Москва, ул. Нагорная, 4а
Пн-Пт с 9:00 до 19:00
Заказать звонок Оставить заявку
keyboard_arrow_down

Типы сканирующих зондовых микроскопов

Среди всех методов исследования в морфологии, доступных нашим ученым, является сканирующая зондовая микроскопия. Благодаря ей удается осуществить изучение ограниченных свойств твердых тел, у которых пространственное разрешение высокое. Независимо от того, какой тип сканирующего микроскопа используется, механизм работы у них один: замерный зонд приближается к поверхности объекта исследования благодаря системе грубого позиционирования. Как только измерительный зонд приближается к исследуемому объекту на расстояние, менее сотен нм, зонд взаимодействует со структурами, расположенными на их поверхности. Далее зонд перемещается по поверхности исследуемого объекта благодаря специальным сканирующим устройствам. В реале это трубка из пьезокерамики с электродами (всего шесть), изгибающаяся под напряжением и приводящая к тому, что зонд перемещается вокруг исследуемого объекта, изменяя расстояние от иглы до объекта.

На сегодня существует несколько типов таких микроскопов:

  • силовой
  • туннельный
  • зондовый
  • лазерный
  • атомно силовой.

Сканирующий атомно силовой микроскоп относится к разряду микроскопов высокой разрешающей способности, который активно применяют для вычитания рельефа отдельных поверхностей образцов размером от нескольких десятков ангстрем до атомарного. Преимущество данного типа микроскопа заключается в возможности изучать прозрачные и непрозрачные объекты.

Основной принцип работы такого микроскопа связан с регистрацией воздействия сил между поверхностью того предмета, который исследуют, и зондом. Зонд представлен в виде острия, которое крепится к консоли (кантилеверу). В результате силы, которая воздействует на зонд со стороны предмета, происходит изгиб этой консоли, в результате чего под острием появляются изгибы или впадины, в результате чего происходит изгиб этого кантилевера. Исходя из этого становится ясным, что в зависимости от величины изгиба кантилевера, можно смело делать заключение о рельефе поверхности.

Если говорить о действующих силах, образующихся между зондом и объектом, то здесь действуют так называемые силы Ван- дер-Ваальса, упругие силы, силы адгезии и капиллярные силы.

Схема сканирующего атомно-силового микроскопа

Основной особенностью атомно-силовой микроскопии является и то, что с помощью данного микроскопа можно проводить анализ любого твердого материала, такого, как пластик, металл, стекло, керамика или полупроводник, не только в вакууме, но и на воздухе, в атмосфере газа или в капле любой жидкости. Это дает возможность проводить исследования различных биологических объектов.

Сканирующий туннельный микроскоп стал одним из первых прототипом зондового микроскопа. Благодаря ему, впервые ученым удалось рассмотреть поверхности, разрешение которых атомарное, с помощью проводящей иглы. Приближая так называемую иглу к исследуемому объекту, создается определенный ток напряжения, а при отдалении их – этот ток уменьшается. На так называемом туннельном токе и построен общий принцип работы данного типа микроскопов. Именно на нем впервые смогли изучить атомы, их строение.

Схема туннельного микроскопа

Сканирующий зондовый микроскоп позволяет получить исследователю изображение исследуемого объекта или предмета с локальными его характеристиками, позволяет получить трехмерное изображение любой поверхности. В отличие от других видов микроскопов, которые изучают поверхности предметов, именно этот микроскоп дает более высокое качество получаемого изображения, имеет высокую разрешающую способность. Но есть и недостаток у данного микроскопа: его площадь сканирования значительно уступает площади исследования других микроскопов.

Сканирующий силовой микроскоп работает по принципу тому же: регистрация взаимодействия между поверхностью изучаемого предмета и зондом, в качестве которого выступает очень маленькое острие, расположенное на конце кантилевера (это упругая консоль). В результате силы, воздействующей на зонд со стороны поверхности предмета, происходит ее изгиб, а вот препятствия на его пути в виде возвышения или впадины характеризуется изменением воздействующей силы и изменением величины кантилевера, что позволяет по величине изгиба его судить о рельефе поверхности.

По строению сканирующий силовой микроскоп представлен в виде корпуса, держателя образца и устройства для манипуляции.

Лазерный сканирующий микроскоп содержит в себе луч лазерного излучения, по ходу которого расположены светоделительный элемент, два дефлектора и объектив, а по ходу отраженного луча света располагается приемник излучения с обработкой сигнала. С помощью данного типа микроскопа можно не только провести измерение оптической разности фаз с помощью методики интерферометрии, но и провести измерения поляризации света.

Лазерный микроскоп в обязательном порядке включает в себя лазерный источник света, в месте излучения которого находится расширитель и светодиодная пластина. Пройдя через нее, луч проходит через зеркальные дефлекторы и объектив, а отразившись от объекта, лазерный луч попадает на фотоприемник. Уникальность и оригинальность данного микроскопа основана на том, что благодаря наличию в нем цифровой техники, позволяющей получить обработанные изображения, а также видеокамеры, используют микроскоп в разных отраслях, в том числе и в медицине.

Схема лазерного сканирующего микроскопа

Из всего этого становится ясным и понятным, что любой сканирующий зондовый микроскоп применяется для изучения поверхности (рельефа) предметов и его основных свойств. Для получения информации о поверхности рельефа исследуемого образца, применяют специально разработанные зонды в виде игл, размеры которых в среднем не превышают 10 нм. А вот уже то, как происходит взаимодействие зонда и поверхности, и является отличительной особенности основных типов сканирующих микроскопов. Как мы уже сказали, туннельный сканирующий микроскоп основан на том, что туннельный ток проходит между иглой и образцом, а вот атомный или силовой микроскоп работают в зависимости от разного силового воздействия. Но независимо от того, какое силовое воздействие используется в микроскопе, принцип работы таких микроскопов один.

Благодаря своей простоте в использовании и высокой информативности, сканирующие зондовые микроскопы сейчас активно применяют в таких научных отраслях, как физика, химия, фармация и биохимия, ведь именно с помощью данного микроскопа можно проводить изучение и анализ мельчайших частиц предметов.

Но помимо целого ряда преимуществ, сканирующие зондовые микроскопы имеют и свои недостатки. Среди них особое место стоит отнести:

  • зависимость полученных результатов исследования от формы зонда и его природы
  • чрезмерно низкая скорость сканирования, так как это осуществляется механической системой
  • искажение углов и латеральных состояний.

Но все эти недостатки сканирующих микроскопов скрываются его достоинствами:

  • четкая локальность в результате взаимодействия зонда и поверхности предмета
  • возможность применять зонд в качестве модификации поверхности исследуемого объекта
  • возможность проводить исследования в разных средах, на воздухе или в вакууме.