Сканирующая зондовая микроскопия

Определения Сканирующая зондовая микроскопия – физический метод исследования поверхностных слоев с нанометровым разрешением, основанный на регистрации эффектов взаимодействия наноразмерного зонда с поверхностью образца. Разновидностями сканирующей зондовой микроскопии являются, в частности, сканирующая туннельная микроскопия и сканирующая атомно-силовая микроскопия.

История появления инструментов В 1981 г. Гердом Биннигом и Генрихом Рорером изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) В течение последующего десятилетия были созданы атомно-силовой микроскоп, магнитно-силовой микроскоп, электросиловой микроскоп, ближнепольный оптический микроскоп и другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 г. Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером

Общая схема работы

Сканирующий элемент Уравнение обратного пьезоэффекта: где u ij – тензор деформаций, E k – компоненты электрического поля, d ijk – компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. Вид тензора пьезоэлектрических коэффициентов определяется типом симметрии кристаллов. Трубчатые пьзоэлементы позволяют получать большие перемещения объектов при небольших управляющих напряжениях

Сканирующий элемент - трипод Соединение трех трубок в один узел позволяет организовать прецизионные перемещения зонда в трех взаимно перпендикулярных направлениях

Трубчатый сканирующий элемент При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации

Устройства для прецизионных перемещений Рычажной редуктор

Устройства для прецизионных перемещений Шаговый электродвигатель

Устройства для прецизионных перемещений Шаговый пьезодвигатель 1 – основание; 2 – пьезоэлектрическая трубка; 3 – электроды; 4 – разрезная пружина; 5 – цилиндрический держатель объекта.

Виброизолирующие системы Пассивные

Активные

Защита от акустических шумов

Компенсация температурного дрейфа

Процесс сканирования

ВизуализацияТрехмерная

ВизуализацияДвумерная

Устранение побочной информации Вычитание постоянной составляющей Вычитание постоянного наклона Устранение искажений, связанных с неидеальностью сканера Устранение результатов нелинейности и неортогональности перемещений сканера в горизонтальной плоскости

Фильтрация изображений Медианная фильтрация Усреднение по строкам Фурье - фильтрация изображений: свертка с фильтрами верхних и нижних пространственных частот, свертка с полосовыми фильтрами, обращение свертки, вычисление автокорреляционных функций

Восстановление поверхности по изображению Измерение: механическая свертка Восстановление: программное обращение

Сканирующая туннельная микроскопия Принцип основан на туннелировании электронов через энергетический потенциальный барьер

Зонды для туннельных микроскопов

Конструкция сканирующих туннельных микроскопов Измерительная головка СТМ с компенсацией термодрейфа: 1 – основание; 2 – трубчатый пьезосканер; 3 –компенсирующая пьезотрубка; 4 – металлический зонд; 5 – образец; 6 – цилиндрический держатель образца

Атомно-силовая микроскопия Силовое взаимодействие между зондом и поверхностью

Контактная атомно-силовая микроскопия Зонд находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью Используются режимы постоянной силы и постоянного расстояния

Колебательные методики силовой микроскопии Регистрация параметров взаимодействия колеблющегося зонда с поверхностью

Аппаратная реализация

Достоинства метода атомно- силовой микроскопии: Спасибо за внимание! Неразрушающий характер измерений Пространственное разрешение, близкое к атомарному Сравнительно небольшое число подготовительных операций Возможность регистрации рельефа как проводящих, так и диэлектрических материалов