Микроскопы зондовые сканирующие

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope) — класс микроскопов, предназначенный для получения пространственного изображения или наблюдения локальных свойств с высоким разрешением (< 1 нм). Сканирующая зондовая микроскопия — один из мощных современных методов исследования формы и локальных свойств поверхности твердого тела. С помощью сканирующего зондового микроскопа можно получить цифровое трехмерное изображение атомарной решетки, живой клетки, интегральной микросхемы, структуры полимера и т.д., провести измерение элементов структуры поверхности образца, определить механические (сила трения, адгезия, жесткость, эластичность), электрические (потенциал, проводимость) и магнитные (распределение намагниченности) свойства поверхности с пространственным разрешением в доли нанометра.

Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между зондом и поверхностью происходит их взаимодействие (отталкивание, притяжение и др.), которое фиксируется системой детекции.

Основные типы СЗМ:

• сканирующий атомно-силовой микроскоп;
• cканирующий туннельный микроскоп;
• ближнепольный оптический микроскоп.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) – самый распространенный тип СЗМ. В качестве сканера обычно используется микромеханический зонд – кантилевер, представляющий собой массивное основание с закрепленной на нем иглой. При перемещении кантилевера, кончик иглы взаимодействует с поверхностью, вибрация передается основанию и вызывает отклонение лазерного луча, направленного на внешнюю поверхность кантилевера. Это отклонение фиксируется фотодетектором и трансформируется в изображение.

Существует два основных типа измерений: контактный и динамический. В контактных режимах взаимодействие определяется по изгибанию кантилевера. Когда кантилевер перемещается вблизи поверхности образца, он слегка изгибается под действием отталкивающих сил. Постоянная степень изгиба кантилевера поддерживается управлением с обратной связью, значения обратной связи поступают в компьютер для визуализации визуального изображения контура поверхности. Из-за высокого разрешения этот режим обычно использовался для наблюдения объектов на атомном и молекулярном уровне. Помимо сил отталкивания от образца на кантилевер могут влиять силы адгезии, вызывающие шум. Таким образом, этот режим не подходит для визуализации образцов, которые могут перемещаться, или мягких поверхностей. В динамическом режиме кантилевер вибрирует с высокой скоростью, не касаясь образца. Когда наконечник вибрирующего кантилевера приближается к образцу, амплитуда колебаний изменяется, управление обратной связью возвращает амплитуду к «нормальному» значению, регистрируя изменение для построения изображения. При работе в динамическом режиме шанс столкновения кантилевера с образцом невелик, поэтому такой режим хорошо подходит для объектов, которые могут перемещаться или для объектов с липкой поверхностью. В последние годы динамический режим стал стандартной техникой АСМ.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) – предназначен для анализа рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. Принцип работы методики основан на возникновении туннельного тока при подаче потенциала на иглу, подведенную на расстояние нескольких ангстрем от образца. Сила тока зависит от расстояния от иглы до образца. При сканировании игла перемещается вдоль поверхности, обратная связь поддерживает стабильность туннельного тока, ее показания изменяются в зависимости от расстояния до образца. Другой способ сканирования – движение иглы на фиксированном расстоянии от образца, изменения величины туннельного тока регистрируются и используются для построения рельефа поверхности. Техника предъявляет повышенные требования к неподвижности образца, поэтому его размеры по высоте и площади ограничены: максимальная область сканирования обычно около 0,5-10 мкм. Зачастую работа проходит в сверхвысоком вакууме, который позволяет поверхности образца дольше оставаться неизменной.
Ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ, англ. SNOM — scanning near-field optical microscopy) – техника микроскопии, позволяющая получать растровые изображения поверхностей с разрешением ниже дифракционного предела классической оптической микроскопии, соотнести распределение света с топографией.

Лазер фокусирует свет на апертуре диаметром меньше, чем длина его волны. При этом на обратной стороне апертуры возникает ближнее (эванесцентное) поле. Сканирование образца обычно проводят на расстоянии меньше длины волны, при этом оптическое разрешение проходящего или отраженного света достигает 5-20 нм. При безапертурной технике сканирования свет фокусируется на иголке, поднесенной к анализируемой поверхности на расстояние меньше длины волны. При рассеивании света образуется ближнее поле, локализованное вблизи поверхности образца; такой метод позволяет достичь разрешения 1 нм. Детекторами сигнала служат лавинные фотодиоды, ФЭУ или ПЗС матрицы. Ближнепольная оптическая микроскопия используется в нанофотонике, лазерной технике, оптических микроустройствах и материаловедении.

Aperture scanning near-field optical microscopy (SNOM) Light transmission through non-resonant subwavelength aperture	Aperture less (scattering) scanning near-field optical microscopy (s-SNOM); nano-IR Infrared (& Vis) light scattering non-resonant antenna

Современный зондовый микроскоп позволяет осуществлять несколько методик наблюдения, его комплектация может быть дополнена оптическим микроскопом, климатической камерой и т.д. Выбрать метод наблюдения и обсудить конфигурацию прибора под ваши задачи, вы сможете с нашими специалистами.