Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Мытищинский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

ФАКУЛЬТЕТ Лесного хозяйства, лесопромышленных технологий и садово-паркового строительства КАФЕДРА «Химия и химические технологии в лесном комплексе» ЛТ9-МФРЕФЕРАТПО ДИСЦИПЛИНЕ: Теоретические и экспериментальные методы исследования в химии____________ ____НА ТЕМУ:_______ «Атомный силовой микроскоп. Принцип действия и применение» _________ __­­­___Студент ___ЛТ9-12М______ _________________ ___Белова Д. И.______ (Группа) (Подпись,дата) (И.О.Фамилия) Преподаватель _________________ __Олиференко Г. Л.__ (Подпись, дата) (И.О.Фамилия) 2022 г.

Содержание

Введение

Микроскопия ещё со времен Левенгука является неотъемлемой частью научных исследований в области биологии, физики и материаловедения, — ведь недаром говорят, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Однако возможности методов оптической микроскопии не безграничны, и в какой-то момент все уперлось в физические ограничения — разрешающая способность не может превзойти 0,2 мкм, что связано с так называемым дифракционным пределом.Естественным выходом из ситуации было бы уменьшить длину волны, однако более коротковолновое излучение (например, рентгеновские лучи) губительно для биологических объектов. Впрочем, если не ставить целью

---

наблюдение исключительно за живым объектом, то оказывается, что изучение «фиксированного» препарата способно дать чрезвычайно подробную информацию о внутреннем устройстве клетки.

Дифракционный предел оптической микроскопии — это невозможность различить два объекта, разделённые расстоянием меньшим, чем половина длины волны света.



где d — латеральное разрешение, λ — длина волны, NA — числовая апертура объектива. Подставив в эту формулу длины волн видимого света (500–800 нм) и наибольшее значение NA на воздухе (0,95), получим максимально достижимое латеральное разрешение — 200 нм. Это и есть дифракционный предел.
Проблема увеличения разрешающей способности микроскопов без разрушения или изменения исследуемого образца была разрешена посредством визуализации физико-химических свойств поверхности, — например, способности отражать или поглощать электроны. Разработка таких методов как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) позволила преодолеть физические ограничения оптической микроскопии и перейти к изучению объектов не только на клеточном, но и на молекулярном уровне. Все это не могло не привлечь молекулярных биологов и биофизиков.

Туннельный эффект — преодоление квантовой частицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Это явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределенностей, которое можно представить в виде:



Данное выражение показывает, что при ограничении квантовой частицы по координате x (уменьшении неопределенности в положении), её импульс p становится менее определённым. Случайным образом неопределённость импульса Δp может добавить частице энергии для преодоления барьера, но средняя энергия частицы при этом все равно останется неизменной.

Кроме того, в 80-х годах были заложены основы популярной в настоящее время дисциплины — нанотехнологий, для которой возможность изучать свойства и взаимодействия отдельных молекул или атомов — не прихоть, а самая насущная потребность. Мало того, ученые хотели не только «почувствовать» молекулы или атомы, получив

---

спектры или измерив характеристики частиц, но и в прямом смысле слова увидеть их. Сама идея нанотехнологий — конструирование наноразмерных структур — позволяет придать уже известным веществам новые свойства или усилить их действие. Перед инженерами и учеными встала задача разработать новый метод визуализации c нанометровой и даже субнанометровой разрешающей способностью.

Концепция и предпосылки для разработки методов сканирующей зондовой микроскопии появились еще в 1960-х годах. В 1981 году швейцарец Герд Бинниг (G. Binning) и немец Генрих Рорер (G. Rohrer) разработали технологию сканирующей туннельной микроскопии. Этих двух талантливых ученых-физиков свела вместе работа в лаборатории IBM в Цюрихе, где представленная ими в 1982 году модель первого типа сканирующих зондовых микроскопов — сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) — стала ключом, открывшим ученым дверь в мир атомов. За эту работу они были удостоены в 1986 году Нобелевской премии по физике (рис. 1).

В 1986 году Рорер разработал и первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) — продолжатель рода сканирующих зондовых микроскопов. Принципиальное отличие АСМ от СТМ заключается в регистрации не туннельного эффекта, а сил межмолекулярных взаимодействий, что позволило использовать АСМ для работы с непроводящими образцами. Вклад Биннинга и Рорера в разработку методов сканирующей зондовой микроскопии был столь высок, что сегодняшние сканирующие туннельные микроскопы (помимо перехода к использованию цифровых технологий) мало чем принципиально отличаются от модели, представленной научной публике в 1982 году [1].



Рис. 1. Герд Бинниг и Генрих Рорер вместе с первой моделью сканирующего туннельного микроскопа, за которую они и были удостоены Нобелевской премии в 1986 году.

Принцип действия АСМ

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) относится к классу сканирующих зондовых микроскопов. Принцип его работы основан на регистрации взаимодействия зонда с поверхностью исследуемого материала. Упрощенная схема работы АСМ изображена на рисунке 2.Рис. 2. Упрощенная схема сканирования рельефа поверхности.

---

Производство АСМ. Первый АСМ [2] представлял собой профилометр высокого разрешения (рис. 3).Рис. 3. Схема первого АСМАлмазное острие крепилось на упругой консоли – прямоугольной полоске золотой фольги размерами 0.8x0.25x0.025 мм. Изгиб консоли, вызванный неровностями рельефа образца, приводил к изменению туннельного тока между зондом СТМ. Системы обратной связи, 6 смещая образец относительно зонда при помощи сканеров XYZ, контролировали постоянство туннельного тока. По сути, прибор представлял собой СТМ, где между проводящим зондом и образцом установлен еще один зонд. Такой подход позволил изучать структуру не только проводников, но и диэлектриков.

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При перекрытии оболочек атомов, которое возникает при контактном режиме работы атомно-силового микроскопа возникает отталкивание, аналогичное режиму работы профилометра. Наиболее выступающий атом кантилевера находится в непосредственном контакте с поверхностью. Обратная связь позволяет осуществлять сканирование в режиме постоянной силы, когда система поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании чистой поверхности с перепадами высот порядка 10⁻¹⁰ м возможно использовать сканирование при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. Движение кантилевера, в этом случае происходит на средней высоте над поверхностью образца. Изгиб кантелевера ΔZ, который пропорционален силе, действующей на зонд, измеряется для каждой точки. А изображение в этом режиме показывает пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.Можно выделить несколько достоинств метода:

• 
  Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость;
  
• 
  Наибольшая достижимая скорость сканирования;
  
• 
  Обеспечивает наилучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа.
  

А также недостатки метода:

• 
  Наличие артефактов, связанных с наличием сил, направленных вдоль поверхности около ступеней;
  
• 
  При сканировании на воздухе на зонд действуют также капиллярные силы из-за неизбежного присутствия на поверхности атомарного слоя воды, внося погрешность в определение высоты поверхности;
  
• 
  Практически непригоден для изучения формы биологических объектов и органических материалов.
  
• 
  
  

---

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме зонд находится на расстоянии где действуют притягивающие силы. Пьезокерамика возбуждает резонансные колебания зонда. При этом особенности поверхности, посредством сил Ван-дер-Ваальса приводят к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик колебаний. Возможно также измерять изменение высших гармоник сигнала.Благодаря обратной связи поддерживается постоянная амплитуда колебаний зонда, и измеряется частота и фаза в каждой точке поверхности. В другом режиме возможно использовать обратную связь для поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.Выделяют следующие достоинства метода:

• 
  Отсутствует воздействие зонда на исследуемую поверхность.
  

А к недостаткам относят:

• 
  Крайне чувствителен ко всем внешним шумам;
  
• 
  Наименьшее разрешение;
  
• 
  Наименьшая скорость сканирования;
  
• 
  Функционирует лишь в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбированный на поверхности слой воды;
  
• 
  Загрязнение кантелевера во время сканирования меняет его частотные свойства.
  

В связи с множеством сложностей и недостатков метода, этот режим работы АСМ не нашёл широкого применения.

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в полуконтактном режиме, кантилевер также колеблется. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер находится в области отталкивающих сил. Поэтому этот метод занимает промежуточное положение между контактом и бесконтактным методами.Среди достоинств метода можно выделить:

• 
  Универсальность по сравнению с другими методами АСМ, который позволяет на большинстве исследуемых образцов получать разрешение 1-5 нм
  
• 
  Латеральные силы, действующие на зонд со стороны поверхности минимизированы, что упрощает интерпретацию получаемых результатов
  

Недостаток метода:

• 
  Максимальная скорость сканирования уступает контактному режиму [4].
  

Преимущества и недостатки АСМ

Преимущества АСМ:  Исследование практически любых твердых и мягких материалов. В отличие от сканирующей электронной микроскопии на поверхность диэлектриков не требуется наносить проводящее покрытие.  Результаты не ограничиваются получением трехмерного изображения рельефа поверхности. Взаимодействие зонда с образцом открывает возможность исследования самых разнообразных свойств поверхности: локальные механические, электрические, магнитные и другие характеристики.

---

Смотрите также файлы

• В полдень к инспектору Варнике подошла супружеская чета, расположившаяся в палатке на берегу озера.docx

• Методические рекомендации по учебной практике (практика по получению первичных профессиональных умений и навыков).docx

• древние языки.docx

• Одно из заданий практического занятия (темы 122).docx

• 2. Почему душа истинного философа бежит от радостей, желаний, печалей и страхов.docx