СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП ФОТО И СКАНЕРИРУЮЩИЙ ЗОНДОВ

Текущая версия страницы пока не проверялась
опытными участниками и может значительно отличаться от версии
, проверенной 4 декабря 2021 года; проверки требуют 7 правок
.

Сканирующие зондовые микроскопы
(СЗМ, англ.
  SPM — scanning probe microscope
) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом
. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.
Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом
и Генрихом Рорером
в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике
в 1986 году
, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа
Э. Руска
. Отличительной особенностью СЗМ является наличие:

• зонда,
• системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
• регистрирующей системы.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образца. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор
.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом ( кантилевер
, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

• Конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами.
• Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.
• Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.
• Создание прецизионной системы развёртки.
• Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.

В настоящий момент в большинстве исследовательских лабораторий сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования в силу ряда физических и технических особенностей.

В сравнении с растровым электронным микроскопом
(РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для работы с РЭМ необходим вакуум, в то время как большая часть режимов СЗМ предназначена для исследований на воздухе, в вакууме и жидкости. Благодаря этому, с помощью СЗМ возможно изучать материалы и биологические объекты в нормальных для этих объектов условиях. Например, изучение биомакромолекул и их взаимодействий, живых клеток. В принципе, СЗМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так, было показано, что СЗМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума при отсутствии вибраций. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку СЗМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. Р ЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У СЗМ максимальный перепад высот составляет несколько микрометров, как правило, не более 25 мкм, а максимальное поле сканирования в лучшем случае — порядка 150×150 микрометров. Другая проблема заключается в том, что качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда или его повреждении приводит к появлению артефактов на получаемом изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает меньше времени, чем для РЭМ.

Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений

Производители СЗМ в России и СНГ в алфавитном порядке

АНО «Институт нанотехнологий МФК»

ООО «Нано Скан Технология»

ООО « НТ-СПб
» — компания, созданная в Санкт-Петербурге на основе лаборатории Зондовой микроскопии Института аналитического приборостроения РАН
и с 2003 года работает на рынке нанотехнологического оборудования и в настоящее время компания является резидентом Технопарка Университета ИТМО
. Предложенный и произведенный в «НТ-СПб» учебный зондовый микроскоп завоевал большую популярность в России и за рубежом. Компания занимается производством сканирующих зондовых микроскопов, а также образовательной деятельностью в школах, ВУЗах и технопарках. В настоящее время компания предлагает:

• Учебно-образовательный комплекс NanoTutor.
• СЗМ модуль для оптического микроскопа MicProbe.
• СЗМ для электронного микроскопа ProBeam.
• Дополнительное оборудование и аксессуары для СЗМ.

«Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ФГБНУ ТИСНУМ), Россия

• Разработка и развитие новых подходов к измерению физико-механических свойств материалов на наномасштабах.
• Создание оригинальных измерительных методик и приборов.
• Производство сканирующих нанотвердомеров серии «НаноСкан»
  , сочетающих возможности классических наноинденторов и сканирующих зондовых микроскопов, имеющих ряд дополнительных уникальных возможностей.
• Производство наноинденторов.

ООО НПП «Центр перспективных технологий»

• R. Wiesendanger
  , Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy, Cambridge Universtiy Press, Cambridge (1994)
• D. Sarid
  , Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences, Oxford University Press, New York (1991)
• R. Dagani
  , Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March 2007, page 13. Published by American Chemical Society
• Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V. B. Elings
  , Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).
• V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning
  , Atomic Force Microscopy for Biologists. ( Book) (December 1999) Imperial College Press.
• J. W. Cross
  SPM — Scanning Probe Microscopy Website
• P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne
  , Nature Methods
  , 3, 5 (2006)
• F. Гиссибль
  , Достижения в атомно-силовой микроскопии, Обзоры современной физики 75 , 949–983 (2003).
• Р. Х. Эйбл, В. Т. Мой
  , Измерения белково-лигандных взаимодействий на живых клетках с помощью атомно-силовой микроскопии. Методы Мол Биол. 305:439-50 (2005)
• П.М. Хоффманн, А. Орал, Р.А. Гримбл, Х.О. Озер, С. Джеффри, Дж. Б. Петика
  , учеб. Роял Соц. А 457, 1161 (2001).
• Эйбл Р.Х., Первое измерение физиологической активации VLA-4 с помощью SDF-1 на уровне одиночных молекул в живой клетке. В: Достижения в области исследований одиночных молекул в биологии и нанонауке. Хинтердорфер П., Шуец Г., Пол П. (редакторы), Траунер, ISBN (2007).
• Уэст П., Введение в атомно-силовую микроскопию: теория, практика и приложения — www. AFMUniversity.org
• Суслов А. А., Чижик С. А.
  Сканирующие зондовые микроскопы (обзор)
  // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89

• Информация с сайта нобелевского комитета
  (англ.)
• Архив статей по зондовой микроскопии
• Описание методики АСМ на сайте компании NT-MDT
  Архивная копия
  от 31 июля 2012 на Wayback Machine
• Сканирующая зондовая микроскопия Джона В. Кросса
• Сканирующая зондовая микроскопия в Институте пищевых исследований
• Характеристика в нанотехнологиях, некоторые PDF-файлы
• Обзор принципов STM/AFM/SNOM с обучающей Flash-анимацией
• Галерея изображений SPM — AFM STM SEM MFM NSOM и многое другое
• Как работает СЗМ
• Галерея изображений сканирования СЗМ
• Глоссарий СЗМ
• СЗМ галерея: сканы поверхности, коллажи, иллюстрации, обои
• Галерея СЗМ изображений
• СЗМ в работе, режим быстрого вызова

СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ

Кувайцев Александр Вячеславович
Димитровградский инженерно-технологический филиал национального исследовательского финансирования университета «МИФИ»
студент

Аннотация

В данной статье описан принцип работы зондового микроскопа. Это принципиально новая технология, способная решить проблемы в таких разных областях, как связь, биотехнология, микроэлектроника и энергетика. Нанотехнологии в микроскопии, как правило, значительно сокращают объем потребляемых ресурсов и не оказывают давления на окружающую среду, они будут играть ведущую роль в жизни человечества, как, например, компьютеры стали частью жизни людей.

Ключевые слова:
микроскоп
, микроэлектроника
, нанотехнологии
, технология

ТИПЫ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

Кувайцев Александр Вячеславович
Димитровградский инженерно-технологический институт Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»
студент

Аннотация

В этой статье описывается принцип работы зондового микроскопа. Это новая технология, способная решать проблемы в таких разнообразных областях, как связь, биотехнология, микроэлектроника и энергетика. Нанотехнологии в микроскопии позволят существенно сократить потребление ресурсов и не оказывать давления на окружающую среду, они будут играть ведущую роль в жизни человека, как, например, компьютер стал неотъемлемой частью жизни людей.

Ключевые слова:
микроэлектроника
, микроскоп
, нанотехнологии
, технология

Рубрика:
05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

В 21-м веке стремительно набирают популярность нанотехнологии, которые проникают во все сферы нашей жизни, но прогресса в них не было бы без новых, экспериментальных методов исследований, одним из наиболее информативных методов сканирующей зондовой микроскопии, которые изобрели и распространили нобелевские лауреаты 1986 года – профессор Генрих Рорер и доктор Герд Бинниг.

В мире произошла настоящая революция с появлением методов визуализации атомов. Стали появляться группы энтузиастов, конструирующих свои приборы. В итоге получилось несколько удачных решений для визуализации результатов взаимодействия зонда с поверхностью. Были созданы технологии производства зондов с картами параметров.

Так что же представляет из себя зондовый микроскоп? В первую очередь это непосредственно зонд, который исследует поверхность образца, так же необходима система перемещения зонда относительно образца в двумерном или трехмерном представлении (перемещается по X-Y или X-Y-Z координатам). Все это дополняет регистрирующая система, которая фиксирует значение функции, зависящей от расстояния от зонда до образца.  Регистрирующая система фиксирует и запоминает значение по одной из координат.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов можно разделить на 3 группы:

1. Сканирующий туннельный микроскоп – предназначен для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением.
   

   В СТМ острая металлическая игла проводится над образцом на очень малом расстоянии. При подаче на иглу небольшого тока между ней и образцом возникает туннельный ток, величину которого фиксирует регистрирующая система. Игла проводится над всей поверхностью образца и фиксирует малейшие изменение тоннельного тока, благодаря чему вырисовывается карта рельефа поверхности образца. С ТМ первый из класса сканирующих зондовых микроскопов, остальные были разработаны позднее.

2. Сканирующий атомно-силовой микроскоп – используется для построения структуры поверхности образца с разрешением до атомарного. В отличии от СТМ с помощью этого микроскопа можно исследовать как проводящие так и непроводящие поверхности. Из-за способности не только сканировать но и манипулировать атомами, назван силовым.
3. Ближнепольный оптический микроскоп – «усовершенствованный» оптический микроскоп, обеспечивающий разрешение лучше чем у обычного оптического. Повышение разрешения БОМа было достигнуто путем улавливания света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длинна волны. В случае если зонд микроскопа снабжен устройством для сканирования пространственного поля, то такой микроскоп называют сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. Такой микроскоп позволяет получить изображения поверхностей и с очень высоким разрешением.

На изображении (рис. 1) показана простейшая схема работы зондового микроскопа.

Рисунок 1. —  Схема работы зондового микроскопа

Его работа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом, это может быть кантилевер, игла или оптический зонд. При малом расстоянии между зондом и объектом исследования действия сил взаимодействия, такие как отталкивания притяжение и т.д., и проявление эффектов, таких как, туннелирование электронов, можно зафиксировать с помощью средств регистрации. Для детектирования этих сил используются очень чувствительные сенсоры способные уловить малейшие изменения.  Пьезотрубки или плоскопараллельные сканеры используются как система развертки по координатам для получения растрового изображения.

К основным техническим сложностям при создании сканирующих зондовых микроскопов можно отнести:

1. Обеспечение механической целостности
2. Детекторы должны иметь максимальную чувствительность
3. Конец зонда должен иметь минимальные размеры
4. Создание системы развертки
5. Обеспечения плавности зонда

Почти всегда полученное сканирующим зондовым микроскопом изображение плохо поддается расшифровке из-за искажений при получении результатов. Как правило необходима дополнительная математическая обработка. Для этого используется специализированное ПО.

В настоящее время, сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования из-за ряда физических и технических особенностей. За прошедшие годы применение зондовой микроскопии позволило получить уникальные научные исследования в областях физики, химии и биологии.  Первые микроскопы были всего лишь приборами – индикаторами, помогающими в исследованиях, а современные образцы это полноценные рабочие станции, включающие в себя до 50 различных методик исследования.

Главной задачей этой передовой техники является получение научных результатов, но применение возможностей этих приборов на практике требует высокой квалификации от специалиста.

1. Сканирующий зондовый микроскоп .
   [Электронный ресурс]. U RL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сканирующий_зондовый_микроскоп
   (дата обращения 23.10.2016).
2. Сканирующий атомно-силовой микроскоп.
   [Электронный ресурс]. U RL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сканирующий_атомно-силовой_микроскоп
   (дата обращения 23.10.2016).
3. Сканирующий туннельный микроскоп.
   [Электронный ресурс]. U RL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сканирующий_туннельный_микроскоп
   (дата обращения 23.10.2016).
4. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров / Под редакцией И. В. Яминского, – М.: Научный мир, 1997, – 86 с.
5. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии / В. Миронов, – М.: Техносфера, 2004, – 143 с.
6. Рыков С. А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов / С. А. Рыков, – СПБ: Наука, 2001, – 53 с.

Все статьи автора «Кувайцев Александр Вячеславович»

Атомно-силовой микроскоп
(АСМ, англ.
  AFM — atomic-force microscope
) — сканирующий зондовый микроскоп
высокого разрешения, способный определять рельеф поверхности с разрешением от нанометра
и выше.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа
с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом
, Кельвином Куэйтом
и Кристофером Гербером
в Цюрихе (Швейцария), как модификация изобретённого ранее сканирующего туннельного микроскопа.

Дальнейшее развитие атомно-силовой микроскопии привело к возникновению таких методов, как магнитно-силовая микроскопия
, силовая микроскопия пьезоотклика
, электро-силовой микроскопии
.

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и поверхностью образца, подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса
, которые при малых расстояниях являются силами отталкивания, а при дальнейшем увеличении расстояния переходят в силы притяжения.
В зависимости от расстояния и вида сил между кантилевером и поверхностью образца можно разделить три режима работы атомно-силового микроскопа:

1. Контактный ( англ.
    )
2. Бесконтактный ( англ.
    )
3. Полуконтактный ( англ.
     или англ.
    )

На приведённом рисунке справа расстояние принятое за ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами поверхностных атомов и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому равновесная точка с минимумом потенциальной энергии находится на конечном расстоянии, соответствующем «границе» электронных оболочек атомов.

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

• Максимальная скорость сканирования уступает контактному режиму.

Несмотря на то что при описании работы атомно-силового микроскопа очень часто упоминаются лишь силы Ван-дер-Ваальса, в реальности со стороны поверхности действуют такие силы, как упругие силы
, силы адгезии
, капиллярные силы
. Их вклад особенно очевиден при работе в полуконтактном режиме, когда вследствие «прилипания» кантилевера к поверхности возникают гистерезисы, которые могут существенно усложнять процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Кроме того, со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды, можно узнать их распределение по поверхности.

Конструкция атомно-силового микроскопа

Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:

• Жёсткий корпус, удерживающий систему
• Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется
• Устройства манипуляции

В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.
Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для «грубого» регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая — для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон).
В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещения на расстояния порядка 10 ⁻¹⁰
  м
, однако им присущи такие недостатки, как термодрейф, нелинейность, гистерезис
, ползучесть
(крип).

• Зонд
• Система регистрации отклонения зонда. Существует несколько возможных систем:

• Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)
• Пьезоэлектрическая (использует прямой и обратный пьезоэффект)
• Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)
• Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)
• Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)

• Система обратной связи
• Управляющий блок с электроникой

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. Р ЭМ 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 мкм². 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.

Нелинейность, гистерезис
и ползучесть
(крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения АСМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные АСМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование
) 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. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами
конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.

1. G. Binnig, C. F. Quate, Ch Gerber. Atomic Force Microscope, PRL 56, 9 (1986)
2. G. Meyer, N. M. Amer. Novel optical approach to atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 53, 1045 (1988)
3. Y. Martin, C. C. Williams, and H. K. Wickramasinghe, Atomic force microscope-force mapping and profmng on a sub 100 А scale. Appl. Phys., Vol. 61, No. 10, 15 (1987)
4. V. Y. Yurov, A. N. Klimov.
   Scanning tunneling microscope calibration and reconstruction of real image: Drift and slope elimination
     (англ.)
    // Review of Scientific Instruments
   
    : journal. — USA: AIP, 1994. — , . — . — ISSN
   0034-6748
   . — doi
   : 10.1063/1.1144890
   . Архивировано
   13 июля 2012 года.
   
   
5. G. Schitter, M. J. Rost.
   Scanning probe microscopy at video-rate
     (англ.)
    //
    : journal. — UK: Elsevier, 2008. — No. special issue
   . — . — ISSN
   1369-7021
   . — doi
   : 10.1016/S1369-7021(09)70006-9
   . Архивировано
   9 сентября 2009 года.
   
   
6. Sugimoto Y. et al
   ., Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy, Nature
   446
   , 66 (2007) doi
   : 10.1038/nature05530
   .
7. Комплекс для исследований в области биологии и материаловедения, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп
   
   . Дата обращения: 4 марта 2010.
   Архивировано
   28 марта 2010 года.
   
   
8. Комплекс для исследований на основе прямого или инвертированного микроскопа, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп
   
   . Дата обращения: 7 марта 2010.
   Архивировано
   25 февраля 2010 года.
   
   
9. Комплекс для исследований в области биологии, сочетающий в себе СЗМ и оптический микроскоп
   
   . Дата обращения: 4 марта 2010.
   Архивировано из оригинала
   4 марта 2010 года.
   
   
10. Комплекс для исследований совмещающий электронный и сканирующий зондовый микроскопы
      (недоступная ссылка)
    
11. Комплекс на основе СЗМ, оптического микроскопа и спектрометра
    
    . Дата обращения: 7 марта 2010.
    Архивировано
    9 апреля 2010 года.
    
    
12. Комплекс СЗМ с конфокальным рамановским и флюоресцентным спектрометром
      (недоступная ссылка)
    
13. Исследовательский комплекс совмещающий СЗМ, конфокальный лазерный микроскоп, рамановский и флюоресцентный спектрометры, оптический микроскоп
    
    . Дата обращения: 7 марта 2010.
    Архивировано
    25 февраля 2010 года.
    
    
14. АСМ установленный в криоультрамикротом
    
    . Дата обращения: 7 марта 2010.
    Архивировано из оригинала
    14 октября 2010 года.
    
    

• В. Л. Миронов.
  Основы сканирующей зондовой микроскопии
   : Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. — Нижний Новгород : Российская академия наук, Институт физики микроструктур, 2004. — 110 с.
• R. Wiesendanger.
  Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy  (англ.)
  . — Cambridge: Cambridge Universtiy Press, 1994.
• D. Sarid.
  Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences
    (англ.)
  . — New York: Oxford University Press, 1991.
• R. Dagani, Individual Surface Atoms Identified, Chemical & Engineering News, 5 March 2007, page 13. Published by American Chemical Society
• Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V. B. Elings, Surf. Sci. Lett. 290, L688 (1993).
• V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning.
  Atomic Force Microscopy for Biologists  (англ.)
  . — Imperial College Press, 1999.
• J. W. Cross SPM — Scanning Probe Microscopy Website
  
• P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne, Nature Methods
  , 3, 5 (2006)
• F. Giessibl, Advances in Atomic Force Microscopy, Reviews of Modern Physics 75 , 949—983 (2003).
• R. H. Eibl, V. T. Moy, Atomic force microscopy measurements of protein-ligand interactions on living cells. Methods Mol Biol. 305:439-50 (2005)
• P. M. Hoffmann, A. Oral, R. A. Grimble, H. Ö. Özer, S. Jeffery, J. B. Pethica, Proc. Royal Soc. A 457, 1161 (2001).
• Eibl RH, First measurement of physiologic VLA-4 activation by SDF-1 at the single-molecule level on a living cell. In: Advances in Single Molecule Research for Biology and Nanoscience. Hinterdorfer P, Schuetz G, Pohl P (Editors),Trauner, ISBN (2007).
• West P, Introduction to Atomic Force Microscopy: Theory, Practice and Applications — www. AFMUniversity.org
• Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор)
  // Материалы, Технологии, Инструменты — Т.2 (1997), № 3, С. 78-89

• АСМ для генетических исследований
• Архив статей по зондовой микроскопии
• Описание методик АСМ на сайте компании NT-MDT
  Архивная копия
  от 31 июля 2012 на Wayback Machine
• СЗМ галерея: сканы поверхности, коллажи, иллюстрации, обои
• Галерея СЗМ изображений
• СЗМ в работе, режим быстрого сканирования
• Способ достижения точности АСМ сканирования в 0.01 нм

Сканирующий туннельный микроскоп
(СТМ, англ.
  STM — scanning tunneling microscope
) — вариант сканирующего зондового микроскопа
, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением.

В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем
(). При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала
возникает туннельный ток
. Величина этого тока экспоненциально
зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения силы тока — при расстояниях образец-игла около . Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов
; атомно-силовой
и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы
были разработаны позднее.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.
Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идёт построение топографии поверхности
.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:

• зонд (иглу),
• систему перемещения зонда относительно образца по двум (X-Y) или трём (X-Y-Z) координатам,

  регистрирующую систему.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор
.
Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца ( поверхностное сопротивление
должно быть не больше ), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование
с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума

, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен в 1981 году (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом
и Генрихом Рорером
из лаборатории IBM
в Цюрихе
( Швейцария
). В 1986 году
Бинниг и Рорер за изобретение СТМ и Э. Руск
за изобретение просвечивающего электронного микроскопа
были удостоены Нобелевской премии
.

В СССР
первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 году Институтом физических проблем
АН СССР
.

Совокупность технологий и методов практического использования микроскопов называют микроскопией
.

Разрешающая способность микроскопа — это способность выдавать чёткое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Степень проникновения в микромир, возможности его изучения зависят от разрешающей способности
прибора. Эта характеристика определяется прежде всего длиной волны
используемого в микроскопии излучения ( видимое
, ультрафиолетовое
, рентгеновское излучение
). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.

«Проникнуть глубже» в микромир возможно при применении излучений с меньшими длинами волн.

Человеческий глаз
представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличны один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет ~0,2 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов
, деталей микроструктуры металлов
и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины.

До середины XX века работали только с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400—700 нм
, а также с ближним ультрафиолетом ( люминесцентный микроскоп
). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2—0,7 мкм
, или 200—700 нм). Таким образом, оптический микроскоп способен различать структуры с расстоянием между точками до ~0,20 мкм, поэтому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло ~2000 крат.

Пучок электронов
, которые обладают свойствами не только частицы, но и волны, может быть использован в микроскопии.

Длина волны электрона зависит от его энергии, а энергия электрона равна E = Ve, где V — разность потенциалов, проходимая электроном, e — заряд электрона. Длины волн электронов при прохождении разности потенциалов 200 000 В составляет порядка 0,1 нм. Электроны легко фокусировать электромагнитными линзами, так как электрон — заряженная частица. Электронное изображение может быть легко переведено в видимое.

Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10 000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема.

Сканирующие зондовые микроскопы

Класс микроскопов, основанных на сканировании поверхности зондом.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — относительно новый класс микроскопов. На СЗМ изображение получают путём регистрации взаимодействий между зондом и поверхностью. На данном этапе развития возможно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами, благодаря чему СЗМ по разрешающей способности сопоставимы с электронными микроскопами, а по некоторым параметрам превосходят их.

Рентге́новский микроско́п
 — устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра.

Микроскопы до XX века

• 
  
  

  Микроскоп, 1876 год

• 
  
  

  Бинокулярный (стерео) микроскоп Olympus_SZIII Stereo microscope. Модель 1970-х годов

• 
  
  

  Микроскопы XVIII века

• 
  
  

  Рисунок микроскопа из английского словаря 1911 года. 1 — окуляр
  ; 2 — револьвер для смены объективов; 3 — объектив
  ; 4 — кремальера
  для грубой наводки; 5 — микрометрический винт для точной наводки; 6 — предметный столик; 7 — зеркало; 8 — конденсор

Галерея оптических микроскопов

• 
  
  

• 
  
  

  Бинокулярные лабораторные микроскопы

• 
  
  

  Оптическая схема бинокулярной насадки микроскопа

• 
  
  

• 
  
  

• 
  
  

• 
  
  

• 
  
  

• 
  
  

  Окуляры с микрометрической шкалой

• 
  
  

• 
  
  

Узлы и механизмы оптического микроскопа

• 
  
  

  Предметный столик с препаратоводителем

• 
  
  

  Револьвер с объективами

• 
  
  

  Макро- и микровинт
  






Тубус микроскопа без окуляра


• 
  

Станина, отражающее зеркало







Предметный столик снизу — конденсор, ножки станины


• 
  

Отражающее зеркало под конденсором










• Макро- и микровинт
  

  
  
  
  

A glass-sphere microscope

. Funsci.com. Дата обращения: 13 июня 2010.
Архивировано
11 июня 2010 года.

Microscopes: Time Line

. Nobel Web AB. Дата обращения: 27 января 2010.
Архивировано
22 августа 2011 года.

. — New York, N. Y: Harmony, 2000. — ISBN 0-224-05044-3
.

Rachel Courtland.
The microscope revolution that’s sweeping through materials science
(EN) // Nature. — 2018-11-21. — . — . — doi
: 10.1038/d41586-018-07448-0
. Архивировано
1 декабря 2021 года.

• Микроскопы. Л., 1969
• Проектирование оптических систем. М., 1983
• Иванова Т. А., Кирилловский В. К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. М., 1984
• Кулагин С. В., Гоменюк А. С. и др. Оптико-механические приборы. М., 1984

• Микроскоп
  
  — статья из энциклопедии «Кругосвет»

Учебное пособие

Основы сканирующей зондовой микроскопии.

Содержание разделов дисциплины

1. Введение.

1. Принципы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).
2. Конструктивные особенности и режимы работы зондовых микроскопов.
3. Комбинации различных типов микроскопов в одном приборе.

2. Сканирующая туннельная микроскопия.

1. Конструкции сканирующих туннельных микроскопов (СТМ).
2. Системы сближения иглы и образца.
3. Сканирующие элементы.
4. Способы изготовления СТМ зондов.

3. Режимы работы СТМ.

1. Получение изображений поверхности в режимах постоянного туннельного тока и постоянной средней высоты.
2. Получение информации о распределении локальной работы выхода электронов вдоль поверхности.

4. Система автоматизации СТМ.

1. Система сбора и обработки информации.
2. Характерные искажения СТМ изображений и методы их устранений.
3. Спектральный и корреляционный анализ изображения поверхности.

5. Туннельная спектроскопия.

1. характеристики туннельных контактов.
2. Зависимость туннельного тока от расстояния .
3. Резонансные эффекты в СТМ.
4. Низкотемпературный СТМ. Спектроскопия сверхпроводников.

6. микроскопия.

1. Принципы работы и конструкции микроскопов (АСМ).
2. Силы, действующие на зонд АСМ (Ван-дер-Ваальса, капиллярные, электростатические).
3. Режимы работы АСМ. Методы регистрации сигнала пропорционального рельефу поверхности.
4. Электросиловая микроскопия.

7. микроскопия.

1. Принципы работы и конструкции микроскопов (МСМ).
2. Взаимодействие зонда с магнитными полями образца.
3. Особенности формирования МСМ контраста от различных структур.
4. Регистрация магнитострикционного отклика поверхности.

8. Ближнепольная оптическая микроскопия.

1. Прохождение света через отверстия с размерами меньшими длины волны.
2. Принципы работы ближнепольных оптических микроскопов (СБОМ).
3. Режимы работы СБОМ: коллекторная мода, излучательная мода на отражение и на прохождение.
4. Эванесцентные волны.
5. Типы ближнепольных оптических зондов и методы их изготовления.
6. Ближнепольная спектроскопия полупроводниковых структур. Исследование фотолюминесценции квантовых точек, нитей и ям с высоким пространственным разрешением.

9. Пространственное разрешение зондовых микроскопов.

1. Связь разрешения СЗМ с размером зонда и расстоянием между зондом и образцом.

Искажения, вносимые зондом в изображение рельефа и свойств поверхности. Методы восстановления истинного рельефа поверхности.