Скануючий зондовий мікроскоп. Історія винаходу та виробництва

Безкоштовна технічна бібліотека

ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Скануючий зондовий мікроскоп. Історія винаходу та виробництва

Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Коментарі до статті

Найбільш молодий і водночас перспективний напрямок у дослідженні властивостей поверхні - скануюча зондова мікроскопія. Зондові мікроскопи мають рекордну роздільну здатність - менше 0,1 нм. Вони можуть виміряти взаємодію між поверхнею і скануючим її мікроскопічним вістрям - зондом - і виводять тривимірне зображення на екран комп'ютера.

Скануючий зондовий мікроскоп

Методи зондової мікроскопії дозволяють як бачити атоми і молекули, а й впливати ними. При цьому – що особливо важливо – об'єкти можуть вивчатися не обов'язково у вакуумі (що зазвичай для електронних мікроскопів), а й у різних газах та рідинах.

Винайшли зондовий - скануючий тунельний мікроскоп у 1981 році співробітники Дослідницького центру фірми ІБМ Г. Біннінг та Х. Рорер (США). Через п'ять років за цей винахід вони були удостоєні Нобелівської премії.

Біннінг та Рорер спробували сконструювати прилад для дослідження ділянок поверхні розміром менше 10 нм. Підсумок перевершив найсміливіші очікування: вченим вдалося побачити окремі атоми, розмір яких у діаметрі становить лише близько одного нанометра. В основі роботи скануючого тунельного мікроскопа лежить квантово-механічне явище, яке називається тунельним ефектом. Дуже тонке металеве вістря - негативно заряджений зонд - підводиться на близьку відстань до зразка, теж металевого, позитивно зарядженого. У той момент, коли відстань між ними досягне кількох міжатомних відстаней, електрони почнуть вільно проходити через нього - "тунелювати": через проміжок потече струм.

Дуже важливе значення для мікроскопа має різка залежність сили тунельного струму від відстані між вістрям і поверхнею зразка. При зменшенні зазору лише на 0,1 нм струм зросте приблизно 10 раз. Тому навіть нерівності розміром з атом викликають помітні коливання величини струму.

Скануючий зондовий мікроскоп
Принцип дії механічної системи зондувального мікроскопа, що сканує.

Щоб отримати зображення, зонд сканує поверхню, а електронна система зчитує величину струму. Залежно від цього, як ця величина змінюється, вістря або опускається чи піднімається. Таким чином, система підтримує величину постійного струму, а траєкторія руху вістря повторює рельєф поверхні, огинаючи височини і поглиблення.

Вістря переміщає п'єзосканер, який є маніпулятором з матеріалу, здатного змінюватися під дією електричної напруги. П'єзосканер найчастіше має форму трубки з декількома електродами, яка подовжується або згинається, переміщуючи зонд по різних напрямках з точністю до тисячних часток нанометра.

Інформація про рух вістря перетворюється на зображення поверхні, яке будується по точках на екрані. Ділянки різної висоти для наочності забарвлюються у різні кольори.

В ідеалі на кінці вістря зонда повинен бути один нерухомий атом. Якщо на кінці голки випадково виявилося кілька виступів, зображення може двоїтися, троитися. Для усунення дефекту голку труять у кислоті, надаючи їй потрібної форми.

За допомогою тунельного мікроскопа вдалося зробити низку відкриттів. Наприклад, виявили, що атоми на поверхні кристала розташовані не так, як усередині, і часто утворюють складні структури.

За допомогою тунельного мікроскопа можна вивчати лише об'єкти, що проводять струм. Однак він дозволяє спостерігати і тонкі діелектрики у вигляді плівки, коли їх поміщають на поверхню провідного матеріалу. І хоча цей ефект ще не знайшов повного пояснення, проте його успішно застосовують для вивчення багатьох органічних плівок і біологічних об'єктів - білків, вірусів.

Можливості мікроскопа великі. За допомогою голки мікроскопа навіть наносять малюнки на металеві пластини. Для цього використовують як "пишучий" матеріал окремі атоми - їх осаджують на поверхню або видаляють з неї. Таким чином, у 1991 році співробітники фірми ІБМ написали атомами ксенону на поверхні нікелевої пластини назву своєї фірми - IBM. Літера "I" становили лише 9 атомів, а літери "B" і "M" - 13 атомів кожну.

Наступним кроком у розвитку скануючої зондової мікроскопії зробили в 1986 році Біннінг, Квейт і Гербер. Вони створили атомно-силовий мікроскоп. Якщо тунельному мікроскопі вирішальну роль грає різка залежність тунельного струму від відстані між зондом і зразком, то атомно-силового мікроскопа вирішальне значення має залежність сили взаємодії тіл від відстані між ними.

Зондом атомно-силового мікроскопа служить мініатюрна пружна пластина – кантилевер. Причому один її кінець закріплений, на іншому кінці сформовано зондувальне вістря з твердого матеріалу - кремнію або нітриду кремнію. При переміщенні зонда сили взаємодії між його атомами та нерівною поверхнею зразка вигинатимуть пластину. Досягши такого переміщення зонда, коли прогин залишається постійним, можна отримати зображення профілю поверхні. Такий режим роботи мікроскопа, що називається контактним, дозволяє вимірювати з роздільною здатністю в частки нанометра не тільки рельєф, але і силу тертя, пружність і в'язкість об'єкта, що досліджується.

Сканування в контакті із зразком досить часто призводить до його деформації та руйнування. Вплив зонда на поверхню може бути корисним, наприклад, під час виготовлення мікросхем. Однак зонд здатний легко порвати тонку полімерну плівку або пошкодити бактерію, спричинивши її загибель. Щоб уникнути цього, кантилевер приводять у резонансні коливання поблизу поверхні та реєструють зміну амплітуди, частоти або фази коливань, спричинених взаємодією з поверхнею. Такий метод дозволяє вивчати живі мікроби: голка, що коливається, діє на бактерію, як легкий масаж, не завдаючи шкоди і дозволяючи спостерігати за її рухом, зростанням і поділом.

У 1987 році І. Мартін і К. Вікрама-сінгх (США) запропонували як зондуючий вістря використовувати намагнічену мікроголку. Внаслідок цього з'явився магнітно-силовий мікроскоп.

Такий мікроскоп дозволяє розглянути окремі магнітні області у матеріалі - домени - розміром до 10 нм. Його також застосовують і для надщільного запису інформації, формуючи на поверхні плівки домени за допомогою полів голки та постійного магніту. Подібний запис у сотні разів щільніший, ніж на сучасних магнітних та оптичних дисках.

На світовому ринку мікромеханіки, де заправляють такі гіганти, як ІБМ, "Хітачі", "Жіллетт", "Поляроїд", "Олімпус", "Джойл", "Діджітал інструментс", знайшлося місце і для Росії. Все голосніше чути голос маленької фірми МДТ із підмосковного Зеленограда.

"Давайте скопіюємо на пластину, в 10 разів меншу за людське волосся, наскальний малюнок, виконаний нашими далекими предками, - пропонує головний технолог Денис Шабратов. - Комп'ютер керує "пензлем", зондом - голкою довжиною 15 мікрон, діаметром у соті частки мікрона. Голка рухається вздовж "полотна", і там, де його стосується, з'являється мазок розміром з атом. Поступово на екрані дисплея виникає олень, за яким женуть вершники".

МДТ єдина в країні фірма-виробник зондових мікроскопів та самих зондів. Вона входить до четвірки світових лідерів. Вироби фірми купують у США, Японії, Європі.

А все почалося з того, що Денис Шабратов і Аркадій Гологанов, молоді інженери одного з інститутів Зеленограда, які опинилися в кризі, думаючи, як жити далі, обрали мікромеханіку. Вони небезпідставно вважали її найбільш перспективним напрямом.

"Ми не комплексували, що доведеться змагатися з сильними конкурентами, - згадує Гологанов. - Звичайно, наше обладнання поступається імпортному, але, з іншого боку, це змушує хитрувати, ворушити мізками. А вони вже в нас точно не гірше. І готовності орати хоч відбавляй.Працювали цілодобово, без вихідних.Найважчим виявилося навіть не виготовити супермініатюрний зонд, а продати.Знаємо, що наш найкращий у світі, кричимо про нього по Інтернету, засинаємо клієнтів факсами, словом, б'ємо ніжками, як та жаба,- нуль уваги".

Дізнавшись, що один із лідерів з виробництва мікроскопів - японська фірм "Джойл" шукає голки дуже складної форми, вони зрозуміли, що це їхній шанс. Замовлення коштувало багато сил та нервів, а отримали гроші. Але гроші не були головними - тепер вони могли на весь голос оголосити: знаменитий "Джойл" - наш замовник. Так майже півтора року МДТ безкоштовно виготовляла спеціальні зонди для Національного інституту стандартів і технологій США. І нове гучне ім'я з'явилося у списку клієнтів.

"Зараз потік замовлень такий, що ми вже не можемо задовольнити всіх бажаючих, - каже Шабратов. - На жаль, це специфіка Росії. Досвід показав, у нас є сенс випускати таку наукомістку продукцію малими серіями, а масове виробництво - налагоджувати за кордоном, де немає зривів поставок, низької якості, необов'язковості суміжників " .

Виникнення скануючої зондової мікроскопії вдало збіглося з початком бурхливого розвитку комп'ютерної техніки, що відкриває нові можливості використання зондових мікроскопів. 1998 року в Центрі перспективних технологій (Москва) створено модель скануючого зондового мікроскопа "ФемтоСкан-001", яким керують також через Інтернет. Тепер у будь-якій точці земної кулі дослідник зможе працювати на мікроскопі, а кожен охочий - "заглянути" в мікросвіт, не відходячи від комп'ютера.

Сьогодні подібні мікроскопи використовуються лише у наукових дослідженнях. З їх допомогою відбуваються найбільш сенсаційні відкриття в генетиці та медицині, створюються матеріали із дивовижними властивостями. Проте вже найближчим часом очікується прорив, і насамперед у медицині та мікроелектроніці. З'являться мікророботи, що доставляють по судинах ліки безпосередньо до хворих органів, створять мініатюрні суперкомп'ютери.

Автор: Муський С.А.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Історія техніки, технології, предметів довкола нас:

▪ Папір

▪ Каравела

▪ лейкопластир

Дивіться інші статті розділу Історія техніки, технології, предметів довкола нас.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Саундбари Yamaha YAS-109 та YAS-209 24.06.2019

Компанія Yamaha представила два нові саундбари для домашніх кінотеатрів YAS-109 та YAS-209. Обидві моделі мають підтримку голосового управління Alexa, що дозволяє користувачам безпосередньо мати доступ до голосового помічника компанії Amazon і його різних функцій, не вдаючись до використання смарт-динаміка Amazon Echo Dot.

Використовуючи Alexa, власники саундбарів зможуть за допомогою голосових команд регулювати гучність, відключати звук динаміка, вимикати саундбар та стримувати аудіо з музичних сервісів, які підтримує Alexa. Саундбари також підтримують сервіси Spotify Connect та Amazon Music.

Обидва саундбари відрізняються ультратонкою конструкцією, що дозволяє розміщувати їх перед телевізором. Вони можуть бути прикріплені до стіни без використання додаткового кронштейна.

З огляду на підтримку Alexa обидві нові моделі мають вбудовані мікрофони. Yamaha повідомила, що співпрацювала з Amazon з метою вибору "переважного способу" для використання мікрофонів, надаючи особливого значення якості звуку та розміщення.

Інші цікаві новини:

▪ Золота військова уніформа

▪ Порятунок підлітків від недосипання

▪ Літак, здатний їздити дорогами

▪ Ноутбуки Dell Latitude 9000, 7000 та 5000

▪ У великих містах у вихідні холодніше, ніж у будні

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Електрику. ПУЕ. Добірка статей

▪ стаття Вплив радіоактивних речовин на рослинний та тваринний світ. Основи безпечної життєдіяльності

▪ статья Яке слово пропонував для телефонного привітання винахідник телефону? Детальна відповідь

▪ стаття Задушення та порушення дихання. Медична допомога

▪ стаття Простий індикатор змінного електричного поля. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття FM конвертер на мікросхемі К174ПС1 Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт