Сравните принципы работы современных микроскопов стм и асм кратко

Обновлено: 02.07.2024

В конце 1986 года тот же Бинниг предложил конструкцию прибора нового поколения, который позволяет исследовать поверхности с беспрецедентной детальностью, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом, и сегодня именно он представляет наибольший интерес для исследователей.

Рис. 1. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ).

Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема) действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца (как говорят, сканирует эту поверхность). При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка П, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком D. В качестве датчика в АСМ могут использоваться любые особо точные и чувствительные – прецизионные – измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные датчики. На рисунке показан именно последний тип датчика, – фактически это такая же игла, какая применяется в сканирующем туннельном микроскопе.


Рис. 2. Схема сканирующего атомного силового микроскопа.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп с оптическим датчиком деформации кантеливера.

На рисунке изображена схема атомного силового микроскопа. О – острие (игла), П – пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz – пьезоэлектрические преобразователи. При этом Px и Py служат для сканирования образца под иглой, а Pz управляет расстоянием от острия до поверхности, D – туннельный датчик, который регистрирует отклонения пружинки с острием.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например, дислокации или заряженные дефекты, а также всяческие примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов. В последнее время с помощью атомного силового микроскопа физики стали интенсивно изучать биологические объекты, например молекулы ДНК и другие макромолекулы, главным образом для целей нарождающегося и, судя по всему, чрезвычайно перспективного направления – биомолекулярной технологии. Интересно, что АСМ позволяет решать не только прикладные задачи, но и глобальные проблемы фундаментальной физики. В частности, определив с его помощью поведение межатомных сил и константы взаимодействий между атомами поверхности и острия, можно сделать довольно точные заключения о существовании или отсутствии новых фундаментальных взаимодействий и даже о структуре физического вакуума.

Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание зонда кантилевера, вызванное силами Ван-дер Ваальса. При использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью АСМ можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, АСМ способен измерять рельеф образца, погружённого в жидкость, что позволяет работать с органическими молекулами, включая ДНК.

Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от радиуса кривизны кончика зонда. Разрешение достигает атомарного по вертикали и существенно превышает его по горизонтали.

Основные технические сложности при создании микроскопа:

· Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

· Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

· Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

· Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

· Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

Таким образом, в сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрон².

Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-изображения, как правило, требуется несколько минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством.

Из-за низкой скорости развёртки АСМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия АСМ было предложено несколько конструкций, среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ.

Кроме термодрейфа АСМ-изображения могут также быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера и перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z-элементами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные АСМ используют программное обеспечение либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые АСМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей.

АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке. Манипулятор АСМ и СТМ позволяет при габаритах в несколько сантиметров передвигать иглу с разрешением лучше 0,1 Ǻ. Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров.

Температурный коэффициент линейного расширения большинства материалов около . При размерах манипулятора в несколько сантиметров изменение температуры на 0,01° приводит к перемещению иглы вследствие теплового дрейфа на 1 Ǻ.

Кантиле́вер(англ. cantilever — кронштейн, консоль) — устоявшееся название наиболее распространенной в сканирующей атомно-силовой микроскопии конструкции микромеханического зонда.

Кантилевер представляет собой массивное прямоугольное основание, размерами примерно 1,5×3,5×0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм. Одна из сторон балки является зеркальной (иногда для усиления отражённого лазерного сигнала на неё напыляют тонкий слой алюминия), что позволяет использовать оптическую систему контроля изгиба кантилевера. На противоположной стороне балки на свободном конце находится игла, взаимодействующая с измеряемым образцом. Форма иглы может значительно изменяться в зависимости от способа изготовления. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5—90 нм, лабораторных — от 1 нм.


Как правило, вся конструкция, за исключением, быть может, иглы, является кремниевым монокристаллом. Также кантилеверы изготавливают из нитрида кремния (Si3N4) или полимеров. Процесс производства схож с производством кремниевого электронного оборудования, и включает сухое либо жидкофазное вытравливание подложки. Таким образом, кантилеверы удобны для массового производства.

При разработке кантилеверов используют следующие два уравнения, которые являются ключевыми для понимания принципа работы кантилеверов.

Первое — так называемая формула Стоуни (англ. Stoney’s formula), которое связывает отклонение конца балки кантилевера δ с приложенным механическим напряжением σ:

где ν — коэффициент Пуассона, E — модуль Юнга, L — длина балки, и t — толщина балки кантилевера. Отклонение балки регистрируется чувствительными оптическими и емкостными датчиками.

Второе уравнение устанавливает зависимость коэффициента упругости кантилевера k от его размеров и свойств материала:

где F — приложенная сила, и w — ширина кантилевера.

Коэффициент упругости связан с резонансной частотой кантилевера ω0 по закону гармонического осциллятора:

Изменение силы, приложенной к кантилеверу может привести с сдвигу резонансной частоты. Сдвиг частоты может быть измерен с большой точностью по принципу гетеродина.

Одной из важных проблем при практическом использовании кантилевера является проблема квадратичной и кубической зависимости свойств кантилевера от его размеров. Эти нелинейные зависимости означают, что кантилеверы довольно чувствительны к изменению параметров процесса. Контроль остаточной деформации также может представлять сложность.

Нанонаука и нанотехнология являются интегрированным направлением современных наук и технологий: физики, химии, биологии и их специализаций (биохимии, биофизики, атомной микроскопии), а также информационных технологий, биотехнологии, материаловедения. Следовательно, нанонаука носит междисциплинарный характер, а потому вполне логичным будет проведение на заключительном этапе обучения в старших классах интегрированных уроков, посвященных этому революционному направлению в современной науке.

Границы миров

Учитель химии (вступительное слово). Человека всегда привлекали таинства запредельно больших расстояний и бесконечно малых величин. Трудно себе представить расстояние в несколько миллионов световых лет, осмыслить размеры галактик и Вселенной. Так уж устроен человеческий разум, что мы всегда задаемся вопросом, а что находится дальше, за той умозрительной границей, которую рисует воображение? Не менее интересно мысленно проникать в глубь материального мира. Мы уже знаем о сложности строения атома и элементарных частиц, его составляющих. Доказано, что и они, элементарные частицы, не такие уж элементарные. Протон, например, образован частицами, которые называют кварками и глюонами. А дальше?

Проникновение в безгранично малые или необозримо большие миры – не простое любопытство. Человечество так и осталось бы на уровне первобытно-общинного развития, если бы не научилось использовать во благо научные знания и практический опыт, почерпнутый из познания этих миров.

Получается, что человек, живущий в своем мире, стремится проникнуть и познать устройство иных миров, существующих объективно, независимо от его воли: миры, в которых живет он сам, и миры, которые живут в нем.

Границы этих миров достаточно условны.

Мегамир – это мир, объекты которого имеют протяженность более 10 м, например Вселенная и один из ее объектов – планета Земля, диаметр которой составляет 12 660 км.

Макромир – это мир, объекты которого имеют длину от 10 м до 1 мм, например человек, рост которого в среднем составляет 1,7 м.

Микромир – это мир, объекты которого имеют размеры от 1 мм до 0,1 мкм (10 –7 м), например клетки большинства типов тканей человека имеют размер 10 мкм (10 –5 м), а эритроцит крови – 1 мкм.

Наномир – от 0,1 мкм до 1 нм (10 –9 м), например молекула ДНК имеет диаметр 1 нм.

Обращаясь к рис. 1, который может быть спроецирован на экран или интерактивную доску, учитель химии предлагает учащимся вспомнить объект русского народного творчества, построенный по такому же принципу. Учащиеся называют матрешку. Затем учитель химии ставит проблему: как увидеть различные миры – и передает слово учителю физики.

Рис. 1. Миры, в которых мы живем и которые живут в нас:
объект мегамира – планета Земля (1), житель макромира – человек (2),
структурная единица микромира – живая клетка (3),
частицы наномира – молекула ДНК (4) и атомы криптона (5)

Как увидеть миры

Учитель физики. Мегамир, в силу больших размеров, не всегда можно разглядеть целиком. Можно увидеть отдельные горы, небольшие озера, фрагменты островов, лесов и рек, а земной шар можно рассмотреть лишь из космоса. Недаром в древности люди представляли себе Землю плоской.

Ассистент учителя физики (ученик) рассказывает о том, как в докосмическое время доказывалось, что Земля – шар: постепенное исчезновение корабля, уплывающего за линию горизонта, кругосветные путешествия, опыты с маятником Фуко и т.д.

Учитель физики. Другие объекты мегамира – нашей Вселенной – можно разглядеть с помощью оптических приборов, например телескопов.

Учитель биологии с помощью своего ассистента рассказывает о том, как правильно измерить основные показатели такого объекта макромира, как человек: массу, рост, жизненную емкость легких, пульс, давление, остроту зрения и др.

О том, как увидеть микромир, рассказывают учителя физики и биологии вместе со своими ассистентами.

Учитель физики рассказывает об эволюции оптических приборов (лупа, световой микроскоп), их устройстве и принципах работы.

Учитель биологии с помощью ассистентов показывает роль этих приборов в становлении и развитии клеточной теории (открытие клетки Р.Гуком, открытие клеточного строения растений М.Шлейденом, создание клеточной теории Т.Шванном). Этот фрагмент интегрированного урока сопровождается лабораторной работой по рассмотрению препаратов с образцами различных тканей и организмов клеточного строения.

Учитель физики. Однако более детальное изучение объектов микромира ограничивала закономерность, сформулированная Рэлеем как дифракционный предел разрешения, в соответствии с которым минимальные размеры рассматриваемого в оптические приборы объекта ограничены половиной длины волны света, используемого для освещения (поскольку самые короткие длины волн видимого света соответствуют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов составляет около 200 нм).

Учитель биологии. Дальнейшая детализация объектов микромира (установление структуры клеточной мембраны, органоидов растительной и животной клеток, обнаружение двойной спирали ДНК и т.д.) связана с созданием электронного микроскопа (передает слово ассистенту учителя физики).

Ассистент рассказывает об устройстве электронного микроскопа и особо обращает внимание на то, что этот микроскоп позволил значительно расширить возможности исследования веществ на микроскопическом уровне. В электронном микроскопе вместо света используются сами электроны, которые представляют собой волны более короткой длины. В качестве линз в таком микроскопе выступают электромагнитные поля соответствующей конфигурации, т.е. своеобразные электронные линзы.

О том, как увидеть наномир, учащимся рассказывает учитель физики с помощью ассистентов.

Учитель физики (знакомит учащихся с устройством и принципом работы сканирующих зондовых микроскопов). Микроскоп называется зондовым потому, что в роли своеобразного щупа или зонда выступает чрезвычайно тонкая игла. Такие микроскопы обладают по сравнению с обычными электронными более высокой разрешающей способностью. Так, они могут сканировать изображение профиля поверхности изучаемого объекта с точностью до размеров отдельных атомов.

Различают два основных типа сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).

Рассмотрим принцип действия СТМ (обращается к спроецированному на экран или интерактивную доску рис. 2, на котором приведена схема устройства и принципа работы СТМ).

Рис. 2. Схема устройства (А) и принцип работы (Б)
сканирующего туннельного микроскопа: а: Рх, Ру, Рz – пьезоэлементы;
z – туннельный вакуумный промежуток между иглой-зондом и образцом;
It – туннельный ток; б: 1 – (x + y)-развертка;
2 – СТМ-изображение после компьютерной обработки; 3 – образец;
4 – регулировка цепи обратной связи

Этот микроскоп назван туннельным потому, что в нем атомарная структура объекта изучается посредством отслеживания туннельного тока, протекающего между зондом и изучаемым участком поверхности. Зонд в СТМ должен находиться на расстоянии 1 мкм от исследуемой поверхности. Это является условием возникновения и поддержания туннельного тока, ибо при более малых расстояниях возникает сильный электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток становится ничтожно малым, что делает невозможным его фиксирование.

Если такое явление происходит для большого числа электронов, то и возникает туннельный ток. Поскольку в СТМ измеряется электрический ток, его можно применять только для исследования электропроводных объектов.

Для исследования диэлектриков используется АСМ, в котором измеряются силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности. (Учитель обращается к схеме устройства АСМ и объясняет принцип его действия (рис. 3).)

Рис. 3. Принцип работы атомно-силового микроскопа

В АСМ зонд прикреплен к концу кронштейна (плоской пружины), и его положение определяется именно величиной сил межатомного взаимодействия.

Далее в качестве ассистента учителя физики выступает не ученик, а учитель химии. Он предлагает учащимся в качестве методической модели, позволяющей образно представить работу зондовых сканирующих микроскопов, выполнить следующий лабораторный опыт.

Ученикам предлагается распаковать пластинку жевательной резинки и с помощью указательного пальца (своеобразного зонда) исследовать поверхности упаковки жевательной резинки и ее содержимого: бумаги, фольги и самой резинки, – и сделать вывод об их относительной гладкости.

Учитель химии. Подобный принцип используется при изготовлении печатной продукции для слепых (демонстрирует образец книги, изготовленной с использованием метода Брайля). Тот же принцип лежит в основе работы обоих типов зондовых сканирующих микроскопов: как СТМ, так и АСМ.

Далее учитель химии или физики (по договоренности) сравнивает устройство и принцип действия этих микроскопов (таблица, см. с. 5).

Сравнение сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов

После этого учитель химии делает своеобразный переход к следующему этапу урока. Он говорит о том, что в каждом мире, как и в каждом государстве, действуют свои собственные законы.

У каждого мира свои законы

Эту часть интегрированного урока проводят все учителя-предметники.

Учитель химии. Геометрия или архитектура таких частиц наномира, как молекулы, обуславливает молекулярное распознавание – способность одной молекулы притягивать другую за счет электростатических сил. Молекулярное распознавание служит химической основой работы рецепторов органов чувств, в первую очередь вкуса и обоняния. Молекулярное распознавание также лежит в основе действия биологических катализаторов – ферментов.

Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью действия). Она позволяет организму быстро и точно выполнить четкую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул пищевых веществ или продуктов их превращения. Располагая богатым набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов – мономеров (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов соответственно) и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Недаром великий русский физиолог, Нобелевский лауреат И.П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.

Специфичность, или избирательность (селективность) ферментов столь велика, что их сравнивают с ключом, который подходит только к одному замку. Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют только на одну определенную и единственную реакцию. К таким ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относится, например, уреаза, разлагающая одно-единственное вещество – мочевину.

Демонстрационный эксперимент. В два химических стакана наливают по 50 мл раствора пероксида водорода. В первый бросают кусочек сырого картофеля, наблюдают выделение кислорода. Во второй стакан бросают кусочек вареного картофеля – выделения кислорода не происходит.

Учитель химии (поясняет). В сырых овощах, кусочках сырого мяса, капельке крови содержится фермент каталаза, катализирующий разложение пероксида водорода. Ферменты – органические катализаторы белковой природы, поэтому при нагревании, как любые другие белки, они подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.

Стоит отметить, что в наномире меняются физические свойства веществ (цвет, температура плавления). Например, золото в наномире вовсе не желтое, а красное, оранжевое, пурпурное или даже зеленое, в зависимости от размера его наночастиц. Очевидно, что первыми неосознанными нанотехнологами были древние гончары и средневековые стеклодувы. Первые оставили нам в наследство изумительные по цветовой гамме керамические изделия, а вторые – великолепные цветные витражи церквей и дворцов.

В наномире изменяются и химические свойства некоторых веществ. Например, наноскопическое серебро способно реагировать с соляной кислотой с выделением водорода:

2Ag + 2HCl = 2AgCl + H2.

Такое необычное поведение веществ в наномире может иметь и значительное практическое применение. Например, в наномире возможен прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода(II) и водорода).

Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок (рис. 4). Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию, о которой только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа, получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы (рис. 5). Применение нанотрубок в качестве носителя катализатора определяется их химической устойчивостью и большой площадью поверхности.

Рис 4. Микрофотография нанотрубок
с находящимися внутри них наночастицами
Рис 5. Схематическое изображение процесса
получения этанола из синтез-газа с помощью
нанотрубок и наночастиц

Учитель биологии. Законы наномира обеспечивают такие биологические свойства живой материи, как хранение и передачу наследственной информации, ориентировку живых организмов в пространстве, поиски питания, тропизмы у растений. Именно молекулярное распознавание лежит в основе реакций матричного синтеза: редупликации ДНК, процессов биосинтеза белка (транскрипции и трансляции).

Содержание этой части урока предполагает активное включение учащихся в процессы повторения и обобщения предметных знаний, иллюстрирующих сформулированные учителями тезисы.

В заключении урока учитель химии предоставляет слово учителю информатики.

Компьютеры будущего

Учитель информатики. Важнейшим техническим достижением во второй половине двадцатого столетия является развитие электроники. В наши дни компьютеры пришли не только во все сферы функционирования человеческого общества (банки, почту, транспорт, производство, науку), но и в большинство семей и даже к отдельным ее членам. Причиной этого является то, что электронные приборы становятся все лучше и дешевле. Два этих фактора связаны между собой законами Мура. Первый закон гласит, что объем пространства, необходимый для установки транзистора на чип, сокращается вдвое примерно через каждые 1,5 года. Согласно этому закону ячейка компьютера, которая могла вместить один транзистор пятнадцать лет назад, теперь вмещает тысячу транзисторов. Второй закон утверждает, что стоимость постройки завода по изготовлению чипов удваивается с каждым их новым поколением, т.е. примерно через три года.

Существующие компьютеры перерабатывают информацию на основе классической физики, используя представления об одном бите информации (который соответствует переходу из состояния 0 в состояние 1 или наоборот). Уменьшение размеров компьютера до квантовых позволяет перерабатывать информацию на основе законов квантовой механики, используя представления об одном квантовом бите (его также называют кубитом), который позволяет осуществлять одновременно четыре логических операции (варианты: 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 2). Можно рассчитать, что 5 кубитов соответствуют числу 25 или 32 логическим операциям, а 10 кубитов – числу 210 или 1024 операциям. Эти возможности квантового компьютера позволяют ему работать с очень большими цифрами и с очень большими скоростями переработки информации. Такие компьютеры обладают поразительным быстродействием и огромным объемом памяти, способностью мгновенно записать, обработать и переслать информацию любого вида в цифровом формате. В данном формате работают электрические переключатели, действующие от поступления нескольких или даже одного-единственного электрона.

В заключение учитель химии просит учеников высказать свое мнение об этом уроке, отмечает работу своих ассистентов и активно участвующих в уроке учеников соответствующими оценками по предмету. Аналогично поступают и его коллеги.

В качестве методической рекомендации следует особо подчеркнуть, что учителя, ведущие такой урок, должны четко знать свои роли и выступать без сбоев, заминок и пауз. Мы убедились в этом на собственном опыте, когда проводили урок в школе № 531 г. Москвы и школе № 33 г. Энгельса Саратовской области.

Читайте также: