հետ միասին հայտնագործեցին մանրադիտակի նոր տեսակ, որը նրանք անվանեցին ատոմային ուժի մանրադիտակ (AFM), որի համար նույն 1986 թ. G. Binnig-ը և H. Röhrer-ը արժանացել են ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի: Նոր մանրադիտակը հնարավորություն տվեց հաղթահարել իր նախորդի սահմանափակումները։ Օգտվելով AFM-ից՝ հնարավոր է պատկերել ինչպես հաղորդող, այնպես էլ ոչ հաղորդիչ նյութերի մակերեսը ատոմային լուծաչափով և մթնոլորտային պայմաններում: Ատոմային ուժային մանրադիտակների լրացուցիչ առավելությունը մակերևույթների տեղագրությունը չափելու հետ մեկտեղ դրանց էլեկտրական, մագնիսական, առաձգական և այլ հատկությունները պատկերացնելու ունակությունն է:

Ատոմային ուժային մանրադիտակ (AFM), դրա կառուցվածքը և գործողության սկզբունքը

ACM-ի ամենակարեւոր բաղադրիչը (Ատոմային ուժի մանրադիտակ)սկանավորող զոնդերն են՝ հենարանները, մանրադիտակի հատկությունները ուղղակիորեն կախված են հենարանի հատկություններից։

Կանթեղը ճկուն ճառագայթ է (175x40x4 մկմ - միջին տվյալներ) որոշակի կոշտության գործակցով: կ(10-3 – 10 Ն/մ), որի վերջում կա միկրոասեղ (նկ. 1): Կռության շառավիղի փոփոխության միջակայք ՌԱսեղի ծայրը փոխվել է AFM-ի զարգացման հետ 100-ից 5 նմ: Ակնհայտորեն՝ նվազումով ՌՄանրադիտակը թույլ է տալիս ավելի բարձր լուծաչափով պատկերներ: Ասեղի ծայրի անկյունը ա- նաև զոնդի կարևոր հատկանիշ, որից կախված է պատկերի որակը: ատարբեր հենարաններում այն ​​տատանվում է 200-ից մինչև 700, դժվար չէ ենթադրել, որ ավելի փոքր ա, այնքան բարձր է ստացված պատկերի որակը։

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

հետևաբար՝ ավելացնել w0 Կանտի երկարությունը (որից կախված է կոշտության գործակիցը) մի քանի միկրոնների կարգի է, իսկ զանգվածը չի գերազանցում 10-10 կգ-ը։ Տարբեր հենարանների ռեզոնանսային հաճախականությունները տատանվում են 8-ից մինչև 420 կՀց:

AFM-ի միջոցով սկանավորման մեթոդը հետևյալն է (Նկար 2) : զոնդի ասեղը գտնվում է նմուշի մակերևույթից վեր, մինչդեռ զոնդը շարժվում է նմուշի համեմատ, ինչպես հեռուստացույցի կաթոդային խողովակի ճառագայթը (տող առ տող սկանավորում): Լազերային ճառագայթը, որն ուղղված է զոնդի մակերեսին (որը թեքվում է նմուշի լանդշաֆտի համաձայն) արտացոլվում է և հարվածում ֆոտոդետեկտորին, որն արձանագրում է ճառագայթի շեղումները։ Այս դեպքում սկանավորման ժամանակ ասեղի շեղումը պայմանավորված է նմուշի մակերեսի միջատոմային փոխազդեցությամբ նրա ծայրի հետ: Օգտագործելով ֆոտոդետեկտորային ազդանշանների համակարգչային մշակումը, հնարավոր է ստանալ ուսումնասիրվող նմուշի մակերեսի եռաչափ պատկերներ։

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Բրինձ. 8. Միջատոմային փոխազդեցության ուժի կախվածությունը ծայրի և նմուշի միջև եղած հեռավորությունից

Զոնդի և մակերեսի փոխազդեցության ուժերը բաժանվում են կարճ և երկար հեռահարության։ Կարճ հեռահարության ուժերը առաջանում են 1-10 Ա կարգի հեռավորության վրա, երբ ասեղի ծայրի և մակերեսի ատոմների էլեկտրոնային թաղանթները համընկնում են արագորեն մեծացող հեռավորության հետ: Ասեղի ծայրի միայն մի քանի ատոմներ (սահմանային մեկում) մակերևութային ատոմների հետ փոխազդեցության մեջ են մտնում: Այս տեսակի ուժի կիրառմամբ մակերեսը պատկերելիս AFM-ն աշխատում է շփման ռեժիմում:

Գոյություն ունի կոնտակտային սկանավորման ռեժիմ, երբ զոնդի սլաքը դիպչում է նմուշի մակերեսին, ընդհատվող ռեժիմ՝ սկանավորման ժամանակ զոնդը պարբերաբար դիպչում է նմուշի մակերեսին, և ոչ կոնտակտային ռեժիմ, երբ զոնդը սկանավորվածից մի քանի նանոմետր է։ մակերեսը (վերջին սկանավորման ռեժիմը հազվադեպ է օգտագործվում, քանի որ զոնդի և նմուշի միջև փոխազդեցության ուժերը գործնականում դժվար է ֆիքսել):

Մասնավոր պիտակի հնարավորությունները

STM-ին սովորեցրել են ոչ միայն տարբերակել առանձին ատոմները, այլև որոշել դրանց ձևը։
Շատերը դեռ լիովին չեն գիտակցել այն փաստը, որ սկանավորող թունելային մանրադիտակները (STM) ի վիճակի են ճանաչել առանձին ատոմներ, երբ հաջորդ քայլն արդեն արված է. այժմ հնարավոր է դարձել նույնիսկ որոշել. ձևերըառանձին ատոմի իրական տարածության մեջ (ավելի ճիշտ՝ ատոմային միջուկի շուրջ էլեկտրոնային խտության բաշխման ձևը)։

Մերձադաշտային օպտիկական մանրադիտակ, դրա կառուցվածքը և աշխատանքի սկզբունքը

Մոտ դաշտային օպտիկական մանրադիտակ; դրա մեջ զոնդը օպտիկական ալիքատար է (մանրաթել), որը վերջում դեպի նմուշը երևում է դեպի լույսի ալիքի երկարությունից պակաս տրամագծով: Այս դեպքում լույսի ալիքը չի թողնում ալիքատարը երկար հեռավորության վրա, այլ միայն մի փոքր «դուրս է գալիս» նրա ծայրից: Ալիքատարի մյուս ծայրում տեղադրված են լազերային և ազատ ծայրից արտացոլված լույսի ընդունիչ։ Ուսումնասիրվող մակերեսի և զոնդի ծայրի միջև փոքր հեռավորության վրա փոխվում է արտացոլված լույսի ալիքի ամպլիտուդը և փուլը, որը ծառայում է որպես ազդանշան, որն օգտագործվում է մակերեսի եռաչափ պատկեր ստեղծելու համար:

Եթե ​​լույսը ստիպեք անցնել 50-100 նմ տրամագծով դիֆրագմայի միջով և այն մոտեցնել ուսումնասիրվող նմուշի մակերեսին մի քանի տասնյակ նանոմետր հեռավորության վրա, ապա այդ «» կետը մակերևույթի երկայնքով տեղափոխելով. մատնանշելու համար (և ունենալով բավականաչափ զգայուն դետեկտոր), դուք կարող եք ուսումնասիրել այս նմուշի օպտիկական հատկությունները անցքի չափին համապատասխան տեղական տարածքում:

Հենց այսպես է աշխատում մոտակա դաշտային օպտիկական մանրադիտակը (SNOM): Փոսի դերը (ենթաալիքի երկարության դիֆրագմը) սովորաբար կատարում է օպտիկական մանրաթել, որի մի ծայրը մատնանշված է և ծածկված մետաղի բարակ շերտով, ամենուր, բացառությամբ ծայրի ծայրին գտնվող փոքր հատվածի (տրամագիծը « փոշուց զերծ» տարածքն ընդամենը 50-100 նմ է): Մյուս ծայրից լազերային լույսը մտնում է այդպիսի մանրաթել։

Դեկտեմբեր 2005." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">2005 թվականի դեկտեմբեր և հանդիսանում է Ռուսաստանի պետական ​​համալսարանի ֆիզիկայի ֆակուլտետի նանոտեխնոլոգիայի ամբիոնի հիմնական լաբորատորիաներից մեկը: Լաբորատորիան ունի 4 հավաքածու NanoEducator սկանավորող զոնդ մանրադիտակներ, որոնք հատուկ մշակվել են NT-MDT ընկերության կողմից (Զելենոգրադ, Ռուսաստան) լաբորատոր աշխատանքների համար... Սարքերը ուղղված են ուսանողական լսարանի համար. դրանք ամբողջությամբ կառավարվում են համակարգչի միջոցով, ունեն պարզ և ինտուիտիվ ինտերֆեյս, անիմացիոն աջակցություն: , և ներառում է տեխնիկայի քայլ առ քայլ մշակում:

Նկ. 10 Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի լաբորատորիա

Սկանավորող զոնդային մանրադիտակի մշակումը հիմք հանդիսացավ նանոտեխնոլոգիայի նոր ուղղության՝ զոնդային նանոտեխնոլոգիայի զարգացման համար։

գրականություն

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space // Ֆիզ. Վեր. Լեթ. 1983. Հատ. 50, No 2. P. 120-123. Այս հայտնի հրապարակումը սկիզբ դրեց մասնավոր պիտակավորման դարաշրջանին:

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

3. http://ru. վիքիպեդիա. օրգ

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

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

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

Առաջին սարքերը, որոնք հնարավորություն են տվել դիտարկել նանոօբյեկտները և դրանք տեղափոխել, սկանավոր զոնդային մանրադիտակներն են՝ ատոմային ուժի մանրադիտակ և սկանավոր թունելային մանրադիտակ, որը գործում է նմանատիպ սկզբունքով: Ատոմային ուժի մանրադիտակը (AFM) մշակվել է Գ. Բինինգի և Գ. Ռոհերի կողմից, ովքեր այս հետազոտության համար Նոբելյան մրցանակ են ստացել 1986 թվականին։ Ատոմային ուժային մանրադիտակի ստեղծումը, որը կարող է զգալ ձգողականության և վանման ուժերը, որոնք առաջանում են առանձին ատոմների միջև, հնարավորություն է տվել վերջապես «դիպչել և տեսնել» նանոօբյեկտներին:

Նկար 9. Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի շահագործման սկզբունքը (վերցված է http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html# կայքից): Կետավոր գիծը ցույց է տալիս լազերային ճառագայթի ուղին: Այլ բացատրություններ կան տեքստում։

AFM-ի հիմքը (տե՛ս նկ. 9) զոնդն է, որը սովորաբար պատրաստված է սիլիցիումից և ներկայացնում է բարակ հենարանային թիթեղ (այն կոչվում է կոնսեր, անգլերեն «cantilever» բառից՝ մխիթարել, ճառագայթ): Կանտի վերջում (երկարությունը » 500 մկմ, լայնությունը » 50 մկմ, հաստությունը » 1 մկմ) կա շատ սուր ցցիկ (երկարությունը » 10 մկմ, կորության շառավիղը 1-ից 10 նմ), վերջանում է մեկ խմբով։ կամ ավելի շատ ատոմներ (տես նկ. 10):

Նկար 10. Նույն զոնդի էլեկտրոնային միկրոլուսանկարները արված են ցածր (վերևում) և մեծ խոշորացումով:

Երբ միկրոզոնդը շարժվում է նմուշի մակերևույթի երկայնքով, հասկի ծայրը բարձրանում և իջնում ​​է՝ ուրվագծելով մակերեսի միկրոռելիեֆը, ճիշտ այնպես, ինչպես գրամոֆոնի ստիլուսը սահում է գրամոֆոնի ձայնագրության երկայնքով: Կանտի ցցված ծայրում (հասկի վերևում, տե՛ս նկ. 9) կա հայելային հատված, որի վրա ընկնում և արտացոլվում է լազերային ճառագայթը: Երբ հասկը իջնում ​​և բարձրանում է մակերևույթի անկանոնությունների վրա, արտացոլված ճառագայթը շեղվում է, և այս շեղումը գրանցվում է ֆոտոդետեկտորի միջոցով, և այն ուժը, որով հասկը ձգվում է դեպի մոտակա ատոմները, գրանցվում է պիեզոէլեկտրական սենսորով:

Ֆոտոդետեկտորից և պիեզոէլեկտրական սենսորից ստացված տվյալները օգտագործվում են հետադարձ կապի համակարգում, որը կարող է ապահովել, օրինակ, միկրոզոնդի և նմուշի մակերեսի միջև փոխազդեցության ուժի մշտական ​​արժեքը: Արդյունքում հնարավոր է իրական ժամանակում կառուցել նմուշի մակերեսի ծավալային ռելիեֆը: AFM մեթոդի լուծումը մոտավորապես 0,1-1 նմ է հորիզոնական և 0,01 նմ ուղղահայաց: Էշերիխիա կոլի բակտերիաների պատկերը, որը ստացվել է սկանավոր զոնդի մանրադիտակի միջոցով, ներկայացված է Նկ. տասնմեկ.

Նկար 11. Escherichia coli բակտերիա ( Էշերիխիա կոլի) Պատկերը ստացվել է սկանավոր զոնդ մանրադիտակի միջոցով: Մանրէի երկարությունը 1,9 միկրոն է, լայնությունը՝ 1 միկրոն։ Դրոշակների և թարթիչների հաստությունը համապատասխանաբար 30 նմ և 20 նմ է։

Սկանավորող զոնդային մանրադիտակների մեկ այլ խումբ օգտագործում է այսպես կոչված քվանտային մեխանիկական «թունելի էֆեկտը»՝ մակերեսային ռելիեֆ կառուցելու համար: Թունելի էֆեկտի էությունն այն է, որ էլեկտրական հոսանքը սուր մետաղական ասեղի և մոտ 1 նմ հեռավորության վրա գտնվող մակերեսի միջև սկսում է կախված լինել այս հեռավորությունից. որքան փոքր է հեռավորությունը, այնքան մեծ է հոսանքը: Եթե ​​ասեղի և մակերեսի միջև կիրառվում է 10 Վ լարում, ապա այս «թունելի» հոսանքը կարող է տատանվել 10 պԱ-ից մինչև 10 նԱ: Չափելով այս հոսանքը և պահպանելով այն անփոփոխ՝ ասեղի և մակերեսի միջև հեռավորությունը նույնպես կարելի է մշտական ​​պահել։ Սա թույլ է տալիս կառուցել մակերեսի ծավալային պրոֆիլ (տես նկ. 12): Ի տարբերություն ատոմային ուժային մանրադիտակի, սկանավորող թունելային մանրադիտակը կարող է ուսումնասիրել միայն մետաղների կամ կիսահաղորդիչների մակերեսները:

Նկար 12. Սկանավորող թունելային մանրադիտակի ասեղը, որը գտնվում է հետազոտվող մակերեսի ատոմների շերտերից բարձր մշտական ​​հեռավորության վրա (տես սլաքները):

Սկանավորող թունելային մանրադիտակը կարող է օգտագործվել նաև ատոմը օպերատորի կողմից ընտրված կետ տեղափոխելու համար: Օրինակ, եթե մանրադիտակի ասեղի և նմուշի մակերևույթի միջև լարումը մի փոքր ավելի բարձր է, քան անհրաժեշտ է այս մակերեսը ուսումնասիրելու համար, ապա դրան ամենամոտ գտնվող նմուշի ատոմը վերածվում է իոնի և «ցատկում» դեպի ասեղը: Դրանից հետո, ասեղը մի փոքր շարժելով և լարումը փոխելով, կարող եք ստիպել փախած ատոմին հետ «ցատկել» նմուշի մակերեսին: Այս կերպ հնարավոր է շահարկել ատոմները և ստեղծել նանոկառուցվածքներ, այսինքն. մակերեսի վրա գտնվող կառույցներ՝ նանոմետրի կարգի չափերով։ Դեռևս 1990թ.-ին IBM-ի աշխատակիցները ցույց տվեցին, որ դա հնարավոր է` համատեղելով իրենց ընկերության անվանումը նիկելի ափսեի վրա 35 քսենոնի ատոմներից (տե՛ս նկ. 13):

Նկար 13. IBM ընկերության անվանումը, որը կազմված է նիկելի ափսեի վրա գտնվող 35 քսենոնի ատոմներից, որը պատրաստվել է այս ընկերության աշխատակիցների կողմից 1990 թ.

Օգտագործելով զոնդային մանրադիտակ, դուք կարող եք ոչ միայն տեղափոխել ատոմները, այլև ստեղծել նախադրյալներ դրանց ինքնակազմակերպման համար: Օրինակ, եթե մետաղական ափսեի վրա կա թիոլի իոններ պարունակող ջրի մի կաթիլ, ապա մանրադիտակի զոնդը կօգնի այս մոլեկուլներին կողմնորոշել այնպես, որ նրանց երկու ածխաջրածնային պոչերը նայեն թիթեղից հեռու: Արդյունքում, հնարավոր է կառուցել թիոլի մոլեկուլների միաշերտ, որը կպչում է մետաղական թիթեղին (տես նկ. 14): Մետաղական մակերեսի վրա մոլեկուլների միաշերտ ստեղծելու այս մեթոդը կոչվում է «գրիչ նանոլիտոգրաֆիա»։

Նկար 14. Վերևի ձախ կողմում – մետաղյա ափսեի վերևում գտնվող սկանավոր զոնդի մանրադիտակի հենարան (պողպատե մոխրագույն): Աջ կողմում մեծացված տեսարանն է այն տարածքի (ձախ նկարում ուրվագծված է սպիտակով) կոնսերտի ծայրի տակ, որը սխեմատիկորեն ցույց է տալիս թիոլի մոլեկուլները՝ մանուշակագույն ածխաջրածնային պոչերով, որոնք դասավորված են միաշերտով զոնդի ծայրին: Adapted from Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

7. Կենսաբանական օբյեկտների ուսումնասիրության համար սկանավորող զոնդի մանրադիտակի օգտագործումը

7. Սկանավորող զոնդ մանրադիտակի կիրառում կենսաբանական օբյեկտների ուսումնասիրության համար 1

7.1. Աշխատանքի նպատակները 2

7.2. Տեղեկություններ ուսուցչի մասին 3

7.4. Ուղեցույց 31

7.5. Անվտանգություն 32

7.6. Առաջադրանք 32

7.7. Թեստային հարցեր 32

7.8. Գրականություն 32

Լաբորատոր աշխատանքը մշակվել է Նիժնի Նովգորոդի պետական ​​համալսարանի կողմից։ Ն.Ի. Լոբաչևսկին

7.1.Աշխատանքի նպատակները

Կենսաբանական կառուցվածքների մորֆոլոգիական պարամետրերի ուսումնասիրությունը կենսաբանների համար կարևոր խնդիր է, քանի որ որոշ կառույցների չափն ու ձևը մեծապես որոշում են դրանց ֆիզիոլոգիական հատկությունները: Մորֆոլոգիական տվյալները ֆունկցիոնալ բնութագրերի հետ համեմատելով՝ կարելի է համապարփակ տեղեկատվություն ստանալ կենդանի բջիջների մասնակցության մասին մարդու կամ կենդանու մարմնի ֆիզիոլոգիական հավասարակշռության պահպանմանը։

Նախկինում կենսաբաններն ու բժիշկները հնարավորություն ունեին ուսումնասիրել իրենց պատրաստուկները միայն օպտիկական և էլեկտրոնային մանրադիտակների միջոցով։ Այս ուսումնասիրությունները որոշակի պատկերացում տվեցին ֆիքսված, ներկված և բարակ մետաղական ծածկույթներով պատված բջիջների մորֆոլոգիայի վերաբերյալ, որոնք առաջացել են ցողման արդյունքում: Կենդանի առարկաների մորֆոլոգիան և դրա փոփոխությունները հնարավոր չէր ուսումնասիրել տարբեր գործոնների ազդեցության տակ, բայց դա շատ գայթակղիչ էր։

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակը (SPM) նոր հնարավորություններ է բացել բջիջների, բակտերիաների, կենսաբանական մոլեկուլների և ԴՆԹ-ի ուսումնասիրության մեջ՝ հնարավորինս մոտ հայրենի պայմաններին: SPM-ը թույլ է տալիս ուսումնասիրել կենսաբանական առարկաները՝ առանց հատուկ ամրացնող նյութերի և ներկանյութերի, օդում կամ նույնիսկ հեղուկ միջավայրում:

Ներկայումս SPM-ն օգտագործվում է տարբեր առարկաների մեջ՝ ինչպես հիմնարար գիտական ​​հետազոտությունների, այնպես էլ կիրառական բարձր տեխնոլոգիական զարգացումների մեջ: Երկրի բազմաթիվ գիտահետազոտական ​​ինստիտուտներ հագեցած են զոնդային մանրադիտակի սարքավորումներով: Այս առումով բարձր որակավորում ունեցող մասնագետների պահանջարկը մշտապես աճում է։ Այս պահանջը բավարարելու համար NT-MDT ընկերությունը (Զելենոգրադ, Ռուսաստան) մշակել է մասնագիտացված կրթական և գիտական ​​լաբորատորիա սկանավորման մանրադիտակի համար: Նանոդաստիարակ.

SPM NanoEducatorհատուկ նախագծված ուսանողների լաբորատոր աշխատանքի համար: Այս սարքը ուղղված է ուսանողական լսարանին. այն ամբողջությամբ կառավարվում է համակարգչի միջոցով, ունի պարզ և ինտուիտիվ ինտերֆեյս, անիմացիոն աջակցություն, ներառում է տեխնիկայի քայլ առ քայլ մշակում, բարդ պարամետրերի և էժան ծախսվող նյութերի բացակայություն:

Այս լաբորատոր աշխատանքում դուք կսովորեք սկանավորող զոնդային մանրադիտակի մասին, կծանոթանաք դրա հիմունքներին, կուսումնասիրեք ուսումնական հաստատության դիզայնը և աշխատանքի սկզբունքները։ SPM NanoEducator, սովորեք պատրաստել կենսաբանական պատրաստուկներ հետազոտության համար, ձեռք բերեք կաթնաթթվային բակտերիաների համալիրի ձեր առաջին SPM պատկերը և սովորեք մշակման և չափումների արդյունքների ներկայացման հիմունքները:

7.2.Տեղեկություն ուսուցչի համար 1

Լաբորատոր աշխատանքն իրականացվում է մի քանի փուլով.

1. Նմուշի պատրաստումը կատարվում է յուրաքանչյուր սովորողի կողմից առանձին:

2. Առաջին պատկերը ստացվում է մեկ սարքի վրա՝ ուսուցչի հսկողությամբ, ապա յուրաքանչյուր աշակերտ ինքնուրույն զննում է իր նմուշը։

3. Փորձարարական տվյալները յուրաքանչյուր աշակերտի կողմից մշակվում են անհատապես:

Հետազոտության նմուշ. կաթնաթթվային բակտերիաներ ծածկույթի ապակու վրա:

Աշխատանքն սկսելուց առաջ անհրաժեշտ է ընտրել ամպլիտուդա-հաճախականության առավել բնորոշ բնութագրիչով զոնդ (մեկ սիմետրիկ առավելագույն) և ստանալ ուսումնասիրվող նմուշի մակերեսի պատկերը։

Լաբորատոր հաշվետվությունը պետք է ներառի.

1. տեսական մաս (վերահսկիչ հարցերի պատասխաններ).

2. փորձարարական մասի արդյունքներ (կատարված հետազոտության նկարագրությունը, ստացված արդյունքները և արված եզրակացությունները).

1. Կենսաբանական օբյեկտների մորֆոլոգիայի ուսումնասիրության մեթոդներ.

2. Սկանավորման զոնդ մանրադիտակ.

SPM դիզայն;

SPM-ի տեսակները՝ STM, AFM;

SPM տվյալների ձևաչափ, SPM տվյալների վիզուալիզացիա:

3. Նմուշների պատրաստում SPM ուսումնասիրությունների համար.

բակտերիալ բջիջների մորֆոլոգիա և կառուցվածք;

SPM-ի օգտագործմամբ մորֆոլոգիան ուսումնասիրելու համար պատրաստուկների պատրաստում:

4. Ծանոթացում NanoEducator SPM-ի նախագծման և վերահսկման ծրագրին:

5. SPM պատկերի ստացում:

6. Ստացված պատկերների մշակում և վերլուծություն. SPM պատկերների քանակական բնութագրում:

Կենսաբանական օբյեկտների մորֆոլոգիայի ուսումնասիրության մեթոդներ

Բջիջների բնորոշ տրամագիծը 10  20 մկմ է, բակտերիաները՝ 0,5-ից 3  5 մկմ, այս արժեքները 5 անգամ փոքր են, քան անզեն աչքով տեսանելի ամենափոքր մասնիկը։ Հետեւաբար, բջիջների առաջին ուսումնասիրությունը հնարավոր դարձավ միայն օպտիկական մանրադիտակների հայտնվելուց հետո: 17-րդ դարի վերջին։ Անտոնիո վան Լեուվենհուկը ստեղծել է առաջին օպտիկական մանրադիտակը, մինչ այդ մարդիկ նույնիսկ չէին էլ կասկածում պաթոգեն միկրոբների և բակտերիաների գոյության մասին [Lit. 7 -1]։

Օպտիկական մանրադիտակ

Բջիջների ուսումնասիրման դժվարությունները պայմանավորված են նրանով, որ դրանք անգույն են և թափանցիկ, ուստի դրանց հիմնական կառուցվածքների բացահայտումը տեղի է ունեցել միայն ներկանյութերի գործնականում ներմուծումից հետո: Ներկանյութերն ապահովում էին պատկերի բավարար հակադրություն: Օպտիկական մանրադիտակի միջոցով դուք կարող եք տարբերակել առարկաները, որոնք գտնվում են միմյանցից 0,2 մկմ հեռավորության վրա, այսինքն. Ամենափոքր առարկաները, որոնք դեռ կարելի է տարբերակել օպտիկական մանրադիտակով, բակտերիաներն ու միտոքոնդրիաներն են: Ավելի փոքր բջիջների տարրերի պատկերները խեղաթյուրվում են լույսի ալիքային բնույթի հետևանքով առաջացած ազդեցություններից:

Երկարատև պատրաստուկներ պատրաստելու համար բջիջները մշակվում են ամրացնող նյութով՝ դրանք անշարժացնելու և պահպանելու համար։ Բացի այդ, ֆիքսացիան մեծացնում է բջիջների հասանելիությունը ներկերի նկատմամբ, քանի որ Բջջային մակրոմոլեկուլները միմյանց պահում են խաչաձեւ կապերով, որոնք կայունացնում և ամրացնում են դրանք որոշակի դիրքում։ Ամենից հաճախ, ալդեհիդները և սպիրտները գործում են որպես ֆիքսատորներ (օրինակ, գլյուտարալդեհիդը կամ ֆորմալդեհիդը ձևավորում են կովալենտային կապեր սպիտակուցների ազատ ամինո խմբերի և խաչաձև կապող հարևան մոլեկուլների հետ): Երբ ամրացվում է, հյուսվածքը սովորաբար կտրում են շատ բարակ հատվածների (1-ից 10 մկմ հաստությամբ) միկրոտոմի միջոցով, որոնք այնուհետև տեղադրվում են ապակե սլայդի վրա: Պատրաստման այս մեթոդը կարող է վնասել բջիջների կամ մակրոմոլեկուլների կառուցվածքը, ուստի արագ սառեցումը նախընտրելի մեթոդ է։ Սառեցված հյուսվածքը կտրված է սառը խցիկում տեղադրված միկրոտոմի միջոցով: Բաժինները պատրաստելուց հետո բջիջները ներկվում են: Այդ նպատակով հիմնականում օգտագործվում են օրգանական ներկանյութեր (մալաքիտ կանաչ, սև սուդան և այլն)։ Նրանցից յուրաքանչյուրը բնութագրվում է որոշակի կապակցությամբ բջջային բաղադրիչների նկատմամբ, օրինակ, հեմատոքսիլինը կապված է բացասական լիցքավորված մոլեկուլների հետ, և, հետևաբար, հնարավորություն է տալիս հայտնաբերել ԴՆԹ-ն բջիջներում: Եթե ​​որոշակի մոլեկուլ կա բջջում փոքր քանակությամբ, ապա առավել հարմար է օգտագործել ֆլուորեսցենտային մանրադիտակը:

Լյումինեսցենտային մանրադիտակ

Լյումինեսցենտային ներկերը կլանում են մեկ ալիքի լույսը և արձակում մեկ այլ, ավելի երկար ալիքի լույս: Եթե ​​այդպիսի նյութը ճառագայթվում է լույսով, որի ալիքի երկարությունը համընկնում է ներկի կողմից ներծծված լույսի ալիքի երկարության հետ, և ապա վերլուծության համար օգտագործվում է ֆիլտր, որը լույս է փոխանցում ներկի արձակած լույսին համապատասխանող ալիքի երկարությամբ, ապա լյումինեսցենտային մոլեկուլը կարող է հայտնաբերվել։ շողալով մութ դաշտում: Արտանետվող լույսի բարձր ինտենսիվությունը նման մոլեկուլների բնորոշ հատկանիշն է։ Բջիջները ներկելու համար լյումինեսցենտային ներկերի օգտագործումը ներառում է հատուկ լյումինեսցենտային մանրադիտակի օգտագործումը: Այս մանրադիտակը նման է սովորական օպտիկական մանրադիտակի, բայց հզոր լուսավորիչի լույսն անցնում է երկու ֆիլտրերի միջով, որոնցից մեկը դադարեցնում է լուսատուի ճառագայթման մի մասը: նմուշի դիմացը, իսկ մյուսը՝ նմուշից ստացված լույսը զտելու համար: Առաջին ֆիլտրը ընտրված է այնպես, որ այն փոխանցի միայն ալիքի երկարության լույսը, որը գրգռում է որոշակի լյումինեսցենտ ներկ; Միևնույն ժամանակ, երկրորդ զտիչը արգելափակում է այս ընկնող լույսը և փոխանցում ներկի ալիքի երկարության լույսը, երբ այն ֆլուորեսցվում է:

Ֆլյուորեսցենտային մանրադիտակը հաճախ օգտագործվում է հատուկ սպիտակուցներ կամ այլ մոլեկուլներ հայտնաբերելու համար, որոնք լյումինեսցենտ են դառնում լյումինեսցենտ ներկերի հետ կովալենտային կապակցվելուց հետո: Այդ նպատակով սովորաբար օգտագործվում են երկու ներկ. ֆլուորեսցեին,որը առաջացնում է ինտենսիվ դեղնականաչ լյումինեսցենտ՝ բաց կապույտ լույսով գրգռվելիս, և ռոդամին,դեղին-կանաչ լույսով գրգռվելուց հետո առաջացնելով մուգ կարմիր ֆլյուորեսցենտ: Գունավորման համար օգտագործելով և՛ ֆլուորեսցինը, և՛ ռոդամինը, հնարավոր է ստանալ տարբեր մոլեկուլների բաշխում:

Մութ դաշտի մանրադիտակ

Բջջի կառուցվածքի մանրամասները տեսնելու ամենահեշտ ձևը բջջի տարբեր բաղադրիչների կողմից ցրված լույսի դիտումն է: Մութ դաշտի մանրադիտակում լուսավորիչի ճառագայթներն ուղղվում են կողքից, և միայն ցրված ճառագայթները մտնում են մանրադիտակի ոսպնյակ: Համապատասխանաբար, բջիջը նման է մութ դաշտի լուսավորված օբյեկտի: Մութ դաշտային մանրադիտակի հիմնական առավելություններից մեկը բաժանման և միգրացիայի ընթացքում բջիջների շարժը դիտարկելու ունակությունն է: Բջջային շարժումները սովորաբար շատ դանդաղ են և դժվար է դիտարկել իրական ժամանակում: Այս դեպքում օգտագործվում է կադր առ կադր (time-lapse) միկրոնկարահանում կամ տեսանկարահանում։ Հերթական կադրերը ժամանակին բաժանվում են, բայց երբ ձայնագրությունը վերարտադրվում է նորմալ արագությամբ, իրական իրադարձությունների պատկերն արագանում է:

Վերջին տարիներին տեսախցիկները և դրա հետ կապված պատկերների մշակման տեխնոլոգիաները մեծապես ընդլայնել են օպտիկական մանրադիտակի հնարավորությունները: Դրանց կիրառման շնորհիվ հնարավոր եղավ հաղթահարել մարդու ֆիզիոլոգիայի առանձնահատկություններով պայմանավորված դժվարությունները։ Դրանք այն են.

1. Աչքը նորմալ պայմաններում շատ թույլ լույս չի գրանցում։

2. Աչքը չի կարողանում նկատել լույսի ինտենսիվության փոքր տարբերությունները վառ ֆոնի վրա:

Այս խնդիրներից առաջինը հաղթահարվեց մանրադիտակին գերզգայուն տեսախցիկների ավելացումից հետո։ Սա թույլ տվեց երկար ժամանակ դիտել բջիջները ցածր լույսի ներքո՝ վերացնելով պայծառ լույսի երկարատև ազդեցությունը։ Պատկերային համակարգերը հատկապես կարևոր են կենդանի բջիջներում լյումինեսցենտային մոլեկուլների ուսումնասիրման համար: Քանի որ պատկերն արտադրվում է տեսախցիկի կողմից էլեկտրոնային ազդանշանների տեսքով, այն կարող է համապատասխան կերպով վերածվել թվային ազդանշանների, ուղարկվել համակարգիչ և այնուհետև մշակվել՝ թաքնված տեղեկատվությունը հանելու համար:

Համակարգչային միջամտության մանրադիտակով ձեռք բերվող բարձր կոնտրաստը հնարավորություն է տալիս դիտարկել նույնիսկ շատ փոքր առարկաներ, ինչպիսիք են առանձին միկրոխողովակները, որոնց տրամագիծը լույսի ալիքի երկարության մեկ տասներորդից պակաս է (0,025 մկմ): Առանձին միկրոխողովակներ կարելի է տեսնել նաև ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի միջոցով: Այնուամենայնիվ, երկու դեպքում էլ դիֆրակցիոն էֆեկտներն անխուսափելի են՝ մեծապես փոխելով պատկերը։ Այս դեպքում միկրոխողովակների տրամագիծը գերագնահատված է (0,2 մկմ), ինչը անհնար է դարձնում առանձին միկրոխողովակները տարբերել մի քանի միկրոխողովակներից կազմված կապոցից։ Այս խնդիրը լուծելու համար անհրաժեշտ է էլեկտրոնային մանրադիտակ, որի թույլատրելիության սահմանը տեղաշարժված է տեսանելի լույսի ալիքի երկարությունից հեռու։

Էլեկտրոնային մանրադիտակ

Ալիքի երկարության և լուծման սահմանի միջև կապը ճիշտ է նաև էլեկտրոնների համար: Այնուամենայնիվ, էլեկտրոնային մանրադիտակի համար լուծման սահմանը զգալիորեն ցածր է դիֆրակցիոն սահմանից: Էլեկտրոնի ալիքի երկարությունը նվազում է, քանի որ արագությունը մեծանում է: 100000 Վ լարման էլեկտրոնային մանրադիտակում էլեկտրոնային ալիքի երկարությունը 0,004 նմ է։ Ըստ տեսության՝ նման մանրադիտակի թույլտվությունը 0,002 նմ է։ Այնուամենայնիվ, իրականում էլեկտրոնային ոսպնյակների փոքր թվային բացվածքների պատճառով ժամանակակից էլեկտրոնային մանրադիտակների թույլատրելիությունը լավագույն դեպքում 0,1 նմ է: Նմուշի պատրաստման դժվարությունները և ճառագայթային վնասը զգալիորեն նվազեցնում են նորմալ լուծումը, որը կենսաբանական օբյեկտների համար կազմում է 2 նմ (մոտ 100 անգամ ավելի բարձր, քան լուսային մանրադիտակը):

Էլեկտրոնների աղբյուրը փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակ (TEM)կաթոդային թելիկ է, որը գտնվում է մոտ երկու մետր բարձրությամբ գլանաձև սյունակի վերին մասում: Օդի մոլեկուլների հետ բախվելիս էլեկտրոնների ցրումից խուսափելու համար սյունակում վակուում է առաջանում։ Կաթոդի թելից արտանետվող էլեկտրոնները արագանում են մոտակա անոդով և անցնում մի փոքրիկ անցքով՝ ձևավորելով էլեկտրոնային ճառագայթ, որը շարժվում է դեպի սյունակի հատակը։ Սյունակի երկայնքով որոշ հեռավորության վրա կան օղակաձև մագնիսներ, որոնք կենտրոնացնում են էլեկտրոնային ճառագայթը, ինչպես ապակե ոսպնյակները, որոնք կենտրոնացնում են լույսի ճառագայթը օպտիկական մանրադիտակում: Նմուշը տեղադրվում է սյունակի ներսում օդային կողպեքի միջոցով, էլեկտրոնային փնջի ճանապարհին: Նմուշի միջով անցնելու պահին էլեկտրոնների մի մասը ցրվում է տվյալ հատվածում գտնվող նյութի խտությանը համապատասխան, մնացած էլեկտրոնները կենտրոնացած են և ձևավորում են պատկեր (նման է օպտիկական մանրադիտակում պատկերի ձևավորմանը): լուսանկարչական ափսեի կամ ֆոսֆորային էկրանի վրա։

Էլեկտրոնային մանրադիտակի ամենամեծ թերություններից մեկն այն է, որ կենսաբանական նմուշները պետք է հատուկ մշակման ենթարկվեն։ Սկզբում դրանք ամրացվում են նախ գլյուտարալդեհիդով, իսկ հետո՝ օսմաթթվով, որը կապում և կայունացնում է լիպիդների և սպիտակուցների երկշերտը։ Երկրորդ, էլեկտրոնները ցածր թափանցող հզորություն ունեն, ուստի պետք է չափազանց բարակ հատվածներ պատրաստել, և դրա համար նմուշները ջրազրկվում և ներծծվում են խեժերով։ Երրորդ, կոնտրաստը ուժեղացնելու համար նմուշները մշակվում են ծանր մետաղների աղերով, ինչպիսիք են օսմիումը, ուրանը և կապարը:

Մակերեւույթի եռաչափ պատկեր ստանալու համար օգտագործվում է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակ (SEM), որն օգտագործում է նմուշի մակերեսով ցրված կամ արտանետված էլեկտրոններ։ Այս դեպքում նմուշը ամրացվում է, չորանում և պատվում է ծանր մետաղի բարակ թաղանթով, այնուհետև սկանավորում են էլեկտրոնների նեղ փնջով: Այս դեպքում հաշվարկվում է մակերեսի ճառագայթման ժամանակ ցրված էլեկտրոնների թիվը։ Ստացված արժեքն օգտագործվում է երկրորդ ճառագայթի ինտենսիվությունը վերահսկելու համար, որը սինխրոն շարժվում է առաջինի հետ և պատկեր է կազմում մոնիտորի էկրանին։ Մեթոդի թողունակությունը մոտ 10 նմ է և կիրառելի չէ ներբջջային օրգանելների ուսումնասիրության համար։ Այս մեթոդով ուսումնասիրված նմուշների հաստությունը որոշվում է էլեկտրոնների ներթափանցման ունակությամբ կամ դրանց էներգիայով։

Այս բոլոր մեթոդների հիմնական և նշանակալի թերությունները նմուշների պատրաստման տևողությունը, բարդությունն ու բարձր արժեքը են:

Սկանային զոնդի մանրադիտակ

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակում (SPM), էլեկտրոնային ճառագայթի կամ օպտիկական ճառագայթման փոխարեն, նմուշի մակերեսը սկանավորելու համար օգտագործվում է սուր զոնդ՝ ասեղ։ Պատկերավոր ասած՝ կարելի է ասել, որ եթե նմուշը հետազոտվում է օպտիկական կամ էլեկտրոնային մանրադիտակով, ապա SPM-ում այն ​​զգացվում է։ Արդյունքում հնարավոր է դառնում առարկաների եռաչափ պատկերներ ստանալ տարբեր միջավայրերում՝ վակուում, օդ, հեղուկ։

Կենսաբանական հետազոտությունների համար հարմարեցված հատուկ SPM նմուշները թույլ են տալիս միաժամանակյա օպտիկական դիտարկումը սկանավորել ինչպես կենդանի բջիջները տարբեր հեղուկ միջավայրերում, այնպես էլ օդում ֆիքսված պատրաստուկները:

Սկանավորման զոնդ մանրադիտակ

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի անվանումը արտացոլում է դրա գործողության սկզբունքը` նմուշի մակերեսի սկանավորում, որի ընթացքում կատարվում է մակերեսի հետ զոնդի փոխազդեցության աստիճանի կետ առ կետ ընթերցում: Սկանավորման տարածքի չափը և դրա մեջ N X ·N Y կետերի քանակը կարելի է նշել: Որքան շատ կետեր նշված են, այնքան բարձր լուծաչափով է ստացվում մակերեսի պատկերը: Ազդանշանի ընթերցման կետերի միջև հեռավորությունը կոչվում է սկանավորման բարձրություն: Սկանավորման քայլը պետք է ավելի փոքր լինի, քան ուսումնասիրվող մակերեսի մանրամասները: Զոնդը սկանավորման գործընթացում (տե՛ս նկ. 7 -1) շարժվում է գծային առաջ և հակառակ ուղղությամբ (արագ սկանավորման ուղղությամբ), հաջորդ գծին անցումը կատարվում է ուղղահայաց ուղղությամբ (դանդաղ սկանավորման ուղղությամբ): .

Բրինձ. 7 1. Սկանավորման գործընթացի սխեմատիկ ներկայացում
(ազդանշանը կարդացվում է սկաների առաջ շարժման ժամանակ)

Կախված ընթերցվող ազդանշանի բնույթից, սկանավորող մանրադիտակներն ունեն տարբեր անվանումներ և նպատակներ.

ատոմային ուժային մանրադիտակ (AFM), կարդացվում են զոնդի ատոմների և նմուշի ատոմների միջատոմային փոխազդեցության ուժերը.

թունելային մանրադիտակ (STM), ընթերցում է թունելի հոսանքը, որը հոսում է հաղորդիչ նմուշի և հաղորդիչ զոնդի միջև.

մագնիսական ուժի մանրադիտակ (MFM), մագնիսական նյութով պատված զոնդի և մագնիսական հատկություններ հայտնաբերող նմուշի փոխազդեցության ուժերը ընթերցվում են.

Էլեկտրաստատիկ ուժային մանրադիտակը (ESM) թույլ է տալիս ստանալ նմուշի մակերեսի վրա էլեկտրական ներուժի բաշխման պատկերը: Օգտագործվում են զոնդեր, որոնց ծայրը պատված է բարակ հաղորդիչ թաղանթով (ոսկի կամ պլատինե):

SPM դիզայն

SPM-ը բաղկացած է հետևյալ հիմնական բաղադրիչներից (նկ. 7 -2). զոնդ, պիեզոէլեկտրական ակտուատորներ՝ X, Y, Z-ով զոնդը հետազոտվող նմուշի մակերեսով տեղափոխելու համար, հետադարձ կապի միացում և համակարգիչ՝ սկանավորումը վերահսկելու համար: գործընթաց և պատկերի ձեռքբերում:

Նկար 7 2. Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի դիագրամ

Զոնդի սենսոր – ուժային զոնդի մանրադիտակի բաղադրիչ, որը սկանավորում է նմուշը: Զոնդի սենսորը պարունակում է ուղղանկյուն (I-աձև) կամ եռանկյունաձև (V-աձև) տիպի կոնսոլ (նկ. 7 -3), որի վերջում կա սրածայր զոնդ (նկ. 7 -3): , սովորաբար ունենալով կոնաձև կամ բրգաձև ձև: Կանտի մյուս ծայրը միացված է ենթաշերտին (այսպես կոչված չիպով)։ Զոնդի սենսորները պատրաստված են սիլիցիումի կամ սիլիցիումի նիտրիդից: Կանտի հիմնական բնութագիրը ուժի հաստատունն է (կոշտության հաստատուն), այն տատանվում է 0,01 Ն/մ-ից մինչև 1020 Ն/մ։ Կենսաբանական առարկաները ուսումնասիրելու համար օգտագործվում են 0,01  0,06 Ն/մ կարծրությամբ «փափուկ» զոնդեր։

Բրինձ. 7 3. Բուրգաձեւ AFM զոնդերի սենսորների պատկերներ
ստացված էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով.
ա – I-աձև տիպ, b – V-աձև տիպ, c – բուրգի ծայրին

Պիեզոէլեկտրական շարժիչներ կամ սկաներներ - զոնդի վերահսկվող տեղաշարժը նմուշի կամ նմուշի վրայով զոնդի նկատմամբ ծայրահեղ կարճ հեռավորությունների վրա: Պիեզոէլեկտրական ակտուատորներն օգտագործում են պիեզոկերամիկական նյութեր, որոնք փոխում են չափերը, երբ դրանց վրա էլեկտրական լարում է կիրառվում: Էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ երկրաչափական պարամետրերի փոփոխման գործընթացը կոչվում է հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։ Ամենատարածված պիեզոմյութը կապարի ցիրկոնատ տիտանատն է:

Սկաները պիեզոկերամիկական կառուցվածք է, որն ապահովում է շարժում երեք կոորդինատների երկայնքով՝ x, y (նմուշի կողային հարթությունում) և z (ուղղահայաց): Կան մի քանի տեսակի սկաներներ, որոնցից ամենատարածվածներն են եռոտանի և խողովակային սկաներները (Նկար 7-4):

Բրինձ. 7 4. Սկաներների ձևավորումներ՝ ա) – եռոտանի, բ) – խողովակաձև

Եռոտանի սկաների մեջ երեք կոորդինատների երկայնքով շարժումներն ապահովվում են երեք անկախ պիեզոկերամիկական ձողերով, որոնք կազմում են ուղղանկյուն կառուցվածք:

Խողովակային սկաների մեջ խոռոչ պիեզոէլեկտրական խողովակը թեքվում է XZ և ZY հարթություններում և ընդլայնվում կամ կծկվում է Z առանցքի երկայնքով, երբ համապատասխան լարումներ են կիրառվում խողովակի շարժումները վերահսկող էլեկտրոդների վրա: XY հարթությունում շարժումը վերահսկելու էլեկտրոդները տեղակայված են խողովակի արտաքին մակերեսին, Z-ում շարժումը վերահսկելու համար X և Y էլեկտրոդների վրա կիրառվում են հավասար լարումներ:

Հետադարձ կապի միացում – SPM տարրերի մի շարք, որոնց օգնությամբ սկանավորման ժամանակ զոնդը պահվում է նմուշի մակերեսից ֆիքսված հեռավորության վրա (նկ. 7 -5): Սկանավորման գործընթացում զոնդը կարող է տեղակայվել նմուշի մակերեսի տարբեր տեղագրությամբ տարածքներում, այս դեպքում կփոխվի զոնդ-նմուշի հեռավորությունը Z, և համապատասխանաբար կփոխվի ծայր-նմուշ փոխազդեցության մեծությունը:

Բրինձ. 7 5. Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի հետադարձ կապի միացում

Քանի որ զոնդը մոտենում է մակերեսին, զոնդ-նմուշ փոխազդեցության ուժերը մեծանում են, և ձայնագրող սարքից ստացվող ազդանշանը նույնպես մեծանում է։ Վ(տ), որը արտահայտված լարման միավորներով: Համեմատողը համեմատում է ազդանշանը Վ(տ) հղման լարման հետ Վ աջակցելովև առաջացնում է ուղղիչ ազդանշան Վ թղթակից. Ուղղիչ ազդանշան Վ թղթակիցսնվում է սկաներին, և զոնդը հետ է քաշվում նմուշից: Հղման լարումը ձայնագրող սարքից ստացվող ազդանշանին համապատասխանող լարումն է, երբ զոնդը գտնվում է նմուշից որոշակի հեռավորության վրա: Սկանավորման ընթացքում պահպանելով այս նշված զոնդ-նմուշի հեռավորությունը, հետադարձ կապի համակարգը պահպանում է նշված զոնդ-նմուշ փոխազդեցության ուժը:

Բրինձ. 7 6. Հետադարձ համակարգի կողմից հուշում-նմուշ փոխազդեցության մշտական ​​ուժի պահպանման գործընթացում զոնդի հարաբերական շարժման հետագիծը.

Նկ. 7-6-ը ցույց է տալիս զոնդի հետագիծը նմուշի համեմատ՝ պահպանելով զոնդի և նմուշի փոխազդեցության ուժը: Եթե ​​զոնդը գտնվում է փոսից վեր, ապա սկաների վրա լարում է կիրառվում, ինչը հանգեցնում է սկաների երկարացմանը՝ իջեցնելով զոնդը:

Հետադարձ շղթայի արձագանքման արագությունը զոնդ-նմուշի հեռավորության փոփոխությանը (զոնդ-նմուշ փոխազդեցություն) որոշվում է հետադարձ կապի շղթայի հաստատունով. Կ. Արժեքներ Կկախված է որոշակի SPM-ի նախագծման առանձնահատկություններից (սկաների դիզայնը և բնութագրերը, էլեկտրոնիկա), SPM-ի գործառնական ռեժիմը (սկանավորման տարածքի չափը, սկանավորման արագությունը և այլն), ինչպես նաև ուսումնասիրվող մակերեսի բնութագրիչներից։ (ռելիեֆի առանձնահատկությունների մասշտաբները, նյութի կարծրությունը և այլն):

SPM-ի տեսակները

Սկանավորող թունելային մանրադիտակ

STM-ում ձայնագրող սարքը (նկ. 7 -7) չափում է մետաղյա զոնդի միջև հոսող թունելային հոսանքը, որը տատանվում է կախված նմուշի մակերեսի ներուժից և դրա մակերեսի տեղագրությունից: Զոնդը կտրուկ սրված ասեղ է, ծայրի կորության շառավիղը կարող է հասնել մի քանի նանոմետրի։ Որպես զոնդային նյութեր սովորաբար օգտագործվում են բարձր կարծրություն և քիմիական դիմադրություն ունեցող մետաղներ՝ վոլֆրամ կամ պլատին։

Բրինձ. 7 7. Թունելի զոնդի սենսորի սխեման

Հաղորդող զոնդի և հաղորդիչ նմուշի միջև կիրառվում է լարում: Երբ զոնդի ծայրը նմուշից մոտ 10 Ա հեռավորության վրա է, նմուշից էլեկտրոնները սկսում են թունել բացվածքի միջով դեպի զոնդ կամ հակառակը՝ կախված լարման նշանից (նկ. 7 - 8):

Բրինձ. 7 8. Զոնդի ծայրի նմուշի հետ փոխազդեցության սխեմատիկ պատկերը

Ստացված թունելի հոսանքը չափվում է ձայնագրող սարքի միջոցով: Դրա չափը Ի Տհամաչափ թունելի կոնտակտի վրա կիրառվող լարմանը Վև երկրաչափականորեն կախված է ասեղից մինչև նմուշ հեռավորությունից դ.

Այսպիսով, փոքր փոփոխություններ հեռավորության վրա զոնդի ծայրից մինչև նմուշ դհամապատասխանում են թունելի հոսանքի էքսպոնենցիալ մեծ փոփոխություններին Ի Տ(ենթադրելով լարում Վպահպանվում է հաստատուն): Դրա պատճառով թունելի զոնդի սենսորի զգայունությունը բավարար է 0,1 նմ-ից պակաս բարձրության փոփոխություններ հայտնաբերելու և, հետևաբար, պինդ մարմնի մակերևույթի վրա ատոմների պատկեր ստանալու համար:

Ատոմային ուժի մանրադիտակ

Ատոմային ուժի փոխազդեցության ամենատարածված զոնդային սենսորը զսպանակային կոնսոլն է (անգլերեն կոնսոլից՝ կոնսոլ), որի ծայրում տեղադրված է զոնդ: Նմուշի և զոնդի միջև ուժի փոխազդեցության արդյունքում առաջացող կոնսուլային ճկման քանակը (Նկար 7 -9) չափվում է օպտիկական ձայնագրման սխեմայի միջոցով:

Ուժային սենսորի աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է զոնդի ատոմների և նմուշի ատոմների միջև գործող ատոմային ուժերի օգտագործման վրա: Երբ զոնդ-նմուշի ուժը փոխվում է, կոնսերտի ճկման քանակությունը փոխվում է, և այդ փոփոխությունը չափվում է օպտիկական ձայնագրման համակարգով: Այսպիսով, ատոմային ուժի սենսորը սուր եզրերով բարձր զգայունությամբ զոնդ է, որը հնարավորություն է տալիս գրանցել առանձին ատոմների փոխազդեցության ուժերը:

Փոքր ոլորանների դեպքում զոնդ-նմուշի ուժի հարաբերությունը Ֆև շեղում է հենակետի ծայրը xորոշվում է Հուկի օրենքով.

Որտեղ կ – հենարանի ուժի հաստատուն (կոշտության հաստատուն):

Օրինակ, եթե օգտագործվում է հաստատուն ունեցող կոնսերվատոր կ 1 ն/մ կարգի, այնուհետև 0,1 նաննյուտոն կարգի գագաթ-նմուշի փոխազդեցության ուժի ազդեցության տակ հենասյունի շեղման մեծությունը կլինի մոտավորապես 0,1 նմ:

Նման փոքր շարժումները չափելու համար սովորաբար օգտագործվում է օպտիկական տեղաշարժի սենսոր (Նկար 7-9), որը բաղկացած է կիսահաղորդչային լազերից և չորս հատվածի ֆոտոդիոդից: Երբ հենասյունը թեքվում է, դրանից արտացոլված լազերային ճառագայթը շարժվում է ֆոտոդետեկտորի կենտրոնի համեմատ: Այսպիսով, հենարանի ծռումը կարող է որոշվել ֆոտոդետեկտորի վերին (T) և ստորին (B) կեսերի լուսավորության հարաբերական փոփոխությամբ:

Նկար 7 9. Հզորության սենսորի դիագրամ

Զոնդ-նմուշ փոխազդեցության ուժերի կախվածությունը զոնդ-նմուշի հեռավորությունից

Երբ զոնդը մոտենում է նմուշին, այն առաջին հերթին ձգվում է դեպի մակերես՝ գրավիչ ուժերի առկայության պատճառով (վան դեր Վալսի ուժեր): Երբ զոնդը ավելի է մոտենում նմուշին, զոնդի վերջում գտնվող ատոմների էլեկտրոնային թաղանթները և նմուշի մակերեսի ատոմները սկսում են համընկնել, ինչը հանգեցնում է վանող ուժի առաջացմանը: Քանի որ հեռավորությունը ավելի է նվազում, վանող ուժը դառնում է գերիշխող:

Ընդհանուր առմամբ, միջատոմային փոխազդեցության ուժի կախվածությունը Ֆատոմների միջև հեռավորության վրա Ռունի ձև.

.

հաստատուններ աԵվ բև ցուցիչներ մԵվ nկախված է ատոմների տեսակից և քիմիական կապերի տեսակից։ Վան դեր Վալսի ուժերի համար մ=7 և n=3. Որակապես, կախվածությունը F(R) ցույց է տրված Նկ. 7 -10.

Բրինձ. 7 10. Ատոմների փոխազդեցության ուժի կախվածությունը հեռավորությունից

SPM տվյալների ձևաչափ, SPM տվյալների վիզուալիզացիա

Օպտիկական մանրադիտակով հետազոտության ընթացքում ստացված մակերևույթի մորֆոլոգիայի վերաբերյալ տվյալները ներկայացված են մակերեսի մեծացված պատկերի տեսքով։ SPM-ի միջոցով ստացված տեղեկատվությունը գրվում է A ij ամբողջ թվերի երկչափ զանգվածի տեսքով: Յուրաքանչյուր արժեք ij համապատասխանում է սկանավորման դաշտի որոշակի մակերեսային կետին: Այս թվերի զանգվածի գրաֆիկական ներկայացումը կոչվում է SPM սկանավորված պատկեր:

Սկանավորված պատկերները կարող են լինել կամ երկչափ (2D) կամ եռաչափ (3D): 2D վիզուալիզացիայի դեպքում յուրաքանչյուր մակերեսային կետ Z= զ(x, y) նշանակվում է որոշակի գունային երանգ՝ մակերեսի կետի բարձրությանը համապատասխան (նկ. 7 -11 ա): 3D վիզուալիզացիայով, մակերեսային պատկեր Z= զ(x, y) կառուցված է աքսոնոմետրիկ տեսանկյունից՝ օգտագործելով հաշվարկված պիքսելների կամ ռելիեֆային գծերի որոշակի եղանակ: Եռաչափ պատկերները գունավորելու ամենաարդյունավետ միջոցը մակերևույթի լուսավորության պայմանների նմանակումն է մակերևույթից բարձր տարածության ինչ-որ կետում տեղակայված կետային աղբյուրի միջոցով (նկ. 7 -11 բ): Միաժամանակ կարելի է ընդգծել ռելիեֆի առանձին փոքր առանձնահատկությունները։

Բրինձ. 7 11. Մարդու արյան լիմֆոցիտներ.
ա) 2D պատկեր, բ) 3D պատկեր՝ կողային լուսավորությամբ

Նմուշների պատրաստում SPM հետազոտության համար

Բակտերիալ բջիջների մորֆոլոգիա և կառուցվածք

Բակտերիաները միաբջիջ միկրոօրգանիզմներ են, որոնք ունեն բազմազան ձև և բարդ կառուցվածք, որը որոշում է նրանց ֆունկցիոնալ գործունեության բազմազանությունը: Բակտերիաները բնութագրվում են չորս հիմնական ձևերով՝ գնդաձև (գնդաձև), գլանաձև (ձողաձև), ոլորված և թելիկ [Ref. 7 -2]։

Կոկիներ (գնդաձև բակտերիաներ) - կախված բաժանման հարթությունից և առանձին անհատների գտնվելու վայրից, դրանք բաժանվում են միկրոկոկերի (առանձին կոկկի), դիպլոկոկի (զույգ կոկկի), streptococci (կոկիների շղթաներ), ստաֆիլոկոկներ (խաղողաձև), տետրակոկներ ( չորս կոկկիների գոյացումներ) և սարկինա (8 կամ 16 կոկկիների փաթեթներ):

Ձողաձև - բակտերիաները տեղակայված են միայնակ բջիջների՝ դիպլո- կամ ստրեպտոբակտերիաների տեսքով:

ոլորված - vibrios, spirilla եւ spirochetes. Վիբրիոնները ունեն թեթևակի կոր ձողերի տեսք, սպիրիլները՝ ոլորված, մի քանի պարուրաձև գանգուրներով:

Բակտերիաների չափերը տատանվում են 0,1-ից 10 մկմ: Բակտերիալ բջջի կազմը ներառում է պարկուճ, բջջային պատ, ցիտոպլազմային թաղանթ և ցիտոպլազմա: Ցիտոպլազմը պարունակում է նուկլեոտիդ, ռիբոսոմներ և ներդիրներ։ Որոշ բակտերիաներ հագեցած են դրոշակներով և վիլլիներով: Մի շարք բակտերիաներ առաջացնում են սպորներ։ Գերազանցելով բջջի սկզբնական լայնակի չափը, սպորները նրան տալիս են spindle- ի տեսք:

Օպտիկական մանրադիտակով բակտերիաների մորֆոլոգիան ուսումնասիրելու համար դրանցից պատրաստվում են բնիկ (ինտրավիտալ) պատրաստուկներ կամ անիլինային ներկով ներկված ֆիքսված քսուք։ Գոյություն ունեն գունազարդման հատուկ մեթոդներ՝ դրոշակները, բջջային պատերը, նուկլեոտիդները և տարբեր ցիտոպլազմային ներդիրները հայտնաբերելու համար։

Բակտերիալ բջիջների մորֆոլոգիայի SPM հետազոտությունը չի պահանջում պատրաստուկի ներկում: SPM-ը թույլ է տալիս որոշել բակտերիաների ձևն ու չափը բարձր լուծողականությամբ: Դեղամիջոցի մանրակրկիտ պատրաստման և թեքության փոքր շառավղով զոնդի օգտագործմամբ հնարավոր է բացահայտել դրոշակները: Միևնույն ժամանակ, բակտերիաների բջջային պատի մեծ կոշտության պատճառով անհնար է «զոնդացնել» ներբջջային կառուցվածքները, ինչպես դա կարելի է անել որոշ կենդանիների բջիջներում։

Մորֆոլոգիայի SPM ուսումնասիրության պատրաստուկների պատրաստում

SPM-ի հետ աշխատելու առաջին փորձի համար խորհուրդ է տրվում ընտրել կենսաբանական պատրաստուկ, որը չի պահանջում բարդ նախապատրաստություն: Հեշտ հասանելի և ոչ ախտածին կաթնաթթվային բակտերիաները թթու կաղամբի աղից կամ ֆերմենտացված կաթնամթերքից բավականին հարմար են:

Օդի մեջ SPM հետազոտության համար անհրաժեշտ է ամուր ամրացնել ուսումնասիրվող առարկան հիմքի մակերեսին, օրինակ՝ ծածկույթի ապակու վրա: Բացի այդ, կախոցում բակտերիաների խտությունը պետք է լինի այնպիսին, որ բջիջները չկպչեն սուբստրատի վրա, և նրանց միջև հեռավորությունը չպետք է չափազանց մեծ լինի, որպեսզի սկանավորման ընթացքում հնարավոր լինի մի քանի առարկա վերցնել մեկ շրջանակում: . Այս պայմանները բավարարվում են, եթե ճիշտ ընտրված է նմուշի պատրաստման ռեժիմը: Եթե ​​մանրէներ պարունակող լուծույթի կաթիլը քսեք սուբստրատի վրա, ապա դրանց աստիճանական նստեցումը և կպչունությունը տեղի կունենա: Հիմնական պարամետրերը պետք է դիտարկել լուծույթում բջիջների կոնցենտրացիան և նստվածքի ժամանակը: Կախոցում բակտերիաների կոնցենտրացիան որոշվում է օպտիկական պղտորության ստանդարտի միջոցով:

Մեր դեպքում դեր կխաղա միայն մեկ պարամետր՝ ինկուբացիոն ժամանակը։ Որքան երկար է կաթիլը մնացել ապակու վրա, այնքան մեծ է բակտերիալ բջիջների խտությունը։ Միևնույն ժամանակ, եթե հեղուկի մի կաթիլը սկսի չորանալ, պատրաստուկը չափազանց մեծապես կաղտոտվի լուծույթի նստվածքային բաղադրիչներով: Բակտերիալ բջիջներ պարունակող լուծույթի կաթիլը (աղաջր) քսում են ծածկույթի ապակու վրա և թողնում 5-60 րոպե (կախված լուծույթի բաղադրությունից): Այնուհետև, չսպասելով, որ կաթիլը չորանա, մանրակրկիտ լվացեք թորած ջրով (մի քանի անգամ պինցետով թաթախելով պատրաստուկը բաժակի մեջ): Չորացնելուց հետո պատրաստուկը պատրաստ է չափման՝ օգտագործելով SPM:

Որպես օրինակ՝ թթու կաղամբի աղաջրից պատրաստել ենք կաթնաթթվային բակտերիաների պատրաստուկներ։ Ծածկույթի ապակու վրա աղաջրի մի կաթիլ պահելու ժամանակը ընտրվել է 5 րոպե, 20 րոպե և 1 ժամ (կաթիլն արդեն սկսել էր չորանալ): SPM շրջանակները ներկայացված են Նկ. 7 -12, Նկ. 7-13,
Բրինձ. 7 -14.

Նկարներից պարզ է դառնում, որ այս լուծման համար ինկուբացիոն օպտիմալ ժամանակը 510 րոպե է: Սուբստրատի մակերեսին կաթիլը պահելու ժամանակի ավելացումը հանգեցնում է բակտերիաների բջիջների կպչունությանը: Երբ լուծույթի մի կաթիլը սկսում է չորանալ, լուծույթի բաղադրիչները նստում են ապակու վրա և չեն կարող լվանալ:

Բրինձ. 7 12. Կաթնաթթվային բակտերիաների պատկերներ ծածկույթի ապակու վրա,
ստացված SPM-ի միջոցով:

Բրինձ. 7 13. Կաթնաթթվային բակտերիաների պատկերներ ծածկի ապակու վրա,
ստացված SPM-ի միջոցով: Լուծման ինկուբացիոն ժամանակը 20 րոպե

Բրինձ. 7 14. Կաթնաթթվային բակտերիաների պատկերներ ծածկույթի ապակու վրա,
ստացված SPM-ի միջոցով: Լուծման ինկուբացիոն ժամանակը 1 ժամ

Օգտագործելով ընտրված պատրաստուկներից մեկը (նկ. 7-12) մենք փորձեցինք դիտարկել, թե ինչ են կաթնաթթվային բակտերիաները և ինչ ձևն է նրանց բնորոշ այս դեպքում։ (նկ. 7 -15)

Բրինձ. 7 15. Կաթնաթթվային բակտերիաների AFM պատկերը ծածկույթի ապակու վրա:
Լուծման ինկուբացիոն ժամանակը 5 րոպե

Բրինձ. 7 16. Կաթնաթթվային բակտերիաների շղթայի AFM պատկերը ծածկույթի ապակու վրա:
Լուծման ինկուբացիոն ժամանակը 5 րոպե

Աղաջրը բնութագրվում է նրանով, որ բակտերիաները ձողաձև են և դասավորված են շղթայի մեջ:

Բրինձ. 7 17. Կրթական SPM NanoEducator-ի վերահսկման ծրագրի պատուհան.
Գործիքադարակ

Օգտագործելով NanoEducator կրթական SPM ծրագրի գործիքները, մենք որոշեցինք բակտերիաների բջիջների չափերը: Դրանք տատանվում էին մոտավորապես 0,5 × 1,6 մկմ-ից
մինչև 0,8 × 3,5 մկմ:

Ստացված արդյունքները համեմատվում են Bergey’s բակտերիաների որոշիչի տվյալների հետ [Lit. 7 -3]։

Կաթնաթթվային բակտերիաները դասակարգվում են որպես lactobacilli (Lactobacillus): Բջիջներն ունեն ձողերի տեսք, սովորաբար կանոնավոր ձևի։ Ձողերը երկար են, երբեմն գրեթե կոկոիդ, սովորաբար կարճ շղթաներով: Չափերը 0.5 - 1.2 X 1.0 - 10 մկմ. Նրանք վեճ չեն առաջացնում. հազվագյուտ դեպքերում նրանք շարժուն են՝ պերիրիխիալ դրոշակի պատճառով: Լայնորեն տարածված է շրջակա միջավայրում, հատկապես տարածված է կենդանական և բուսական ծագման սննդամթերքի մեջ: Կաթնաթթվային բակտերիաները մարսողական համակարգի նորմալ միկրոֆլորայի մի մասն են: Բոլորին է հայտնի, որ թթու կաղամբը, բացի վիտամիններ պարունակելուց, օգտակար է աղիների միկրոֆլորայի բարելավման համար։

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի նախագծում Նանոդաստիարակ

Նկ. 7 -18-ը ցույց է տալիս չափիչ գլխի տեսքը SPM NanoEducatorև նշված են շահագործման ընթացքում օգտագործվող սարքի հիմնական տարրերը:

Բրինձ. 7 18. NanoEducator SPM չափիչ գլխիկի տեսքը
1- հիմք, 2- նմուշի պահող, 3- փոխազդեցության սենսոր, 4- սենսորային ամրացնող պտուտակ,
5 պտուտակ՝ ձեռքով մուտքագրելու համար, 6 պտուտակ՝ սկաները նմուշի հետ հորիզոնական հարթությունում տեղափոխելու համար, 7 պաշտպանիչ ծածկ՝ տեսախցիկով։

Նկ. 7 -19-ը ցույց է տալիս չափիչ գլխի դիզայնը: Հիմքի 1-ի վրա կա սկաներ 8՝ նմուշի պահարանով 7 և նմուշը զոնդ 2-ին մատակարարելու մեխանիզմ, որը հիմնված է քայլային շարժիչի վրա: Ուսումնականում SPM NanoEducatorՆմուշը կցվում է սկաներին, իսկ նմուշը սկանավորվում է անշարժ զոնդի համեմատ: Զոնդը 6, որը տեղադրված է ուժի փոխազդեցության ցուցիչ 4-ի վրա, կարող է նաև նմուշին բերել՝ օգտագործելով ձեռքով մատակարարման պտուտակ 3: Նմուշի վրա ուսումնասիրության վայրի նախնական ընտրությունը կատարվում է պտուտակ 9-ի միջոցով:

Բրինձ. 7 19. SPM NanoEducator-ի նախագծում՝ 1 – բազա, 2 – մատակարարման մեխանիզմ,
3 – ձեռքով մատակարարման պտուտակ, 4 – փոխազդեցության սենսոր, 5 – սենսորային ամրացնող պտուտակ, 6 – զոնդ,
7 – նմուշի պահող, 8 – սկաներ, 9, 10 – պտուտակներ՝ սկաները նմուշի հետ տեղափոխելու համար

Ուսուցում SPM NanoEducatorբաղկացած է չափիչ գլխիկից, SPM կարգավորիչից և մալուխներով միացված կառավարման համակարգչից։ Մանրադիտակը հագեցած է տեսախցիկով։ Փոխազդեցության սենսորից ազդանշանը, նախաուժեղացուցիչում փոխակերպումից հետո, մտնում է SPM վերահսկիչ: Աշխատանքի կառավարում SPM NanoEducatorիրականացվում է համակարգչից SPM կարգավորիչի միջոցով:

Ուժի փոխազդեցության սենսոր և զոնդ

Սարքի մեջ Նանոդաստիարակսենսորը պատրաստված է երկարությամբ պիեզոկերամիկական խողովակի տեսքով լ=7 մմ, տրամագիծը դ=1,2 մմ և պատի հաստությունը հ=0,25 մմ, կոշտ ամրացված մի ծայրում: Խողովակի ներքին մակերեսին կիրառվում է հաղորդիչ էլեկտրոդ: Խողովակի արտաքին մակերեսին կիրառվում են երկու էլեկտրական մեկուսացված կիսագլանաձև էլեկտրոդներ: Վոլֆրամի տրամագծով մետաղալար
100 մկմ (Նկար 7 -20):

Բրինձ. 7 20. NanoEducator սարքի ունիվերսալ սենսորի նախագծում

Որպես զոնդ օգտագործվող մետաղալարի ազատ ծայրը էլեկտրաքիմիապես սրված է, կորության շառավիղը 0,2  0,05 մկմ է։ Զոնդը էլեկտրական կապ ունի խողովակի ներքին էլեկտրոդի հետ՝ միացված սարքի հիմնավորված մարմնին:

Պիեզոէլեկտրական խողովակի վրա երկու արտաքին էլեկտրոդների առկայությունը թույլ է տալիս պիեզոէլեկտրական խողովակի մի մասը (վերին, համաձայն Նկար 7 -21) օգտագործել որպես ուժի փոխազդեցության սենսոր (մեխանիկական թրթռման սենսոր), իսկ մյուս մասը՝ օգտագործել: որպես պիեզո վիբրատոր: Փոփոխական էլեկտրական լարումը մատակարարվում է պիեզովիբրատորին ուժային սենսորի ռեզոնանսային հաճախականությանը հավասար հաճախականությամբ: Զոնդ-նմուշի մեծ հեռավորության վրա տատանումների ամպլիտուդը առավելագույնն է։ Ինչպես երևում է Նկ. 7 -22, տատանումների գործընթացի ընթացքում զոնդը շեղվում է իր հավասարակշռության դիրքից A o չափով, որը հավասար է իր հարկադիր մեխանիկական տատանումների ամպլիտուդին (դա միկրոմետրի կոտորակներ է), մինչդեռ երկրորդ մասում հայտնվում է փոփոխական էլեկտրական լարում։ պիեզո խողովակի (տատանումների սենսոր), որը համաչափ է զոնդի տեղաշարժին, որը և չափվում է սարքի կողմից:

Երբ զոնդը մոտենում է նմուշի մակերեսին, զոնդը սկսում է դիպչել նմուշին տատանման գործընթացում: Սա հանգեցնում է սենսորի տատանումների ամպլիտուդա-հաճախական արձագանքի (AFC) փոփոխության դեպի ձախ՝ համեմատած մակերեսից հեռու չափված AFC-ի հետ (նկ. 7 -22): Քանի որ պիեզոտողովակի ստիպողական տատանումների հաճախականությունը պահպանվում է անփոփոխ և հավասար է տատանումների հաճախականությանը  o ազատ վիճակում, երբ զոնդը մոտենում է մակերեսին, նրա տատանումների ամպլիտուդը նվազում է և հավասարվում Ա-ին: Այս տատանումների ամպլիտուդը գրանցվում է: պիեզոտողովակի երկրորդ մասից:

Բրինձ. 7 21. Պիեզոէլեկտրական խողովակի աշխատանքի սկզբունքը
որպես ուժի փոխազդեցության սենսոր

Բրինձ. 7 22. Ուժային սենսորի տատանումների հաճախականության փոփոխություն
երբ մոտենում է նմուշի մակերեսին

Սկաներ

Սարքում օգտագործվող միկրոշարժումների կազմակերպման մեթոդ Նանոդաստիարակ, հիմնված է պարագծի շուրջ սեղմված մետաղական թաղանթի օգտագործման վրա, որի մակերեսին սոսնձված է պիեզոէլեկտրական թիթեղ (նկ. 7 -23 ա): Պիեզոէլեկտրական ափսեի չափերը փոխելը հսկիչ լարման ազդեցության տակ կհանգեցնի թաղանթի ճկմանը: Նման թաղանթներ դնելով խորանարդի երեք ուղղահայաց կողմերի վրա և դրանց կենտրոնները մետաղական մղիչներով միացնելով, կարող եք ստանալ 3 կոորդինատով սկաներ (նկ. 7 -23 բ):

Բրինձ. 7 23. NanoEducator սարքի սկաների շահագործման սկզբունքը (ա) և դիզայնը (բ).

Յուրաքանչյուր պիեզոէլեկտրական տարր 1, որը կցված է խորանարդի երեսներին 2, երբ դրա վրա էլեկտրական լարում է կիրառվում, կարող է շարժել դրան կցված մղիչ 3-ը երեք փոխադարձ ուղղահայաց ուղղություններից մեկով՝ X, Y կամ Z: Ինչպես երևում է. Նկար, բոլոր երեք մղիչները միացված են մեկ կետում 4 Որոշակի մոտավորությամբ մենք կարող ենք համարել, որ այս կետը շարժվում է X, Y, Z երեք կոորդինատներով: Նույն կետին կցվում է 5-ը նմուշի պահարանով 6: Այսպիսով, նմուշը շարժվում է երեք կոորդինատներով երեք անկախ լարման աղբյուրների ազդեցության տակ: Սարքերում ՆանոդաստիարակՆմուշի առավելագույն շարժումը մոտ 5070 մկմ է, որը որոշում է սկանավորման առավելագույն տարածքը:

Նմուշին զոնդի ավտոմատ մոտեցման մեխանիզմ (հետադարձ կապի հավաքում)

Z առանցքի երկայնքով սկաների շարժման միջակայքը մոտ 10 մկմ է, ուստի սկանավորումից առաջ անհրաժեշտ է այս հեռավորության վրա զոնդը մոտեցնել նմուշին: Այդ նպատակով նախատեսված է մատակարարման մեխանիզմը, որի դիագրամը ներկայացված է Նկ. 7 -19 թթ. Քայլային շարժիչը 1, երբ էլեկտրական իմպուլսներ են կիրառվում դրա վրա, պտտում է սնուցող պտուտակը 2 և 4-րդ զոնդով տեղափոխում է 3-րդ բարը՝ մոտեցնելով այն 6-ին սկաների վրա տեղադրված նմուշ 5-ից: Մեկ քայլի չափը մոտ 2 մկմ է:

Բրինձ. 7 24. Զոնդը նմուշի մակերեսին հասցնելու մեխանիզմի դիագրամ

Քանի որ սկանավորման գործընթացում մոտեցման մեխանիզմի քայլը զգալիորեն գերազանցում է պահանջվող զոնդ-նմուշի հեռավորությունը, զոնդի դեֆորմացիան խուսափելու համար դրա մոտեցումն իրականացվում է քայլային շարժիչի գործողության ժամանակ, և սկաները շարժվում է Z առանցքի երկայնքով: հետևյալ ալգորիթմին.

1. Հետադարձ կապի համակարգը անջատված է, և սկաները «հետ քաշվում է», այսինքն՝ իջեցնում է նմուշը մինչև ամենացածր ծայրահեղ դիրքը:

2. Զոնդի մոտեցման մեխանիզմը կատարում է մեկ քայլ և կանգ է առնում:

3. Հետադարձ կապի համակարգը միանում է, և սկաները սահուն կերպով բարձրացնում է նմուշը՝ միաժամանակ վերլուծելով հուշում-նմուշ փոխազդեցության առկայությունը:

4. Եթե փոխազդեցություն չկա, գործընթացը կրկնվում է 1-ին քայլից:

Եթե ​​սկաների բարձրացման ընթացքում հայտնվի ոչ զրոյական ազդանշան, հետադարձ կապի համակարգը կդադարեցնի սկաների վերընթաց շարժումը և կֆիքսի փոխազդեցության քանակը տվյալ մակարդակում: Ուժի փոխազդեցության մեծությունը, որի դեպքում զոնդի մատակարարումը կդադարի և սկանավորման գործընթացը տեղի կունենա սարքում Նանոդաստիարակբնութագրվում է պարամետրով Ամպլիտուդայի ճնշում (ԼայնությունՃնշում) :

A=A o . (1- Ամպլիտուդայի ճնշում)

SPM պատկերի ստացում

Ծրագիրը զանգահարելուց հետո ՆանոդաստիարակՀամակարգչի էկրանին հայտնվում է ծրագրի հիմնական պատուհանը (նկ. 7 -20): Աշխատանքը պետք է սկսվի մենյուի կետից Ֆայլև ընտրիր այն Բացկամ Նորկամ գործիքագոտու համապատասխան կոճակները (, ):

Թիմի ընտրություն Ֆայլ Նորնշանակում է անցում դեպի SPM չափումներ կատարելու և հրամանի ընտրություն Ֆայլ Բացնշանակում է անցում դեպի նախկինում ստացված տվյալների դիտման և մշակման: Ծրագիրը թույլ է տալիս չափումներին զուգահեռ դիտել և մշակել տվյալները:

Բրինձ. 7 25. NanoEducator ծրագրի հիմնական պատուհանը

Հրամանի կատարումից հետո Ֆայլ ՆորԷկրանի վրա հայտնվում է երկխոսության տուփ, որը թույլ է տալիս ընտրել կամ ստեղծել աշխատանքային թղթապանակ, որում լռելյայն կգրվեն ընթացիկ չափման արդյունքները: Չափման գործընթացում ստացված բոլոր տվյալները հաջորդաբար գրանցվում են անվանված ֆայլերում ScanData+i.spm, որտեղ ինդեքս եսզրոյական է դառնում, երբ ծրագիրը մեկնարկում է և ավելանում յուրաքանչյուր նոր չափման հետ: Ֆայլեր ScanData+i.spmտեղադրված աշխատանքային թղթապանակում, որը տեղադրվում է նախքան չափումները սկսելը: Չափումներ կատարելիս հնարավոր է ընտրել այլ աշխատանքային թղթապանակ: Դա անելու համար հարկավոր է սեղմել կոճակը , գտնվում է հիմնական ծրագրի պատուհանի գործիքագոտու վրա և ընտրեք ցանկի տարրը Փոխել աշխատանքային թղթապանակը.

Ընթացիկ չափման արդյունքները պահպանելու համար պետք է սեղմել կոճակը Պահպանել որպեսՍկան պատուհանում երևացող երկխոսության վանդակում ընտրեք թղթապանակ և նշեք ֆայլի անունը և ֆայլը ScanData+i.spm, որը ծառայում է որպես տվյալների պահպանման ժամանակավոր ֆայլ, երբ չափումներ են կատարվում, կվերանվանվի ձեր նշած ֆայլի անունով: Լռելյայնորեն, ֆայլը կպահվի չափումները սկսելուց առաջ նշանակված աշխատանքային թղթապանակում: Եթե ​​դուք չեք կատարում չափումների արդյունքների պահպանման գործողությունը, ապա հաջորդ անգամ ծրագիրը սկսելիս արդյունքները գրանցվում են ժամանակավոր ֆայլերում ScanData+i.spm, հաջորդաբար կվերագրվի (եթե աշխատանքային թղթապանակը չի փոխվել): Աշխատանքային թղթապանակում չափումների արդյունքների ժամանակավոր ֆայլերի առկայության մասին նախազգուշացում է տրվում ծրագիրը փակելուց առաջ և սկսելուց հետո: Չափումները սկսելուց առաջ աշխատանքային թղթապանակը փոխելը թույլ է տալիս պաշտպանել նախորդ փորձի արդյունքները ջնջվելուց: Ստանդարտ անվանում ScanDataկարելի է փոխել՝ այն տեղադրելով աշխատանքային թղթապանակի ընտրության պատուհանում: Կոճակը սեղմելիս բացվում է աշխատանքային թղթապանակ ընտրելու պատուհանը , գտնվում է հիմնական ծրագրի պատուհանի գործիքագոտու վրա: Դուք կարող եք նաև պահպանել չափումների արդյունքները պատուհանում Սկան զննարկիչը, մեկ առ մեկ ընտրելով անհրաժեշտ ֆայլերը և պահպանելով դրանք ընտրված թղթապանակում։

NanoEducator սարքի միջոցով ստացված արդյունքները հնարավոր է արտահանել ASCII ձևաչափով և Nova ձևաչափով (NTMDT), որը կարող է ներմուծվել NT MDT Nova ծրագրի, Image Analysis և այլ ծրագրերի միջոցով։ Սկանավորման պատկերները, դրանց հատվածների տվյալները և սպեկտրոսկոպիայի չափման արդյունքներն արտահանվում են ASCII ձևաչափով: Տվյալների արտահանման համար սեղմեք կոճակը Արտահանումգտնվում է հիմնական ծրագրի պատուհանի գործիքագոտում կամ ընտրեք Արտահանումցանկի տարրում Ֆայլայս պատուհանը և ընտրեք համապատասխան արտահանման ձևաչափը: Մշակման և վերլուծության համար տվյալները կարող են անմիջապես ուղարկվել նախապես գործարկված Image Analysis ծրագրին:

Երկխոսության պատուհանը փակելուց հետո էկրանին հայտնվում է գործիքի կառավարման վահանակը:
(նկ. 7 -26):

Բրինձ. 7 26. Սարքի կառավարման վահանակ

Գործիքների կառավարման վահանակի ձախ կողմում կան կոճակներ SPM կոնֆիգուրացիայի ընտրության համար.

SSM- սկանավորման ուժային մանրադիտակ (SFM)

STM- սկանավորող թունելային մանրադիտակ (STM):

NanoEducator վերապատրաստման SPM-ի վրա չափումներ կատարելը բաղկացած է հետևյալ գործողություններից.

1. Նմուշի տեղադրում

ՈՒՇԱԴՐՈՒԹՅՈՒՆ. Նախքան նմուշը տեղադրելը, անհրաժեշտ է հեռացնել սենսորը և զոնդը՝ զոնդը չվնասելուց:

Նմուշը կցելու երկու եղանակ կա.

մագնիսական բեմի վրա (այս դեպքում նմուշը պետք է կցվի մագնիսական հիմքի վրա);

երկկողմանի սոսինձ ժապավենի վրա:

ՈՒՇԱԴՐՈՒԹՅՈՒՆ. Երկկողմանի կպչուն ժապավենի վրա նմուշ տեղադրելու համար հարկավոր է ետ պտուտակել պահարանը տակդիրից (որպեսզի չվնասեք սկաները), այնուհետև նորից պտտեք այն մինչև մի փոքր կանգ առնի:

Մագնիսական ամրացման դեպքում նմուշը կարող է փոխարինվել առանց նմուշի պահոցը պտուտակահանելու:

2. Զոնդի սենսորի տեղադրում

ՈՒՇԱԴՐՈՒԹՅՈՒՆ. Նմուշը տեղադրելուց հետո միշտ տեղադրեք սենսորը զոնդով:

Ընտրելով ցանկալի զոնդի սենսորը (սենսորը պահեք հիմքի մետաղական եզրերից) (տես Նկար 7 -27), թուլացրեք զոնդի սենսոր 2-ը ամրացնող պտուտակը չափիչ գլխի կափարիչի վրա, մտցրեք սենսորը պահարանի վարդակից: մինչև այն կանգ առնի, պտտեցրեք ամրացնող պտուտակը ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ, մինչև այն մի փոքր կանգ առնի:

Բրինձ. 7 27. Զոնդի սենսորի տեղադրում

3. Սկանավորեք տեղանքի ընտրությունը

Նմուշի վրա ուսումնասիրելու համար տարածք ընտրելիս օգտագործեք սարքի ներքևում գտնվող երկկոորդինատային փուլի շարժվող պտուտակները:

4. Զոնդի նախնական մոտեցում նմուշին

Նախնական մոտեցման գործողությունը պարտադիր չէ յուրաքանչյուր չափման համար, դրա կատարման անհրաժեշտությունը կախված է նմուշի և զոնդի ծայրի միջև եղած հեռավորությունից: Ցանկալի է կատարել նախնական մոտեցման գործողությունը, եթե զոնդի ծայրի և նմուշի մակերեսի միջև հեռավորությունը գերազանցում է 0,51 մմ: Նրանց միջև մեծ հեռավորությունից զոնդի ավտոմատ մոտեցումը նմուշին օգտագործելիս մոտեցման գործընթացը շատ երկար կտևի:

Օգտագործեք ձեռքով պտուտակ՝ զոնդն իջեցնելու համար՝ տեսողականորեն ստուգելով դրա և նմուշի մակերեսի միջև եղած հեռավորությունը:

5. Ռեզոնանսային կորի գծում և աշխատանքային հաճախականության սահմանում

Այս գործողությունը պետք է կատարվի յուրաքանչյուր չափման սկզբում, և մինչև այն չկատարվի, անցումը չափումների հետագա փուլերին արգելափակված է: Բացի այդ, չափման գործընթացում երբեմն առաջանում են իրավիճակներ, որոնք պահանջում են կրկնել այս գործողությունը (օրինակ, երբ շփումը կորչում է):

Ռեզոնանսային որոնման պատուհանը կանչվում է՝ սեղմելով գործիքի կառավարման վահանակի կոճակը: Այս գործողությունը ներառում է զոնդի տատանումների ամպլիտուդի չափումը, երբ փոխվում է գեներատորի կողմից սահմանված հարկադիր տատանումների հաճախականությունը: Դա անելու համար հարկավոր է սեղմել կոճակը ՎԱԶԵԼ(նկ. 7 -28):

Բրինձ. 7 28. Ռեզոնանսի որոնման և աշխատանքային հաճախականությունը սահմանելու պատուհան.
ա) – ավտոմատ ռեժիմ, բ) – ձեռքով ռեժիմ

Ռեժիմում ԱվտոմատԳեներատորի հաճախականությունը ավտոմատ կերպով սահմանվում է այն հաճախականությանը, որով դիտվել է զոնդի տատանումների առավելագույն ամպլիտուդը: Տրված հաճախականության միջակայքում զոնդի թրթռումների ամպլիտուդի փոփոխությունը ցուցադրող գրաֆիկը (նկ. 7 -28ա) թույլ է տալիս դիտարկել ռեզոնանսային գագաթնակետի ձևը: Եթե ​​ռեզոնանսային գագաթնակետը բավականաչափ արտահայտված չէ, կամ ռեզոնանսային հաճախականության ամպլիտուդը փոքր է ( 1 Վ-ից պակաս), ապա անհրաժեշտ է փոխել չափման պարամետրերը և նորից որոշել ռեզոնանսային հաճախականությունը։

Ռեժիմը նախատեսված է դրա համար Ձեռնարկ. Երբ ընտրում եք այս ռեժիմը պատուհանում Ռեզոնանսային հաճախականության որոշումհայտնվում է լրացուցիչ վահանակ
(նկ. 7 -28b), որը թույլ է տալիս կարգավորել հետևյալ պարամետրերը.

Զոնդի շարժիչ լարումը, սահմանված է գեներատորի կողմից: Խորհուրդ է տրվում այս արժեքը սահմանել նվազագույնի (մինչև զրոյի) և ոչ ավելի, քան 50 մՎ:

Ամպլիտուդային աճ ( Ամպլիտուդային շահույթ) Եթե ​​զոնդի տատանման ամպլիտուդը անբավարար է (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Ամպլիտուդային շահույթ.

Ռեզոնանսային որոնման գործողությունը սկսելու համար պետք է սեղմել կոճակը Սկսել.

Ռեժիմ Ձեռնարկթույլ է տալիս ձեռքով փոխել ընտրված հաճախականությունը՝ մկնիկի միջոցով կանաչ կուրսորը շարժելով գրաֆիկի վրա, ինչպես նաև պարզաբանել տատանումների ամպլիտուդի փոփոխության բնույթը արժեքների նեղ միջակայքում՝ ընտրված հաճախականության շուրջ (դրա համար դուք անհրաժեշտ է տեղադրել անջատիչը Ձեռքով ռեժիմդիրքավորել Հենց այդպեսև սեղմեք կոճակը Սկսել).

6. Փոխազդեցության գրավում

Փոխազդեցությունը պատկերելու համար կատարվում է ծայրի և նմուշի վերահսկվող մոտեցում՝ օգտագործելով ավտոմատ մոտեցման մեխանիզմ: Այս ընթացակարգի կառավարման պատուհանը կանչվում է՝ սեղմելով գործիքի կառավարման վահանակի կոճակը: SCM-ի հետ աշխատելիս այս կոճակը հասանելի է դառնում որոնման գործողությունը կատարելուց և ռեզոնանսային հաճախականությունը սահմանելուց հետո: Պատուհան SSM, Մատակարարում(Նկար 7 -29) պարունակում է զոնդային մոտեցման հսկիչներ, ինչպես նաև պարամետրերի ցուցումներ, որոնք թույլ են տալիս վերլուծել ընթացակարգի առաջընթացը:

Բրինձ. 7 29. Զոնդի մոտեցման պատուհան

Պատուհանում ՄատակարարումՕգտագործողը հնարավորություն ունի դիտարկել հետևյալ քանակությունները.

երկարացնելով սկաները ( ՍկաներԶ) Z առանցքի երկայնքով առավելագույն հնարավորին հարաբերական՝ ընդունված որպես միասնություն։ Սկաների հարաբերական երկարացման չափը բնութագրվում է ձախ ցուցիչի լրացման մակարդակով, որը համապատասխանում է այն գոտուն, որում գտնվում է սկաները ներկայումս. կանաչ - աշխատանքային գոտի, կապույտ - աշխատանքային գոտուց դուրս, կարմիր - սկաները: շատ է մոտեցել նմուշի մակերեսին, ինչը կարող է հանգեցնել զոնդի դեֆորմացման: Վերջին դեպքում ծրագիրը ձայնային նախազգուշացում է տալիս.

զոնդի տատանման ամպլիտուդուժի փոխազդեցության բացակայության դեպքում նրա տատանումների ամպլիտուդության համեմատ՝ որպես միասնություն։ Զոնդի տատանումների հարաբերական ամպլիտուդը ցուցադրվում է աջ ցուցիչի վրա՝ իր բորդո լցավորման մակարդակով։ Հորիզոնական նշան ցուցիչի վրա Զոնդի տատանման ամպլիտուդացույց է տալիս այն մակարդակը, որն անցնելուց հետո վերլուծվում է սկաների վիճակը և այն ավտոմատ կերպով բերվում է աշխատանքային դիրքի.

քայլերի քանակը ( ՇԱյո), անցել է տրված ուղղությամբ՝ Մոտեցում - մոտեցում, Հետադարձ - հեռացում։

Նախքան զոնդի իջեցման գործընթացը սկսելը, դուք պետք է.

Ստուգեք, որ մոտեցման պարամետրերը ճիշտ են դրված.

Հետադարձ կապի ձեռքբերում ՕՀ-ի կարծրացումսահմանել արժեքը 3 ,

Համոզվեք, որ պարամետրը Ճնշումամպլիտուդ (ուժ)ունի մոտ 0,2 մագնիտուդ (տես նկ. 7 -29): Հակառակ դեպքում սեղմեք կոճակը Ուժև պատուհանում Փոխազդեցության պարամետրերի կարգավորում (Նկար 7 -30)սահմանել արժեքը Ճնշումամպլիտուդներհավասար 0.2. Ավելի նուրբ մուտքագրման համար պարամետրի արժեքը Ճնշումամպլիտուդներգուցե ավելի քիչ .

Ստուգեք, որ պարամետրերը ճիշտ են պարամետրերի պատուհանում Ընտրանքներ, էջ Մոտեցման պարամետրեր.

Կա փոխազդեցություն, թե ոչ, կարող է որոշվել ձախ ցուցիչով ՍկաներԶ. Սկաների ամբողջական ընդլայնում (ամբողջ ցուցիչը ՍկաներԶներկված կապույտ), ինչպես նաև ցուցիչ՝ ամբողջությամբ ներկված բորդոյով Զոնդի տատանման ամպլիտուդա(Նկար 7 -29) ցույց է տալիս ոչ մի փոխազդեցություն: Ռեզոնանսի որոնումից և գործառնական հաճախականությունը սահմանելուց հետո զոնդի ազատ տատանումների ամպլիտուդը ընդունվում է որպես միասնություն։

Եթե ​​սկաները ամբողջությամբ երկարաձգված չէ մոտենալուց առաջ կամ մոտեցման ընթացքում, կամ ծրագիրը ցուցադրում է հաղորդագրություն. «Սխալ: Զոնդը շատ մոտ է նմուշին: Ստուգեք կապի պարամետրերը կամ ֆիզիկական հավաքը: Եթե ​​ցանկանում եք տեղափոխվել անվտանգ վայր», խորհուրդ է տրվում դադարեցնել մոտեցման ընթացակարգը և.

ա. փոխել պարամետրերից մեկը.

մեծացնել փոխազդեցության մեծությունը, պարամետրը Ճնշումամպլիտուդներ, կամ

բարձրացնել արժեքը ՕՀ-ի կարծրացում, կամ

բարձրացնել մոտեցման քայլերի միջև ուշացման ժամանակը (պարամետր Ինտեգրման ժամանակըԷջում Մոտեցման պարամետրերպատուհան Ընտրանքներ).

բ. մեծացրեք զոնդի ծայրի և նմուշի միջև հեռավորությունը (դա անելու համար հետևեք պարբերությունում նկարագրված քայլերին և կատարեք գործողությունը Ռեզոնանս, ապա վերադարձեք ընթացակարգին Մատակարարում.

Բրինձ. 7 30. Զոնդի և նմուշի փոխազդեցության չափը սահմանելու պատուհան

Փոխազդեցությունը ֆիքսելուց հետո հաղորդագրությունը « Մատակարարումն ավարտված է».

Եթե ​​Ձեզ անհրաժեշտ է մոտենալ մեկ քայլով, սեղմեք կոճակը: Այս դեպքում նախ կատարվում է քայլը, այնուհետև ստուգվում է փոխազդեցության գրավման չափանիշները: Շարժումը դադարեցնելու համար սեղմեք կոճակը: Հետադարձ գործողություն կատարելու համար դուք պետք է սեղմեք արագ հետ կանչելու կոճակը

կամ սեղմեք կոճակը դանդաղ հետ կանչելու համար: Եթե ​​Ձեզ անհրաժեշտ է մեկ քայլ հետ քաշել, սեղմեք կոճակը: Այս դեպքում նախ կատարվում է քայլը, այնուհետև ստուգվում է փոխազդեցության գրավման չափանիշները

7. Սկանավորել

Մոտեցման ընթացակարգն ավարտելուց հետո ( Մատակարարում) և ֆիքսեք փոխազդեցությունը, սկանավորումը հասանելի է դառնում (կոճակը գործիքի կառավարման վահանակի պատուհանում):

Սեղմելով այս կոճակը (սկանավորման պատուհանը ցույց է տրված Նկար 7 -31-ում), օգտատերը ուղղակիորեն անցնում է չափումների և չափումների արդյունքների ստացման:

Նախքան սկանավորման գործընթացը իրականացնելը, դուք պետք է սահմանեք սկանավորման պարամետրերը: Այս ընտրանքները խմբավորված են պատուհանի վերին վահանակի աջ կողմում: Սկանավորում.

Ծրագիրը սկսելուց հետո առաջին անգամ դրանք տեղադրվում են լռելյայն.

Սկան տարածք - Տարածաշրջան (Xնմ*Յնմ) 5000*5000 նմ;

Միավորների քանակըառանցքի չափումներ- X, Y: NX=100, NY=100;

Սկան ուղին - Ուղղությունորոշում է սկանավորման ուղղությունը. Ծրագիրը թույլ է տալիս ընտրել արագ սկանավորման առանցքի ուղղությունը (X կամ Y): Երբ սկսում եք ծրագիրը, այն տեղադրվում է Ուղղություն

Սկանավորման պարամետրերը սահմանելուց հետո դուք պետք է սեղմեք կոճակը Դիմելմուտքագրված պարամետրերը և կոճակը հաստատելու համար Սկսելսկսել սկանավորումը:

Բրինձ. 7 31. Գործընթացը վերահսկելու և SCM սկանավորման արդյունքները ցուցադրելու պատուհան

7.4.Մեթոդական ցուցումներ

Նախքան NanoEducator սկանավորող զոնդի մանրադիտակի վրա աշխատելը, դուք պետք է ուսումնասիրեք սարքի օգտագործման ձեռնարկը [Ref. 7 -4]։

7.5. Անվտանգություն

Սարքը սնուցվում է 220 Վ լարման միջոցով: NanoEducator սկանավորող զոնդ մանրադիտակը աշխատում է սպառողական էլեկտրական կայանքների PTE և PTB-ի համաձայն՝ մինչև 1000 Վ լարման:

7.6.Առաջադրանք

1. Պատրաստեք ձեր սեփական կենսաբանական նմուշները SPM ուսումնասիրությունների համար:

2. Գործնականում ուսումնասիրեք NanoEducator սարքի ընդհանուր դիզայնը:

3. Ծանոթացեք NanoEducator սարքի կառավարման ծրագրին։

4. Վերցրեք առաջին SPM պատկերը ուսուցչի հսկողության ներքո:

5. Մշակել և վերլուծել ստացված պատկերը: Բակտերիաների ո՞ր ձևերն են բնորոշ ձեր լուծույթին: Ի՞նչն է որոշում բակտերիալ բջիջների ձևն ու չափը:

6. Վերցրեք Bergey բակտերիաների որոշիչը և ստացված արդյունքները համեմատեք այնտեղ նկարագրվածների հետ:

7.7.Անվտանգության հարցեր

1. Ի՞նչ մեթոդներ կան կենսաբանական օբյեկտների ուսումնասիրության համար:

2. Ի՞նչ է սկանավորման զոնդային մանրադիտակը: Ո՞ր սկզբունքն է դրա հիմքում ընկած:

3. Նշե՛ք SPM-ի հիմնական բաղադրիչները և դրանց նպատակը:

4. Ի՞նչ է պիեզոէլեկտրական էֆեկտը և ինչպես է այն օգտագործվում SPM-ում: Նկարագրեք սկաներների տարբեր ձևավորումները:

5. Նկարագրեք NanoEducator-ի ընդհանուր դիզայնը:

6. Նկարագրեք ուժի սենսորը և դրա գործողության սկզբունքը:

7. Նկարագրեք NanoEducator սարքում զոնդը նմուշին բերելու մեխանիզմը: Բացատրեք այն պարամետրերը, որոնք որոշում են զոնդի և նմուշի փոխազդեցության ուժը:

8. Բացատրեք սկանավորման սկզբունքը և հետադարձ կապի համակարգի աշխատանքը: Ասեք մեզ սկանավորման պարամետրերի ընտրության չափանիշների մասին:

7.8.Գրականություն

Լայթ. 7 1. Պոլ դե Կրույ. Մանրէների որսորդներ. M. Terra. 2001 թ.

Լայթ. 7 2. Մանրէաբանության գործնական պարապմունքների ուղեցույց: Խմբագրվել է Եգորովա Ն.Ս. Մ.: Նաուկա, 1995 թ.

Լայթ. 7 3. Hoult J., Krieg N., P. Sneath, J. Staley, S. Williams: // Բակտերիաների նույնացուցիչ Bergey. M.:Mir, 1997. T. No. 2. P. 574:

Լայթ. 7 4. Սարքի օգտագործման ձեռնարկ Նանոդաստիարակ.առարկաներ. Նիժնի Նովգորոդ. Գիտակրթական կենտրոնի...

Դասախոսության նշումներ «Սկանային զոնդի մանրադիտակը կենսաբանության մեջ» դասընթացի համար Դասախոսության պլան

Վերացական

... Սկանավորումզոնդմանրադիտակկենսաբանության մեջ» Դասախոսության պլան. Ներածություն, SPM-ի սահմանների պատմություն հավելվածներ... և նանոկառուցվածքներ, հետազոտությունկենսաբանականառարկաներՆոբելյան մրցանակակիրներ... Համարհետազոտությունկոնկրետ նմուշ՝ Բ սկանավորումզոնդմանրադիտակՀամար ...

Էլեկտրոնային մանրադիտակի վերաբերյալ Xxiii ռուսաստանյան կոնֆերանսի նախնական ծրագիրը հունիսի 1 Երեքշաբթի առավոտյան 10 00 – 14 00 համաժողովի բացում ներածական խոսք

Ծրագիր

Բ.Պ. Կարաջյան, Յու.Լ. Իվանովա, Յու.Ֆ. Իվլև, Վ.Ի. Պոպենկո Դիմումզոնդև համակցված սկանավորումմանրադիտակՀամարհետազոտությունվերանորոգման գործընթացները՝ օգտագործելով նանոցրված պատվաստումներ...

1-ին համառուսական գիտական ​​կոնֆերանս Ֆունկցիոնալ նյութերի բաղադրության և կառուցվածքի ուսումնասիրության մեթոդներ

Փաստաթուղթ

ԲԱԶՄԱՏԱՐՐԵՐ ՕԲՅԵԿՏՆԵՐԱՌԱՆՑ ՍՏԱՆԴԱՐՏՆԵՐԻ... Լյախով Ն.Զ. ՀԵՏԱԶՈՏՈՒԹՅՈՒՆ NANOCOMPOSITES ԿԵՆՍԱԲԱՆԱԿԱՆԱԿՏԻՎ... Ալիև Վ.Շ. ԴԻՄՈՒՄՄԵԹՈԴ ԶՈՆԴՄԱՆՐԴՈՍԿՈՊԻԱՆԵՐՀԱՄԱՐՀԵՏԱԶՈՏՈՒԹՅՈՒՆԱԶԴԵՑՈՒԹՅՈՒՆ... ՍԿԱՆՈՒՄԿԱԼՈՐԻՄԵՏԻԱ ԵՎ ՋԵՐՄՈՏԻՄՈՒԼԱՑՎԱԾ ՀՈՍԱՆՔՆԵՐ ՀԱՄԱՐՀԵՏԱԶՈՏՈՒԹՅՈՒՆ ...

Ներածություն

Ներկայումս նանոտեխնոլոգիայի գիտատեխնիկական ուղղությունը արագ զարգանում է՝ ընդգրկելով ինչպես հիմնարար, այնպես էլ կիրառական հետազոտությունների լայն շրջանակ։ Սա սկզբունքորեն նոր տեխնոլոգիա է, որն ի վիճակի է լուծել այնպիսի տարբեր ոլորտների խնդիրներ, ինչպիսիք են կապը, կենսատեխնոլոգիան, միկրոէլեկտրոնիկան և էներգետիկան: Այսօր հարյուրից ավելի երիտասարդ ընկերություններ նանոտեխնոլոգիական արտադրանք են մշակում, որոնք շուկա կմտնեն առաջիկա երկու-երեք տարում:

Նանոտեխնոլոգիաները կդառնան 21-րդ դարի առաջատար տեխնոլոգիաները և կնպաստեն տնտեսության և հասարակության սոցիալական ոլորտի զարգացմանը, դրանք կարող են դառնալ նոր արդյունաբերական հեղափոխության նախադրյալ։ Նախորդ երկու հարյուր տարում Արդյունաբերական հեղափոխության մեջ առաջընթացը ձեռք է բերվել Երկրի ռեսուրսների մոտ 80%-ի գնով։ Նանոտեխնոլոգիան զգալիորեն կնվազեցնի ռեսուրսների սպառման ծավալը և ճնշում չի գործադրի շրջակա միջավայրի վրա, նրանք առաջատար դեր կխաղան մարդկության կյանքում, ինչպես, օրինակ, համակարգիչը դարձել է մարդկանց կյանքի անբաժանելի մասը։

Նանոտեխնոլոգիայի առաջընթացը խթանվեց փորձարարական հետազոտության մեթոդների մշակմամբ, որոնցից ամենատեղեկատվականը սկանավորող զոնդային մանրադիտակի մեթոդներն են, որոնց գյուտը և հատկապես տարածումը աշխարհը պարտական ​​է 1986թ. Նոբելյան մրցանակակիրներին՝ պրոֆեսոր Հայնրիխ Ռոհերին և դոկտոր Գերդ Բիննիգին:

Աշխարհը հիացած էր ատոմների վիզուալացման նման պարզ մեթոդների հայտնաբերմամբ և նույնիսկ դրանք շահարկելու հնարավորությամբ։ Շատ հետազոտական ​​խմբեր սկսեցին կառուցել տնական սարքեր և փորձարկել այս ուղղությամբ: Արդյունքում, ստեղծվեցին մի շարք հարմար սարքերի սխեմաներ, և առաջարկվեցին զոնդ-մակերևույթ փոխազդեցության արդյունքները պատկերացնելու տարբեր մեթոդներ, ինչպիսիք են՝ կողային ուժի մանրադիտակ, մագնիսական ուժի մանրադիտակ, մագնիսական, էլեկտրաստատիկ և էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունների գրանցման մանրադիտակ: Ինտենսիվ զարգացում են ստացել մերձադաշտային օպտիկական մանրադիտակի մեթոդները։ Զոնդ-մակերևույթի համակարգում մշակվել են ուղղորդված, վերահսկվող ազդեցության մեթոդներ, օրինակ՝ նանոլիտոգրաֆիա - մակերեսի վրա փոփոխություններ են տեղի ունենում զոնդ-մակերևույթի համակարգում էլեկտրական, մագնիսական ազդեցությունների, պլաստիկ դեֆորմացիաների և լույսի ազդեցության տակ: Տեխնոլոգիաներ են ստեղծվել սահմանված երկրաչափական պարամետրերով զոնդերի արտադրության համար՝ հատուկ ծածկույթներով և կառուցվածքներով՝ տարբեր մակերեսային հատկությունների պատկերացման համար:

Scanning probe microscopy-ը (SPM) պինդ մակերեսի մորֆոլոգիայի և տեղային հատկությունների ուսումնասիրման հզոր ժամանակակից մեթոդներից մեկն է՝ տարածական բարձր լուծունակությամբ: Վերջին 10 տարիների ընթացքում սկանավորող զոնդային մանրադիտակը էկզոտիկ տեխնիկայից վերածվել է միայն սահմանափակ թվով հետազոտական ​​խմբերի, վերածվել է մակերեսի հատկությունների ուսումնասիրման լայն տարածված և հաջող գործիքի: Ներկայումս մակերեսային ֆիզիկայի և բարակ թաղանթային տեխնոլոգիաների ոլորտում գրեթե ոչ մի հետազոտություն ամբողջական չէ առանց SPM մեթոդների կիրառման: Սկանավորող զոնդային մանրադիտակի մշակումը նաև հիմք է ծառայել նանոտեխնոլոգիայի նոր մեթոդների մշակման համար՝ նանոմետրային մասշտաբով կառուցվածքներ ստեղծելու տեխնոլոգիա:

1. Պատմական նախադրյալներ

Փոքր առարկաները դիտարկելու համար հոլանդացի Անտոնի վան Լեուվենհուկը 17-րդ դարում հորինել է մանրադիտակը՝ բացելով մանրէների աշխարհը։ Նրա մանրադիտակները անկատար էին և մեծացնում էին 150-ից 300 անգամ։ Բայց նրա հետևորդները կատարելագործեցին այս օպտիկական սարքը՝ հիմք դնելով կենսաբանության, երկրաբանության և ֆիզիկայի բազմաթիվ հայտնագործությունների։ Այնուամենայնիվ, 19-րդ դարի վերջին (1872 թ.) գերմանացի օպտիկ Էռնստ Կարլ Աբբեն ցույց տվեց, որ լույսի ցրման շնորհիվ մանրադիտակի լուծողական ուժը (այսինքն՝ առարկաների միջև նվազագույն հեռավորությունը, երբ դրանք դեռ չեն միաձուլվել. մեկ պատկեր) սահմանափակված է լույսի ալիքի երկարությամբ (0,4 - 0,8 մկմ): Այսպիսով, նա շատ ջանք խնայեց օպտիկների համար, ովքեր փորձում էին ավելի առաջադեմ մանրադիտակներ ստեղծել, բայց հիասթափեցրեց կենսաբաններին և երկրաբաններին, որոնք կորցրին 1500x-ից բարձր խոշորացում ունեցող գործիք ձեռք բերելու հույսը:

Էլեկտրոնային մանրադիտակի ստեղծման պատմությունը հիանալի օրինակ է այն բանի, թե ինչպես գիտության և տեխնիկայի ինքնուրույն զարգացող ոլորտները կարող են ստացված տեղեկատվության փոխանակման և ուժերը միավորելու միջոցով ստեղծել գիտական ​​հետազոտության նոր հզոր գործիք: Դասական ֆիզիկայի գագաթնակետը էլեկտրամագնիսական դաշտի տեսությունն էր, որը բացատրում էր լույսի տարածումը, էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի առաջացումը և լիցքավորված մասնիկների շարժումն այս դաշտերում որպես էլեկտրամագնիսական ալիքների տարածում։ Ալիքային օպտիկան պարզ դարձրեց դիֆրակցիայի երևույթը, պատկերի ձևավորման մեխանիզմը և լույսի մանրադիտակում լուծումը որոշող գործոնների խաղը։ Տեսական և փորձարարական ֆիզիկայի ոլորտում առաջընթացը մենք պարտական ​​ենք էլեկտրոնի հայտնաբերմանը իր հատուկ հատկություններով: Զարգացման այս առանձին և անկախ թվացող ուղիները հանգեցրին էլեկտրոնային օպտիկայի հիմքերի ստեղծմանը, որի կարևորագույն կիրառություններից մեկը 1930-ականներին ԷՄ-ի գյուտն էր։ Նման հնարավորության ուղղակի ակնարկ կարելի է համարել էլեկտրոնի ալիքային բնույթի վարկածը, որը առաջ քաշեց 1924 թվականին Լուի դը Բրոյլը և փորձնականորեն հաստատեց 1927 թվականին Կ. Դևիսսոնը և Լ. Գերմերը ԱՄՆ-ում և Ջ. Թոմսոնը Անգլիայում։ . Սա առաջարկեց անալոգիա, որը հնարավորություն տվեց կառուցել ԷՄ՝ ալիքային օպտիկայի օրենքների համաձայն: Հ.Բուշը հայտնաբերել է, որ էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի միջոցով հնարավոր է էլեկտրոնային պատկերներ ձևավորել։ 20-րդ դարի առաջին երկու տասնամյակում. Ստեղծվել են նաև անհրաժեշտ տեխնիկական նախադրյալներ։ Արդյունաբերական լաբորատորիաները, որոնք աշխատում էին էլեկտրոնային ճառագայթային օսցիլոսկոպի վրա, արտադրեցին վակուումային տեխնոլոգիա, կայուն բարձր լարման և հոսանքի աղբյուրներ և լավ էլեկտրոնային արտանետիչներ:

1931 թվականին Ռ. Ռուդենբերգը արտոնագրային հայտ ներկայացրեց փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի համար, իսկ 1932 թվականին Մ. Նոլը և Է. Ռուսկան կառուցեցին առաջին նման մանրադիտակը՝ օգտագործելով մագնիսական ոսպնյակներ՝ էլեկտրոնները կենտրոնացնելու համար։ Այս գործիքը ժամանակակից օպտիկական փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի (OTEM) նախորդն էր: (Ռուսկան իր ջանքերի համար պարգևատրվեց 1986թ. Նոբելյան մրցանակով ֆիզիկայի բնագավառում): այս գործիքը ի վերջո հնարավորություն տվեց հասնել 100 նմ լուծաչափի: Մի քանի տարի անց Ա. Պրեբուսը և Ջ. Հիլերը կառուցեցին առաջին բարձր լուծաչափով OPEM-ը Տորոնտոյի համալսարանում (Կանադա):

OPEM-ի լայն հնարավորությունները գրեթե անմիջապես ակնհայտ դարձան։ Դրա արդյունաբերական արտադրությունը միաժամանակ սկսել է Siemens-Halske-ն Գերմանիայում և RCA կորպորացիան ԱՄՆ-ում: 1940-ականների վերջին այլ ընկերություններ սկսեցին արտադրել նման սարքեր։

SEM-ն իր ներկայիս տեսքով հայտնագործվել է 1952 թվականին Չարլզ Օթլիի կողմից: Ճիշտ է, նման սարքի նախնական տարբերակները կառուցվել են Knoll-ի կողմից Գերմանիայում 1930-ականներին, իսկ Զվորիկինը և նրա գործընկերները RCA Corporation-ում 1940-ականներին, բայց միայն Otley-ի սարքը կարողացավ հիմք ծառայել մի շարք տեխնիկական բարելավումների համար, որոնք ավարտվեցին: 1960-ականների կեսերին SEM-ի արդյունաբերական տարբերակի արտադրության մեջ ներմուծման մեջ: Եռաչափ պատկերով և էլեկտրոնային ելքային ազդանշանով նման բավականին հեշտ օգտագործվող սարքի սպառողների շրջանակը երկրաչափորեն ընդլայնվել է: Ներկայումս երեք մայրցամաքներում կան SEM-ի տասնյակ արդյունաբերական արտադրողներ և տասնյակ հազարավոր նման սարքեր, որոնք օգտագործվում են լաբորատորիաներում ամբողջ աշխարհում: 1960-ականներին ստեղծվեցին գերբարձր լարման մանրադիտակներ՝ ավելի հաստ նմուշներ ուսումնասիրելու համար: Այս ուղղության առաջատարը զարգացումը եղել է G. Dupuy-ն Ֆրանսիայում, որտեղ 1970 թվականին շահագործման է հանձնվել 3,5 միլիոն վոլտ արագացնող լարման սարքը: RTM-ը հայտնագործվել է Գ. Բինիգը և Գ. մակերևույթներ Իր աշխատանքի համար Բինիգը և Ռորերը (միևնույն ժամանակ Ռուսկան) ստացան Նոբելյան մրցանակ RTM-ի ստեղծման համար։

1986 թվականին Ռոհերը և Բինիգը հայտնագործեցին սկանավորող զոնդի մանրադիտակը։ Իր գյուտից ի վեր STM-ն լայնորեն օգտագործվել է տարբեր մասնագիտությունների գիտնականների կողմից՝ ընդգրկելով գրեթե բոլոր բնական գիտությունների առարկաները՝ ֆիզիկայի, քիմիայի, կենսաբանության հիմնարար հետազոտություններից մինչև հատուկ տեխնոլոգիական կիրառություններ: STM-ի գործառնական սկզբունքն այնքան պարզ է, իսկ պոտենցիալ հնարավորություններն այնքան մեծ են, որ նույնիսկ մոտ ապագայում անհնար է կանխատեսել դրա ազդեցությունը գիտության և տեխնոլոգիայի վրա:

Ինչպես պարզվեց ավելի ուշ, ծայրային զոնդի գրեթե ցանկացած փոխազդեցություն մակերեսի հետ (մեխանիկական, մագնիսական) կարող է համապատասխան գործիքների և համակարգչային ծրագրերի միջոցով վերածվել մակերեսի պատկերի:

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի տեղադրումը բաղկացած է մի քանի ֆունկցիոնալ բլոկներից, որոնք ներկայացված են Նկ. 1. Սա, առաջին հերթին, մանրադիտակն է, որն ունի պիեզոմանիպուլյատոր՝ զոնդը կառավարելու համար, թունելի հոսանք-լարման փոխարկիչ և նմուշը մատակարարելու քայլային շարժիչ; անալոգային-թվային և թվային-անալոգային փոխարկիչների և բարձր լարման ուժեղացուցիչների բլոկ; քայլային շարժիչի կառավարման միավոր; ազդանշանային պրոցեսորով տախտակ, որը հաշվարկում է հետադարձ կապի ազդանշանը. համակարգիչ, որը հավաքում է տեղեկատվություն և ինտերֆեյս է տրամադրում օգտագործողին: Կառուցվածքային առումով, DAC և ADC միավորը տեղադրվում է նույն բնակարանում, ինչպես նաև քայլային շարժիչի կառավարման միավորը: Անհատական ​​համակարգչի ISA ընդլայնման բնիկում տեղադրված է ազդանշանային պրոցեսորով տախտակ (DSP - Digital Signal Processor) ADSP 2171 Analog Devices-ից:

Մանրադիտակի մեխանիկական համակարգի ընդհանուր տեսքը ներկայացված է Նկ. 2. Մեխանիկական համակարգը ներառում է հիմք՝ պիեզո մանիպուլյատորով և սահուն նմուշի սնուցման համակարգ՝ փոխանցման տուփով ստեպպեր շարժիչի և երկու շարժական չափիչ գլխիկների վրա՝ սկանավոր թունելավորման և ատոմային ուժի մանրադիտակի ռեժիմներում աշխատելու համար: Մանրադիտակը թույլ է տալիս ստանալ կայուն ատոմային լուծում ավանդական փորձարկման մակերեսների վրա՝ առանց լրացուցիչ սեյսմիկ և ակուստիկ զտիչների օգտագործման:

2. Սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների շահագործման սկզբունքները

Սկանավորող զոնդային մանրադիտակներում մակերեսային միկրոռելիեֆի և դրա տեղային հատկությունների ուսումնասիրությունն իրականացվում է ասեղների տեսքով հատուկ պատրաստված զոնդերի միջոցով: Նման զոնդերի աշխատանքային մասը (ծայրը) ունի մոտ տասը նանոմետր չափեր։ Զոնդի մանրադիտակներում զոնդի և նմուշների մակերեսի միջև բնորոշ հեռավորությունը 0,1 – 10 նմ մեծության կարգի է: Զոնդի մանրադիտակների աշխատանքը հիմնված է զոնդի և մակերեսի միջև փոխազդեցության տարբեր տեսակների վրա: Այսպիսով, թունելի մանրադիտակի աշխատանքը հիմնված է մետաղական ասեղի և հաղորդիչ նմուշի միջև հոսող թունելային հոսանքի ֆենոմենի վրա. Տարբեր տեսակի ուժային փոխազդեցություններ են ընկած ատոմային ուժի, մագնիսական ուժի և էլեկտրական ուժի մանրադիտակների աշխատանքի հիմքում: Եկեք դիտարկենք տարբեր զոնդերի մանրադիտակների բնորոշ ընդհանուր հատկանիշները: Թող զոնդի փոխազդեցությունը մակերեսի հետ բնութագրվի որոշակի P պարամետրով: Եթե կա P պարամետրի բավականաչափ կտրուկ և մեկ առ մեկ կախվածություն զոնդ-նմուշի հեռավորությունից, ապա այս պարամետրը կարող է օգտագործվել կազմակերպելու համար. հետադարձ կապի համակարգ (FS), որը վերահսկում է զոնդի և նմուշի միջև հեռավորությունը: Նկ. Նկար 3-ը սխեմատիկորեն ցույց է տալիս SPM հետադարձ կապի կազմակերպման ընդհանուր սկզբունքը:

Հետադարձ կապի համակարգը պահպանում է P պարամետրի արժեքը, որը հավասար է օպերատորի կողմից սահմանված արժեքին: Եթե ​​զոնդ-մակերևույթ հեռավորությունը փոխվում է, ապա փոխվում է P պարամետրը: ՕՀ համակարգում ստեղծվում է տարբերության ազդանշան, որը համաչափ ΔP = P - P արժեքին, որն ուժեղացվում է պահանջվող արժեքին և սնվում է շարժման IE տարրին: Գործարկիչը մշակում է այս տարբերության ազդանշանը՝ զոնդը մոտեցնելով մակերեսին կամ հեռացնում այն, մինչև տարբերության ազդանշանը զրոյի դառնա: Այս կերպ զոնդ-նմուշի հեռավորությունը կարող է պահպանվել մեծ ճշգրտությամբ։ Երբ զոնդը շարժվում է նմուշի մակերևույթի երկայնքով, փոխազդեցության P պարամետրը փոխվում է մակերեսի տեղագրության պատճառով: ՕՀ համակարգը մշակում է այս փոփոխությունները, այնպես որ, երբ զոնդը շարժվում է X, Y հարթությունում, շարժիչի ազդանշանը պարզվում է, որ համաչափ է մակերեսի տեղագրությանը: SPM պատկեր ստանալու համար իրականացվում է նմուշի սկանավորման հատուկ կազմակերպված գործընթաց։ Սկանավորելիս զոնդը սկզբում շարժվում է նմուշի վրայով որոշակի գծի երկայնքով (գծի սկանավորում), մինչդեռ շարժիչի վրա ազդանշանի արժեքը, որը համաչափ է մակերեսի տեղագրությանը, գրանցվում է համակարգչային հիշողության մեջ: Այնուհետև զոնդը վերադառնում է մեկնարկային կետ և շարժվում դեպի հաջորդ սկանավորման գիծ (շրջանակի սկանավորում), և գործընթացը նորից կրկնվում է: Սկանավորման ընթացքում այս կերպ գրանցված հետադարձ ազդանշանը մշակվում է համակարգչի կողմից, այնուհետև կառուցվում է մակերեսի ռելիեֆի SPM պատկերը՝ օգտագործելով համակարգչային գրաֆիկական գործիքներ: Մակերեւույթի տեղագրության ուսումնասիրությանը զուգահեռ՝ զոնդային մանրադիտակները հնարավորություն են տալիս ուսումնասիրել մակերևույթի տարբեր հատկություններ՝ մեխանիկական, էլեկտրական, մագնիսական, օպտիկական և այլն։

3. Զոնդի մանրադիտակների սկանավորող տարրեր (սկաներներ):

3.1 Սկանավորման տարրեր

Զոնդի մանրադիտակները գործարկելու համար անհրաժեշտ է վերահսկել զոնդ-նմուշի աշխատանքային հեռավորությունը և բարձր ճշգրտությամբ (անգստրոմի ֆրակցիաների մակարդակով) զոնդը տեղափոխել նմուշի հարթությունում։ Այս խնդիրը լուծվում է հատուկ մանիպուլյատորների՝ սկանավորող տարրերի (սկաներների) օգնությամբ։ Զոնդային մանրադիտակների սկանավորող տարրերը պատրաստված են պիեզոէլեկտրիկներից՝ պիեզոէլեկտրական հատկություններով նյութերից։ Պիեզոէլեկտրիկները փոխում են իրենց չափերը արտաքին էլեկտրական դաշտում: Բյուրեղների համար հակադարձ պիեզոէլեկտրական ազդեցության հավասարումը գրված է հետևյալ կերպ.

որտեղ u-ը լարվածության թենզորն է, E-ն էլեկտրական դաշտի բաղադրիչներն են, d-ն պիեզոէլեկտրական գործակցի տենզորի բաղադրիչներն են: Պիեզոէլեկտրական գործակիցի տենզորի ձևը որոշվում է բյուրեղների համաչափության տեսակով։

Պիեզոկերամիկական նյութերից պատրաստված փոխարկիչները լայն տարածում են գտել տարբեր տեխնիկական կիրառություններում։ Պիեզոկերամիկան բևեռացված պոլիբյուրեղային նյութ է, որը ստացվում է բյուրեղային ֆերոէլեկտրիկներից փոշու սինթրման միջոցով: Կերամիկայի բևեռացումն իրականացվում է հետևյալ կերպ. Կերամիկան տաքացվում է Կյուրիի ջերմաստիճանից բարձր (պիեզոկերամիկայի մեծ մասի համար այս ջերմաստիճանը 300C-ից ցածր է), այնուհետև դանդաղ սառչում է ուժեղ (մոտ 3 կՎ/սմ) էլեկտրական դաշտում։ Սառչելուց հետո պիեզոկերամիկան առաջացրել է բևեռացում և ձեռք է բերում չափը փոխելու հատկություն (մեծացում կամ նվազում՝ կախված բևեռացման վեկտորի և արտաքին էլեկտրական դաշտի վեկտորի փոխադարձ ուղղությունից):

Խողովակային պիեզոէլեմենտները լայն տարածում են գտել սկանավոր զոնդի մանրադիտակում (նկ. 4): Նրանք հնարավորություն են տալիս ձեռք բերել օբյեկտների բավականին մեծ շարժումներ համեմատաբար փոքր կառավարման լարումներով: Խողովակային պիեզոէլեմենտները պիեզոկերամիկական նյութերից պատրաստված խոռոչ բարակ պատերով բալոններ են։ Սովորաբար, մետաղի բարակ շերտերի տեսքով էլեկտրոդները կիրառվում են խողովակի արտաքին և ներքին մակերեսների վրա, մինչդեռ խողովակի ծայրերը մնում են բաց:

Ներքին և արտաքին էլեկտրոդների պոտենցիալ տարբերության ազդեցության տակ խողովակը փոխում է իր երկայնական չափերը: Այս դեպքում ճառագայթային էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ գտնվող երկայնական դեֆորմացիան կարելի է գրել այսպես.

որտեղ l-ը չդեֆորմացվող վիճակում գտնվող խողովակի երկարությունն է: Պիեզո խողովակի բացարձակ երկարացումը հավասար է

որտեղ h-ը պիեզոտողովակի պատի հաստությունն է, V-ը ներքին և արտաքին էլեկտրոդների պոտենցիալ տարբերությունն է: Այսպիսով, նույն V լարման դեպքում խողովակի երկարացումը ավելի մեծ կլինի, այնքան մեծ կլինի նրա երկարությունը և այնքան փոքր կլինի պատի հաստությունը:

Երեք խողովակների միացումը մեկ միավորի մեջ թույլ է տալիս կազմակերպել մանրադիտակի զոնդի ճշգրիտ շարժումները երեք փոխադարձ ուղղահայաց ուղղություններով: Այս սկանավորման տարրը կոչվում է եռոտանի:

Նման սկաների թերությունները արտադրության բարդությունն են և դիզայնի ուժեղ անհամաչափությունը: Այսօր, մեկ խողովակային տարրի վրա հիմնված սկաներներն առավել լայնորեն օգտագործվում են սկանավորող զոնդերի մանրադիտակում: Խողովակային սկաների ընդհանուր տեսքը և էլեկտրոդների դասավորությունը ներկայացված են Նկ. 5. Խողովակի նյութը ունի բեւեռացման վեկտորի ճառագայթային ուղղություն:

Ներքին էլեկտրոդը սովորաբար ամուր է: Սկաների արտաքին էլեկտրոդը բալոնի երկայնքով բաժանված է չորս հատվածի: Երբ հակաֆազային լարումները կիրառվում են արտաքին էլեկտրոդի հակառակ հատվածների վրա (ներքինի համեմատ), խողովակի հատվածը կծկվում է այն վայրում, որտեղ դաշտի ուղղությունը համընկնում է բևեռացման ուղղության հետ, և երկարանում է, որտեղ դրանք ուղղված են հակառակ ուղղությամբ։ ուղղությունները։ Սա հանգեցնում է խողովակի թեքմանը համապատասխան ուղղությամբ: Այս կերպ սկանավորումն իրականացվում է X, Y հարթություններում: Ներքին էլեկտրոդի ներուժի փոփոխությունը բոլոր արտաքին հատվածների նկատմամբ հանգեցնում է խողովակի երկարացման կամ կրճատման Z առանցքի երկայնքով: Այսպիսով, հնարավոր է կազմակերպել երեք. կոորդինատային սկաներ՝ հիմնված մեկ պիեզո խողովակի վրա: Իրական սկանավորման տարրերը հաճախ ունենում են ավելի բարդ դիզայն, սակայն դրանց շահագործման սկզբունքները մնում են նույնը:

Մեծ տարածում են գտել նաև բիմորֆ պիեզո տարրերի վրա հիմնված սկաներները։ Բիմորֆը բաղկացած է երկու պիեզոէլեկտրական թիթեղներից, որոնք սոսնձված են այնպես, որ դրանցից յուրաքանչյուրում բևեռացման վեկտորները ուղղվեն հակառակ ուղղություններով (նկ. 6): Եթե ​​լարումը կիրառվում է բիմորֆ էլեկտրոդների վրա, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 6, ապա թիթեղներից մեկը կընդլայնվի, իսկ մյուսը կծկվի, ինչը կհանգեցնի ամբողջ տարրի ճկմանը: Բիմորֆ տարրերի իրական ձևավորումներում պոտենցիալ տարբերություն է ստեղծվում ներքին ընդհանուր և արտաքին էլեկտրոդների միջև այնպես, որ մի տարրում դաշտը համընկնում է բևեռացման վեկտորի ուղղության հետ, իսկ մյուսում այն ​​ուղղվում է հակառակ ուղղությամբ:

Էլեկտրական դաշտերի ազդեցության տակ բիմորֆի կռումը հիմք է հանդիսանում բիմորֆ պիեզոսկաներների աշխատանքի համար։ Երեք բիմորֆ տարրերը մեկ դիզայնի մեջ համատեղելով՝ հնարավոր է եռոտանի ներդնել բիմորֆ տարրերի վրա։

Եթե ​​բիմորֆ տարրի արտաքին էլեկտրոդները բաժանված են չորս հատվածի, ապա հնարավոր է կազմակերպել զոնդի շարժումը Z առանցքի երկայնքով և X, Y հարթությունում մեկ բիմորֆ տարրի վրա (նկ. 7):

Իրոք, հակաֆազային լարումներ կիրառելով արտաքին էլեկտրոդների հակառակ զույգ հատվածների վրա, հնարավոր է բիմորֆը թեքել այնպես, որ զոնդը շարժվի X, Y հարթությունում (նկ. 7 (ա, բ)): Իսկ արտաքին էլեկտրոդների բոլոր հատվածների նկատմամբ ներքին էլեկտրոդի պոտենցիալը փոխելով, հնարավոր է բիմորֆը թեքել՝ զոնդը շարժելով Z ուղղությամբ (նկ. 7 (գ, դ)):

3.2 Պիեզոկերամիկայի ոչ գծայինություն

Չնայած բյուրեղների նկատմամբ մի շարք տեխնոլոգիական առավելություններին, պիեզոկերամիկան ունի որոշ թերություններ, որոնք բացասաբար են անդրադառնում սկանավորող տարրերի աշխատանքի վրա: Այս թերություններից մեկը պիեզոէլեկտրական հատկությունների ոչ գծային լինելն է: Նկ. Որպես օրինակ, Նկար 8-ը ցույց է տալիս Z-ի ուղղությամբ պիեզոտողովակի տեղաշարժի մեծության կախվածությունը կիրառվող դաշտի մեծությունից: Ընդհանուր դեպքում (հատկապես մեծ կառավարման դաշտերի դեպքում) պիեզոկերամիկան բնութագրվում է դաշտից (կամ հսկիչ լարումից) դեֆորմացիաների ոչ գծային կախվածությամբ։

Այսպիսով, պիեզոկերամիկայի դեֆորմացիան արտաքին էլեկտրական դաշտի բարդ ֆունկցիա է.

Փոքր կառավարման դաշտերի համար այս կախվածությունը կարող է ներկայացվել հետևյալ ձևով.

u = d* E+ α* E*E+…

որտեղ d-ն և α-ն պիեզոէլեկտրական էֆեկտի գծային և քառակուսի մոդուլներն են:

Դաշտի տիպիկ արժեքները E, որոնցում սկսում են ի հայտ գալ ոչ գծային էֆեկտներ, 100 Վ/մմ կարգի են: Հետևաբար, սկանավորող տարրերի ճիշտ աշխատանքի համար հսկիչ դաշտերը կերամիկայի գծայինության շրջանում (E.< Е) .

սկանավորող զոնդ էլեկտրոնային մանրադիտակ

3.3 Պիեզոկերամիկայի սողում և պիեզոկերամիկայի հիստերեզ

Պիեզոկերամիկայի մեկ այլ թերություն է, այսպես կոչված, սողալը (սողալը)՝ հսկիչ էլեկտրական դաշտի արժեքի փոփոխության հետաձգված արձագանքը:

Սողալը առաջացնում է այս էֆեկտի հետ կապված երկրաչափական աղավաղումներ, որոնք դիտվում են SPM պատկերներում: Creep-ը հատկապես ուժեղ էֆեկտ է ունենում, երբ սկաներները բերում են տվյալ կետ՝ տեղական չափումներ իրականացնելու և սկանավորման գործընթացի սկզբնական փուլերում: Կերամիկական սողանքի ազդեցությունը նվազեցնելու համար այս գործընթացներում օգտագործվում են ժամանակային ուշացումներ, որոնք հնարավորություն են տալիս մասամբ փոխհատուցել սկաների ուշացումը:

Պիեզոկերամիկայի մեկ այլ թերություն է էլեկտրական դաշտի փոփոխության ուղղությունից (հիստերեզ) երկարացման կախվածության անորոշությունը։

Սա հանգեցնում է նրան, որ նույն հսկիչ լարման դեպքում պիեզոկերամիկան հայտնվում է հետագծի տարբեր կետերում՝ կախված շարժման ուղղությունից: Պիեզոկերամիկայի հիստերեզի հետևանքով առաջացած SPM պատկերներում աղավաղումները վերացնելու համար տեղեկատվությունը գրանցվում է միայն կախվածության ճյուղերից մեկի վրա նմուշները սկանավորելիս:

4. Զոնդի և նմուշի ճշգրիտ շարժումների սարքեր

4.1 Մեխանիկական փոխանցման տուփեր

Սկանավորող մանրադիտակի կարևոր տեխնիկական խնդիրներից մեկը զոնդի և նմուշի ճշգրիտ շարժման անհրաժեշտությունն է, որպեսզի ձևավորվի մանրադիտակի աշխատանքային բացը և ընտրվի ուսումնասիրվող մակերեսը: Այս խնդիրը լուծելու համար օգտագործվում են տարբեր տեսակի սարքեր, որոնք բարձր ճշգրտությամբ տեղափոխում են առարկաները։ Տարբեր մեխանիկական փոխանցման տուփեր են տարածվել, որոնցում սկզբնական շարժման կոպիտ շարժումը համապատասխանում է տեղահանված առարկայի նուրբ շարժմանը։ Շարժումների նվազեցման մեթոդները կարող են տարբեր լինել: Լայնորեն կիրառվում են լծակային սարքերը, որոնցում շարժման քանակի կրճատումն իրականացվում է լծակների թեւերի երկարության տարբերության պատճառով։ Լծակային փոխանցման տուփի դիագրամը ներկայացված է Նկ. 9.

Մեխանիկական լծակը թույլ է տալիս ձեռք բերել շարժման կրճատում գործակցով

Այսպիսով, որքան մեծ է L թևի և l թևի հարաբերակցությունը, այնքան ավելի ճշգրիտ կարող է վերահսկվել զոնդին և նմուշին մոտենալու գործընթացը:

Նաև մանրադիտակների նախագծերում լայնորեն կիրառվում են մեխանիկական փոխանցումատուփեր, որոնցում շարժումների կրճատումը ձեռք է բերվում երկու շարքով միացված առաձգական տարրերի կոշտության գործակիցների տարբերության պատճառով (նկ. 10): Կառույցը բաղկացած է կոշտ հիմքից, զսպանակից և առաձգական ճառագայթից։ Զսպանակի k-ի և առաձգական փնջի կոշտությունը K-ն ընտրված է այնպես, որ պայմանը բավարարվի՝ k.< K .

Կրճատման գործակիցը հավասար է առաձգական տարրերի կոշտության գործակիցների հարաբերակցությանը.

Այսպիսով, որքան մեծ է ճառագայթի կոշտության և զսպանակի կոշտության հարաբերակցությունը, այնքան ավելի ճշգրիտ կարող է վերահսկվել մանրադիտակի աշխատանքային տարրի տեղաշարժը:

4.2 Քայլային շարժիչներ

Stepper motors (SEM) էլեկտրամեխանիկական սարքեր են, որոնք էլեկտրական իմպուլսները վերածում են դիսկրետ մեխանիկական շարժումների: Ստեպեր շարժիչների կարևոր առավելությունն այն է, որ դրանք ապահովում են ռոտորի դիրքի միանշանակ կախվածությունը մուտքային հոսանքի իմպուլսներից, այնպես որ ռոտորի պտտման անկյունը որոշվում է հսկիչ իմպուլսների քանակով: SHED-ում ոլորող մոմենտն առաջանում է ստատորի և ռոտորի բևեռների կողմից առաջացած մագնիսական հոսքերի միջոցով, որոնք համապատասխանաբար կողմնորոշված ​​են միմյանց նկատմամբ:

Ամենապարզ դիզայնը մշտական ​​մագնիսական շարժիչների համար է: Դրանք բաղկացած են ստատորից, որն ունի ոլորուն և մշտական ​​մագնիսներ պարունակող ռոտորից։ Նկ. Նկար 11-ը ցույց է տալիս քայլային շարժիչի պարզեցված դիզայնը:

Ռոտորի փոփոխական բևեռները ունեն ուղղագիծ և գտնվում են շարժիչի առանցքին զուգահեռ: Նկարում ներկայացված շարժիչն ունի 3 զույգ ռոտորային բևեռ և 2 զույգ ստատորի բևեռ: Շարժիչը ունի 2 անկախ ոլորուն, որոնցից յուրաքանչյուրը փաթաթված է ստատորի երկու հակադիր բևեռների վրա: Ցուցադրված շարժիչը ունի 30 աստիճան քայլի չափ: Երբ հոսանքը միացված է ոլորուններից մեկում, ռոտորը հակված է զբաղեցնելու այնպիսի դիրք, որում ռոտորի և ստատորի հակառակ բևեռները գտնվում են միմյանց հակառակ: Շարունակական ռոտացիայի հասնելու համար անհրաժեշտ է հերթափոխով միացնել ոլորունները:

Գործնականում օգտագործվում են քայլային շարժիչներ, որոնք ունեն ավելի բարդ դիզայն և ապահովում են 100-ից 400 քայլ մեկ ռոտորի պտույտի համար: Եթե ​​նման շարժիչը զուգակցված է պարուրակային միացմամբ, ապա մոտ 0,1 մմ թելի քայլով ապահովվում է օբյեկտի դիրքավորման ճշգրտությունը մոտ 0,25 - 1 մկմ: Ճշգրտությունը բարձրացնելու համար օգտագործվում են լրացուցիչ մեխանիկական փոխանցումատուփեր: Էլեկտրական հսկողության հնարավորությունը հնարավորություն է տալիս արդյունավետորեն օգտագործել ShED-ը ավտոմատացված համակարգերում՝ զոնդին և սկանավոր զոնդի մանրադիտակների նմուշին մոտենալու համար:

4.3 Պիեզո ստեպպեր շարժիչներ

Արտաքին թրթռումներից գործիքների լավ մեկուսացման պահանջները և վակուումային պայմաններում զոնդային մանրադիտակների գործարկման անհրաժեշտությունը լուրջ սահմանափակումներ են դնում զոնդը և նմուշը տեղափոխելու համար զուտ մեխանիկական սարքերի օգտագործման վրա: Այս առումով զոնդային մանրադիտակներում լայն տարածում են գտել պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների վրա հիմնված սարքերը, որոնք թույլ են տալիս հեռակառավարել առարկաների շարժումը։

Քայլային իներցիալ պիեզո շարժիչի նախագծերից մեկը ներկայացված է Նկ. 12. Այս սարքը պարունակում է հիմք (1), որի վրա ամրացված է պիեզոէլեկտրական խողովակ (2): Խողովակն ունի էլեկտրոդներ (3) արտաքին և ներքին մակերեսների վրա: Խողովակի վերջում տեղադրված է ճեղքված զսպանակ (4), որը իրենից ներկայացնում է առանձին զսպանակավոր թերթիկներով գլան։ Գարնանը տեղադրվում է օբյեկտի պահող (5)՝ փայլեցված մակերեսով բավականին զանգվածային գլան։ Տեղափոխվող առարկան կարելի է ամրացնել բռնակին` օգտագործելով զսպանակ կամ միացնող ընկույզ, որը թույլ է տալիս սարքին աշխատել տարածության մեջ ցանկացած կողմնորոշմամբ:

Սարքը աշխատում է հետևյալ կերպ. Օբյեկտի ամրակը Z առանցքի ուղղությամբ տեղափոխելու համար պիեզո խողովակի էլեկտրոդների վրա կիրառվում է սղոցի զարկերակային լարում (նկ. 13):

Սղոցի լարման հարթ առջևի մասում խողովակը սահուն երկարանում է կամ կծկվում՝ կախված լարման բևեռականությունից, և դրա ծայրը, զսպանակի և օբյեկտի պահողի հետ միասին, տեղաշարժվում է հեռավորության վրա.

Սղոցի լարման արձակման պահին խողովակը վերադառնում է իր սկզբնական դիրքին a արագացումով, որն ի սկզբանե ունի առավելագույն արժեք.

որտեղ ω-ն խողովակի երկայնական թրթռումների ռեզոնանսային հաճախությունն է: Երբ F պայմանը բավարարված է< 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. Զոնդերի մանրադիտակների պաշտպանություն արտաքին ազդեցություններից

5.1 Թրթռումային պաշտպանություն

Սարքերը արտաքին թրթռումներից պաշտպանելու համար օգտագործվում են տարբեր տեսակի թրթռման մեկուսիչ համակարգեր: Պայմանականորեն դրանք կարելի է բաժանել պասիվ և ակտիվ: Պասիվ թրթռման մեկուսիչ համակարգերի հիմնական գաղափարը հետևյալն է. Մեխանիկական համակարգի հարկադիր տատանումների ամպլիտուդը արագորեն նվազում է, քանի որ մեծանում է հուզիչ ուժի հաճախականության և համակարգի բնական ռեզոնանսային հաճախականության տարբերությունը (Տատանողական համակարգի տիպիկ ամպլիտուդա-հաճախական արձագանքը (AFC) ներկայացված է Նկար 14-ում։ )

Հետևաբար, ω > ω հաճախականություններով արտաքին ազդեցությունները գործնականում նկատելի ազդեցություն չունեն տատանողական համակարգի վրա: Հետևաբար, եթե զոնդի մանրադիտակի չափիչ գլուխը տեղադրեք թրթռումը մեկուսիչ հարթակի կամ առաձգական կախոցի վրա (նկ. 15), ապա միայն թրթռումային մեկուսիչ համակարգի ռեզոնանսային հաճախականությանը մոտ հաճախականությամբ արտաքին թրթռումները կանցնեն: մանրադիտակի մարմին: Քանի որ SPM գլխիկների բնական հաճախականությունները 10–100 կՀց են, ընտրելով թրթռման մեկուսիչ համակարգի ռեզոնանսային հաճախականությունը բավականին ցածր (մոտ 5–10 Հց), դուք կարող եք շատ արդյունավետ պաշտպանել սարքը արտաքին թրթռումներից: Բնական ռեզոնանսային հաճախականություններում թրթռումները թուլացնելու համար մածուցիկ շփումով ցրող տարրերը ներմուծվում են թրթռման մեկուսիչ համակարգեր:

Այսպիսով, արդյունավետ պաշտպանություն ապահովելու համար անհրաժեշտ է, որ թրթռումային մեկուսիչ համակարգի ռեզոնանսային հաճախականությունը լինի հնարավորինս ցածր: Այնուամենայնիվ, շատ ցածր հաճախականությունները գործնականում դժվար է իրականացնել:

SPM գլուխները պաշտպանելու համար հաջողությամբ օգտագործվում են արտաքին թրթռումները ճնշելու ակտիվ համակարգեր: Այդպիսի սարքերն են էլեկտրամեխանիկական համակարգերը՝ բացասական արձագանքով, որն ապահովում է թրթռամեկուսացնող հարթակի կայուն դիրքը տարածության մեջ (նկ. 16):

5.2 Ակուստիկ աղմուկից պաշտպանություն

Զոնդային մանրադիտակների նախագծման տարրերում թրթռումների մեկ այլ աղբյուր տարբեր բնույթի ակուստիկ աղմուկն է:

Ակուստիկ միջամտության առանձնահատկությունն այն է, որ ակուստիկ ալիքներն ուղղակիորեն ազդում են SPM գլխիկների կառուցվածքային տարրերի վրա, ինչը հանգեցնում է հետազոտվող նմուշի մակերեսի համեմատ զոնդի տատանումների: SPM-ները ակուստիկ միջամտությունից պաշտպանելու համար օգտագործվում են տարբեր պաշտպանիչ գլխարկներ, որոնք կարող են զգալիորեն նվազեցնել ակուստիկ միջամտության մակարդակը մանրադիտակի աշխատանքային բացվածքի տարածքում: Ակուստիկ միջամտությունից ամենաարդյունավետ պաշտպանությունը զոնդի մանրադիտակի չափիչ գլուխը վակուումային խցիկում տեղադրելն է (նկ. 17):

5.3 Մակերեւույթից վեր զոնդի դիրքի ջերմային դրեյֆի կայունացում

SPM-ի կարևոր խնդիրներից մեկը հետազոտվող նմուշի մակերևույթի վերևում զոնդի դիրքի կայունացման խնդիրն է: Զոնդի դիրքի անկայունության հիմնական աղբյուրը շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի փոփոխությունն է կամ նրա աշխատանքի ընթացքում զոնդի մանրադիտակի կառուցվածքային տարրերի տաքացումը: Պինդ մարմնի ջերմաստիճանի փոփոխությունը հանգեցնում է ջերմաէլաստիկ դեֆորմացիաների առաջացման: Նման դեֆորմացիաները շատ էական ազդեցություն ունեն զոնդային մանրադիտակների աշխատանքի վրա: Ջերմային շեղումը նվազեցնելու համար օգտագործվում է SPM չափիչ գլխիկների ջերմաստատում կամ գլխիկների նախագծման մեջ ներմուծվում են ջերմային փոխհատուցող տարրեր: Ջերմային փոխհատուցման գաղափարը հետևյալն է. Ցանկացած SPM դիզայն կարող է ներկայացվել որպես տարբեր ջերմային ընդարձակման գործակիցներով տարրերի հավաքածու (նկ. 18 (ա)):

Ջերմային շեղումը փոխհատուցելու համար SPM չափիչ գլխիկների նախագծման մեջ ներմուծվում են փոխհատուցող տարրեր՝ տարբեր ընդարձակման գործակիցներով, այնպես որ կառույցի տարբեր թեւերում ջերմաստիճանի ընդլայնումների գումարը հավասար է զրոյի.

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Z առանցքի երկայնքով զոնդի դիրքի ջերմային շեղումը նվազեցնելու ամենապարզ միջոցը SPM նախագծում փոխհատուցող տարրերի ներմուծումն է, որոնք պատրաստված են նույն նյութից և նույն բնորոշ չափսերով, ինչ հիմնական կառուցվածքային տարրերը (նկ. 18 (բ)): Երբ այս դիզայնի ջերմաստիճանը փոխվի, զոնդի տեղաշարժը Z ուղղությամբ կլինի նվազագույն: X, Y հարթություններում զոնդի դիրքը կայունացնելու համար մանրադիտակների չափիչ գլուխները արտադրվում են առանցքային սիմետրիկ կառուցվածքների տեսքով:

6. SPM պատկերների ձևավորում և մշակում

6.1 Սկանավորման գործընթաց

Մակերեւույթի սկանավորման գործընթացը սկանավոր զոնդի մանրադիտակով նման է հեռուստատեսային կաթոդային խողովակի էկրանով էլեկտրոնային ճառագայթի շարժմանը: Զոնդը շարժվում է գծի (գծի) երկայնքով՝ սկզբում դեպի առաջ, իսկ հետո՝ հակառակ ուղղությամբ (գծի սկանավորում), այնուհետև տեղափոխվում է հաջորդ գիծ (շրջանակի սկանավորում) (նկ. 19): Զոնդը շարժվում է սկաների միջոցով փոքր քայլերով` թվային-անալոգային փոխարկիչների կողմից առաջացած սղոցային լարման ազդեցության ներքո: Մակերեւութային տեղագրության մասին տեղեկատվության գրանցումն իրականացվում է, որպես կանոն, ուղիղ անցումով։

Սկանավորող զոնդ մանրադիտակի միջոցով ստացված տեղեկատվությունը պահվում է SPM շրջանակի տեսքով՝ a (մատրիցա) ամբողջ թվերի երկչափ զանգված: Այս թվերի ֆիզիկական նշանակությունը որոշվում է այն արժեքով, որը թվայնացվել է սկանավորման գործընթացում: ij զույգ ինդեքսների յուրաքանչյուր արժեք համապատասխանում է սկանավորման դաշտի մակերևույթի որոշակի կետին: Մակերեւութային կետերի կոորդինատները հաշվարկվում են՝ պարզապես համապատասխան ինդեքսը բազմապատկելով այն կետերի միջև եղած հեռավորությամբ, որոնցում գրանցվել է տեղեկատվությունը։

Որպես կանոն, SPM շրջանակները 2 չափսի քառակուսի մատրիցներ են (հիմնականում 256x256 և 512x512 տարրեր): SPM շրջանակների վիզուալիզացիան իրականացվում է համակարգչային գրաֆիկայի միջոցով՝ հիմնականում եռաչափ (3D) և երկչափ պայծառության (2D) պատկերների տեսքով: Եռաչափ վիզուալիզացիայի ժամանակ մակերեսի պատկերը կառուցվում է աքսոնոմետրիկ տեսանկյունից՝ օգտագործելով պիքսելներ կամ գծեր: Բացի սրանից, օգտագործվում են տարբեր մեթոդներ՝ մակերևույթի ռելիեֆի տարբեր բարձրություններին համապատասխանող պիքսելներն ընդգծելու համար: Եռաչափ պատկերները գունավորելու ամենաարդյունավետ միջոցը մակերևույթի լուսավորության պայմանների նմանակումն է մակերևույթից վերև գտնվող տարածության ինչ-որ կետում տեղակայված կետային աղբյուրի միջոցով (նկ. 20): Միաժամանակ կարելի է ընդգծել ռելիեֆի փոքրածավալ անհարթությունը։ Նաև համակարգչային մշակման և գրաֆիկայի միջոցով իրականացվում է 3D SPM պատկերների մասշտաբավորում և ռոտացիա։ 2D վիզուալիզացիայի դեպքում յուրաքանչյուր մակերևույթի կետին հատկացվում է գույն: Առավել լայնորեն կիրառվում են գրադիենտ գունապնակները, որոնցում պատկերը գունավորվում է որոշակի գույնի տոնով՝ մակերեսի վրա գտնվող կետի բարձրությանը համապատասխան։

Տեղական SPM չափումները, որպես կանոն, ներառում են ուսումնասիրվող քանակների կախվածության գրանցում տարբեր պարամետրերից: Օրինակ, սրանք են էլեկտրական հոսանքի մեծության կախվածությունը զոնդ-մակերևույթի շփման միջոցով կիրառվող լարումից, զոնդի և մակերեսի միջև ուժի փոխազդեցության տարբեր պարամետրերի կախվածությունը զոնդ-նմուշի հեռավորությունից և այլն: տեղեկատվությունը պահվում է վեկտորային զանգվածների կամ 2 x N մատրիցների տեսքով։Դրանց վիզուալիզացիայի համար Մանրադիտակի ծրագրաշարը տրամադրում է մի շարք ստանդարտ գործիքներ՝ ֆունկցիաների գրաֆիկները ցուցադրելու համար։

6.2 Պատկերների կառուցման և մշակման մեթոդներ

Օբյեկտների հատկությունները սկանավորող զոնդային մանրադիտակի մեթոդներով ուսումնասիրելիս գիտական ​​հետազոտության հիմնական արդյունքը, որպես կանոն, այդ օբյեկտների մակերեսի եռաչափ պատկերներն են։ Պատկերի մեկնաբանման համարժեքությունը կախված է մասնագետի որակավորումից: Միևնույն ժամանակ, պատկերների մշակման և կառուցման ժամանակ օգտագործվում են մի շարք ավանդական տեխնիկա, որոնց պետք է տեղյակ լինեք պատկերները վերլուծելիս։ Սկանավորող զոնդ մանրադիտակը հայտնվել է համակարգչային տեխնիկայի ինտենսիվ զարգացման ժամանակ: Ուստի եռաչափ պատկերներ գրանցելիս այն օգտագործել է համակարգիչների համար մշակված թվային պահպանման մեթոդներ։ Սա հանգեցրեց պատկերների վերլուծության և մշակման զգալի հարմարության, սակայն անհրաժեշտ էր զոհաբերել էլեկտրոնային մանրադիտակի մեթոդներին բնորոշ լուսանկարչական որակը: Զոնդի մանրադիտակի միջոցով ստացված տեղեկատվությունը համակարգչում ներկայացված է որպես ամբողջ թվերի երկչափ մատրիցա: Այս մատրիցի յուրաքանչյուր թիվ, կախված սկանավորման ռեժիմից, կարող է լինել թունելի ընթացիկ արժեք, կամ շեղման արժեք կամ ավելի բարդ ֆունկցիայի արժեք: Եթե ​​դուք ցույց տաք այս մատրիցը մարդուն, ապա նա չի կարողանա որևէ համահունչ պատկերացում կազմել ուսումնասիրվող մակերեսի մասին: Այսպիսով, առաջին խնդիրը թվերը հեշտ հասկանալի ձևի վերածելն է: Դա արվում է հետևյալ կերպ. Բնօրինակ մատրիցում թվերը գտնվում են որոշակի տիրույթում, կան նվազագույն և առավելագույն արժեքներ: Ամբողջ թվերի այս տիրույթին վերագրվում է գունային գունապնակ: Այսպիսով, մատրիցայի յուրաքանչյուր արժեք քարտեզագրվում է ուղղանկյուն պատկերի որոշակի գույնի կետի վրա: Այն տողը և սյունակը, որտեղ գտնվում է այս արժեքը, դառնում են կետի կոորդինատները: Արդյունքում մենք ստանում ենք նկար, որում, օրինակ, մակերեսի բարձրությունը փոխանցվում է գույնով՝ ինչպես աշխարհագրական քարտեզի վրա։ Բայց քարտեզի վրա սովորաբար օգտագործվում են միայն տասնյակ գույներ, բայց մեր նկարում կան հարյուրավոր և հազարավոր գույներ: Ընկալման հեշտության համար, բարձրության մոտ գտնվող կետերը պետք է ներկայացվեն նմանատիպ գույներով: Կարող է պարզվել, և, որպես կանոն, միշտ պատահում է, որ սկզբնական արժեքների շրջանակն ավելի մեծ է, քան հնարավոր գույների քանակը: Այս դեպքում ինֆորմացիան կորչում է, իսկ գույների քանակի ավելացումը լուծում չէ, քանի որ մարդու աչքի հնարավորությունները սահմանափակ են։ Պահանջվում է տեղեկատվության լրացուցիչ մշակում, և մշակումը պետք է տարբեր լինի՝ կախված առաջադրանքներից: Որոշ մարդիկ պետք է տեսնեն ամբողջ պատկերը, իսկ ոմանք ցանկանում են նայել մանրամասներին: Դրա համար օգտագործվում են տարբեր մեթոդներ.

6.3 Հաստատուն թեքության հանում

Զոնդի մանրադիտակներով ստացված մակերեսային պատկերները սովորաբար ունեն ընդհանուր թեքություն: Սա կարող է պայմանավորված լինել մի քանի պատճառներով: Նախ, թեքությունը կարող է հայտնվել զոնդի նկատմամբ նմուշի ոչ ճշգրիտ տեղադրման պատճառով. երկրորդ, դա կարող է կապված լինել ջերմաստիճանի շեղման հետ, ինչը հանգեցնում է նմուշի համեմատ զոնդի տեղաշարժի. երրորդ, դա կարող է պայմանավորված լինել պիեզոսկաներների շարժումների ոչ գծայինությամբ: Թեքության ցուցադրումը մեծ քանակությամբ օգտագործելի տարածություն է սպառում SPM շրջանակում, այնպես որ պատկերի փոքր մանրամասները դառնում են անտեսանելի: Այս թերությունը վերացնելու համար կատարվում է հաստատուն թեքություն հանելու օպերացիան։ Դա անելու համար առաջին փուլում մոտավոր հարթությունը հայտնաբերվում է նվազագույն քառակուսիների մեթոդով

P(x,y), որն ունի նվազագույն շեղումներ մակերեսի ռելիեֆից Z = f(x,y), ապա այս հարթությունը հանվում է SPM պատկերից։ Ցանկալի է հանում կատարել տարբեր ձևերով՝ կախված թեքության բնույթից։

Եթե ​​SPM պատկերում թեքությունը պայմանավորված է նմուշի թեքությամբ՝ համեմատած զոնդի նմուշի հետ, ապա նպատակահարմար է պտտել հարթությունը հարթության և Z առանցքի միջև անկյան համապատասխան անկյան տակ. այս դեպքում մակերևույթի կոորդինատները Z = f(x,y) փոխակերպվում են տարածական պտույտի փոխակերպումների համաձայն։ Սակայն այս փոխակերպմամբ հնարավոր է ստանալ մակերեսի պատկեր Z = f(x,y) բազմարժեք ֆունկցիայի տեսքով։ Եթե ​​թեքությունը պայմանավորված է ջերմային դրեյֆով, ապա թեքությունը հանելու կարգը կրճատվում է հարթության Z կոորդինատները SPM պատկերի Z կոորդինատներից հանելու համար.

Արդյունքը արժեքների ավելի փոքր տիրույթով զանգված է, և պատկերի նուրբ մանրամասները կարտացոլվեն ավելի շատ գույներով՝ դառնալով ավելի տեսանելի:

6.4 Սկաների թերությունների հետ կապված աղավաղումների վերացում

Սկաների հատկությունների անկատարությունը հանգեցնում է նրան, որ SPM պատկերը պարունակում է մի շարք կոնկրետ աղավաղումներ: Սկաների մասնակի թերությունները, ինչպիսիք են սկաների առաջ և հետադարձ հարվածների անհավասարությունը (հիստերեզ), պիեզոկերամիկայի սողունը և ոչ գծայինությունը, փոխհատուցվում են ապարատային և օպտիմալ սկանավորման ռեժիմների ընտրությամբ: Այնուամենայնիվ, չնայած դրան, SPM պատկերները պարունակում են աղավաղումներ, որոնք դժվար է վերացնել ապարատային մակարդակում: Մասնավորապես, քանի որ սկաների շարժումը նմուշի հարթությունում ազդում է զոնդի դիրքի վրա մակերևույթի վերևում, SPM պատկերները իրական ռելիեֆի և երկրորդ (և հաճախ ավելի բարձր) կարգի որոշ մակերեսի սուպերպոզիցիա են:

Այս տեսակի աղավաղումը վերացնելու համար օգտագործվում է նվազագույն քառակուսիների մեթոդը երկրորդ կարգի մոտավոր P(x,y) մակերեսը գտնելու համար, որն ունի նվազագույն շեղումներ սկզբնական ֆունկցիայից Z = f(x,y), և այնուհետև այս մակերեսը հանվում է բնօրինակ SPM պատկերից.

Խեղաթյուրման մեկ այլ տեսակ կապված է X, Y հարթությունում սկաների շարժումների ոչ գծային և ոչ ուղղահայացության հետ, ինչը հանգեցնում է մակերևույթի SPM պատկերի տարբեր մասերում երկրաչափական համամասնությունների աղավաղմանը: Նման աղավաղումները վերացնելու համար կատարվում է SPM պատկերները շտկելու ընթացակարգ՝ օգտագործելով ուղղման գործակիցի ֆայլը, որը ստեղծվում է, երբ հատուկ սկաները սկանավորում է թեստային կառույցները հայտնի ռելիեֆով:

6.5 SPM պատկերների զտում

Սարքավորման աղմուկը (հիմնականում բարձր զգայուն մուտքային ուժեղացուցիչների աղմուկը), զոնդ-նմուշի շփման անկայունությունը սկանավորման ժամանակ, արտաքին ակուստիկ աղմուկը և թրթռումները հանգեցնում են նրան, որ SPM պատկերները, օգտակար տեղեկատվության հետ մեկտեղ, ունեն աղմուկի բաղադրիչ: SPM պատկերների մասնակի աղմուկը կարող է հեռացվել ծրագրաշարի միջոցով:

6.6 Միջին ֆիլտրում

Միջին ֆիլտրումը լավ արդյունքներ է տալիս SPM շրջանակներից բարձր հաճախականության պատահական աղմուկը հեռացնելիս: Սա պատկերների մշակման ոչ գծային մեթոդ է, որի էությունը կարելի է բացատրել հետևյալ կերպ. Ընտրվում է աշխատանքային ֆիլտրի պատուհան, որը բաղկացած է nxn կետերից (հստակության համար վերցնում ենք 3 x 3 չափսի պատուհան, այսինքն՝ պարունակում է 9 կետ (նկ. 24)):

Զտման գործընթացում այս պատուհանը շարժվում է շրջանակի վրայով կետից կետ, և կատարվում է հետևյալ ընթացակարգը. Այս պատուհանի կետերում SPM պատկերի ամպլիտուդային արժեքները դասավորված են աճման կարգով, իսկ տեսակավորված տողի կենտրոնում գտնվող արժեքը մուտքագրվում է պատուհանի կենտրոնական կետում: Այնուհետև պատուհանը տեղափոխվում է հաջորդ կետ և կրկնվում է տեսակավորման կարգը: Այսպիսով, նման տեսակավորման ժամանակ հզոր պատահական ծայրամասերը և ձախողումները միշտ հայտնվում են տեսակավորված զանգվածի եզրին և չեն ներառվի վերջնական (ֆիլտրացված) պատկերում։ Այս մշակմամբ շրջանակի եզրերին մնում են չզտված տարածքներ, որոնք վերջնական պատկերում անտեսվում են։

6.7 Մակերեւույթը SPM պատկերից վերակառուցելու մեթոդներ

Զոնդի մանրադիտակի սկանավորման բոլոր մեթոդներին բնորոշ թերություններից մեկը օգտագործվող զոնդերի աշխատանքային մասի վերջավոր չափն է: Սա հանգեցնում է մանրադիտակների տարածական լուծաչափի զգալի վատթարացման և SPM պատկերների զգալի աղավաղումների, երբ սկանավորում են ռելիեֆային անկանոնություններով մակերեսները, որոնք համեմատելի են զոնդի աշխատանքային մասի բնորոշ չափերի հետ:

Փաստորեն, SPM-ում ստացված պատկերը զոնդի և ուսումնասիրվող մակերեսի «ոլորումն» է: Զոնդի ձևի «ոլորման» գործընթացը մակերևույթի ռելիեֆով պատկերված է Նկ. 25.

Այս խնդիրը կարող է մասամբ լուծվել SPM պատկերների վերակառուցման վերջերս մշակված մեթոդներով, որոնք հիմնված են SPM տվյալների համակարգչային մշակման վրա՝ հաշվի առնելով զոնդերի հատուկ ձևը: Մակերեւույթի վերականգնման ամենաարդյունավետ մեթոդը թվային ապամոնտաժման մեթոդն է, որն օգտագործում է փորձնական կառուցվածքների սկանավորման միջոցով (հայտնի մակերեսային տեղագրությամբ) ստացված զոնդի ձևը:

Հարկ է նշել, որ նմուշի մակերեսի ամբողջական վերականգնումը հնարավոր է միայն երկու պայմանի առկայության դեպքում. զոնդը սկանավորման գործընթացում դիպել է մակերեսի բոլոր կետերին, և ամեն պահի զոնդը դիպել է մակերեսի միայն մեկ կետին: Եթե ​​սկանավորման ընթացքում զոնդը չի կարող հասնել մակերեսի որոշակի տարածքների (օրինակ, եթե նմուշն ունի ռելիեֆի վերին հատվածներ), ապա տեղի է ունենում ռելիեֆի միայն մասնակի վերականգնում: Ավելին, որքան շատ կետեր մակերևույթի վրա դիպչում է զոնդին սկանավորման ընթացքում, այնքան ավելի հուսալիորեն կարող է վերականգնվել մակերեսը:

Գործնականում SPM պատկերը և փորձնականորեն որոշված ​​զոնդի ձևը դիսկրետ արժեքների երկչափ զանգվածներ են, որոնց համար ածանցյալը վատ սահմանված մեծություն է: Հետևաբար, գործնականում դիսկրետ ֆունկցիաների ածանցյալը հաշվարկելու փոխարեն, SPM պատկերների թվային ապամոնտաժման ժամանակ օգտագործվում է զոնդի և մակերեսի միջև նվազագույն հեռավորության պայմանը միջին հաստատուն բարձրությամբ սկանավորելիս:

Այս դեպքում մակերևույթի ռելիեֆի բարձրությունը տվյալ կետում կարող է ընդունվել որպես զոնդի կետի և մակերեսի համապատասխան կետի միջև նվազագույն հեռավորություն զոնդի տվյալ դիրքի համար մակերեսի նկատմամբ: Իր ֆիզիկական իմաստով այս պայմանը համարժեք է ածանցյալների հավասարության պայմանին, բայց այն թույլ է տալիս ավելի համարժեք մեթոդով որոնել զոնդի շփման կետերը մակերեսի հետ, ինչը զգալիորեն նվազեցնում է ռելիեֆի վերակառուցման ժամանակը:

Զոնդերի աշխատանքային մասի ձևաչափումը և ձևը որոշելու համար օգտագործվում են հատուկ փորձարկման կառուցվածքներ՝ մակերեսային ռելիեֆի հայտնի պարամետրերով: Ամենատարածված փորձարկման կառույցների տեսակները և դրանց բնորոշ պատկերները, որոնք ստացվել են ատոմային ուժի մանրադիտակի միջոցով, ներկայացված են Նկ. 26 և նկ. 27.

Կտրամաչափման ցանցը սուր բծերի տեսքով թույլ է տալիս ճշգրիտ սահմանել զոնդի ծայրը, մինչդեռ ուղղանկյուն ցանցն օգնում է վերականգնել կողային մակերեսի ձևը: Համատեղելով այս վանդակաճաղերի սկանավորման արդյունքները՝ հնարավոր է ամբողջությամբ վերականգնել զոնդերի աշխատանքային մասի ձևը։

7. Ժամանակակից SPM

1) Սկանավորող զոնդ մանրադիտակ SM-300

Նախատեսված է ծակոտկեն տարածության մորֆոլոգիական առանձնահատկություններն ու կառուցվածքը ուսումնասիրելու համար: SM-300-ը (Նկար 28) ունի ներկառուցված օպտիկական դիրքավորման մանրադիտակ, որը վերացնում է հետաքրքրության տարածքի անվերջ որոնման անհրաժեշտությունը: Համակարգչի մոնիտորի վրա ցուցադրվում է նմուշի գունավոր օպտիկական պատկերը, մի փոքր խոշորացմամբ: Օպտիկական պատկերի խաչմերուկը համապատասխանում է էլեկտրոնային ճառագայթի դիրքին: Օգտագործելով խաչմերուկը, դուք կարող եք արագորեն դիրքավորել ռաստերային վերլուծության համար հետաքրքրություն ներկայացնող տարածքը սահմանելու համար

Բրինձ. 28. SPM SM-300 էլեկտրոնային մանրադիտակ. Օպտիկական դիրքորոշման միավորը հագեցած է առանձին համակարգչով, որն ապահովում է դրա ապարատային անկախությունը սկանավորող մանրադիտակից:

ՀՆԱՐԱՎՈՐՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐ SM - 300

· 4 նմ երաշխավորված լուծում

· Եզակի օպտիկական դիրքորոշման մանրադիտակ (ըստ ցանկության)

· Ինտուիտիվ Windows® ծրագրակազմ

Ամբողջովին համակարգչային կառավարվող սկանավորող մանրադիտակ և պատկերավորում

Ստանդարտ հեռուստատեսային ելք թվային ազդանշանի մշակմամբ

· Ցածր վակուումային համակարգի համակարգչային կառավարում (ըստ ցանկության)

· Բոլոր ուսումնասիրությունները կատարվում են ապլիկատորի առանցքի նույն դիրքում (12 մմ)

Տարրական ռենտգեն միկրովերլուծություն ցածր և բարձր վակուումային ռեժիմներում (ըստ ցանկության)

Սենյակի նորմալ լուսավորության պայմաններում աշխատելու ունակություն

· Չհաղորդիչ նմուշների ուսումնասիրություն՝ առանց նախնական պատրաստման

Բանաձևը 5,5 նմ ցածր վակուումային ռեժիմում

· Ռեժիմի փոխարկման ծրագրային կառավարում

Ընտրովի խցիկի վակուումային միջակայք 1,3 – 260 Պա

· Պատկերների ցուցադրում համակարգչի մոնիտորի էկրանին

· Serial V-backscatter Robinson սենսոր

2) Supra50VP բարձր լուծաչափով սկանավորող զոնդ մանրադիտակ INCA Energy+Oxford միկրովերլուծության համակարգով:

Սարքը (նկ. 29) նախատեսված է նյութերի գիտության բոլոր ոլորտներում, նանո- և կենսատեխնոլոգիաների ոլորտում հետազոտությունների համար: Սարքը թույլ է տալիս աշխատել մեծ նմուշների հետ, ինչպես նաև աջակցում է փոփոխական ճնշման ռեժիմ՝ առանց նախապատրաստման ոչ հաղորդիչ նմուշների ուսումնասիրության համար: Բրինձ. 29. SPM Supra50VP

ՏԱՐԲԵՐԱԿՆԵՐ:

Արագացնող լարում 100 Վ – 30 կՎ (դաշտային արտանետման կաթոդ)

Մաքս. բարձրացնել մինչև x 900000

Գերբարձր թույլտվություն – մինչև 1 նմ (20 կՎ-ում)

Վակուումային ռեժիմ՝ փոփոխական ճնշմամբ 2-ից 133 Պա

Արագացման լարում – 0,1-ից մինչև 30 կՎ

Ազատության հինգ աստիճանով շարժիչով սեղան

EDX դետեկտորի թույլատրելիությունը 129 ԷՎ Ka(Mn) գծի վրա, հաշվման արագությունը մինչև 100,000 հաշվում/վրկ

3) LEO SUPRA 25 արդիականացված մանրադիտակ «GEMINI» սյունակով և դաշտային արտանետմամբ (նկ. 30):

– Նախատեսված է նանովերլուծության հետազոտության համար

– Կարող է միացնել ինչպես EDX, այնպես էլ WDX համակարգերը միկրովերլուծության համար

– Բանաձևը 1,5 նմ 20 կՎ-ում, 2 նմ 1 կՎ-ում:

Եզրակացություն

Անցած տարիների ընթացքում զոնդային մանրադիտակի կիրառումը հնարավորություն է տվել հասնել եզակի գիտական ​​արդյունքների ֆիզիկայի, քիմիայի և կենսաբանության տարբեր ոլորտներում:

Եթե ​​առաջին սկանավորող զոնդ մանրադիտակները եղել են որակական հետազոտության ցուցիչ սարքեր, ապա ժամանակակից սկանավորող զոնդ մանրադիտակը սարք է, որը միավորում է մինչև 50 տարբեր հետազոտական ​​տեխնիկա: Այն ի վիճակի է կատարել որոշակի շարժումներ զոնդ-նմուշի համակարգում 0,1% ճշգրտությամբ, հաշվարկելով զոնդի ձևի գործակիցը, կատարել բավականին մեծ չափերի ճշգրիտ չափումներ (սկանավորման հարթությունում մինչև 200 մկմ և բարձրության 15-20 մկմ): ) և, միևնույն ժամանակ, ապահովել ենթամոլեկուլային լուծում:

Սկանավորող զոնդային մանրադիտակները համաշխարհային շուկայում դարձել են գիտական ​​հետազոտությունների գործիքների ամենատարածված դասերից մեկը: Անընդհատ ստեղծվում են սարքերի նոր նմուշներ՝ մասնագիտացված տարբեր հավելվածների համար։

Նանոտեխնոլոգիայի դինամիկ զարգացումը պահանջում է հետազոտական ​​տեխնոլոգիաների հնարավորությունների ավելի ու ավելի ընդլայնում։ Բարձր տեխնոլոգիական ընկերություններն ամբողջ աշխարհում աշխատում են հետազոտական ​​և տեխնոլոգիական նանոհամալիրների ստեղծման վրա, որոնք միավորում են վերլուծական մեթոդների ամբողջ խմբերը, ինչպիսիք են՝ Ռամանի սպեկտրոսկոպիան, լյումինեսցենտային սպեկտրոսկոպիան, ռենտգենյան սպեկտրոսկոպիան տարրական վերլուծության համար, բարձր լուծաչափով օպտիկական մանրադիտակը, էլեկտրոնային մանրադիտակը: , կենտրոնացված իոնային տեխնիկայի փնջեր: Համակարգերը ձեռք են բերում հզոր ինտելեկտուալ հնարավորություններ. պատկերները ճանաչելու և դասակարգելու ունակություն, անհրաժեշտ հակադրություններ ընդգծելու ունակություն, օժտված են արդյունքները մոդելավորելու ունակությամբ, իսկ հաշվողական հզորությունն ապահովվում է գերհամակարգիչների կիրառմամբ:

Մշակվող տեխնոլոգիան ունի հզոր հնարավորություններ, սակայն դրա կիրառման վերջնական նպատակը գիտական ​​արդյունքների ձեռքբերումն է։ Այս տեխնոլոգիայի հնարավորությունների տիրապետումն ինքնին բավականին բարդ խնդիր է, որը պահանջում է բարձր որակավորում ունեցող մասնագետների վերապատրաստում, որոնք ի վիճակի են արդյունավետորեն օգտագործել այդ սարքերն ու համակարգերը:

Մատենագիտություն

1. Nevolin V.K. Թունելային զոնդերի տեխնոլոգիայի հիմունքներ / V.K. Nevolin, - M.: Nauka, 1996, - 91 p.

2. Kulakov Yu. A. Էլեկտրոնային մանրադիտակ / Yu. A. Kulakov, – M.: Znanie, 1981, – 64 p.

3. Վոլոդին Ա.Պ. Սկանավորող մանրադիտակ / A. P. Volodin, – M.: Nauka, 1998, – 114 p.

4. Կենսապոլիմերների սկանավորող զոնդային մանրադիտակ / Խմբագրվել է Ի. Վ. Յամինսկու, - Մ.: Գիտական ​​աշխարհ, 1997, - 86 էջ:

5. Միրոնով Վ. Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի հիմունքներ / Վ. Միրոնով, – Մ.: Տեխնոսֆերա, 2004, – 143 էջ.

6. Rykov S. A. Կիսահաղորդչային նյութերի սկանավորող զոնդային մանրադիտակ / S. A. Rykov, – Սանկտ Պետերբուրգ: Nauka, 2001, – 53 p.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Scanning probe microscopy for Science and Industries / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Էլեկտրոնիկա. գիտություն, տեխնոլոգիա, բիզնես, – 1997, – No 5, – With. 7–14։