Что такое сканирующие зондовые микроскопы?

Принцип действия

Изменение сил отталкивания или притяжения, которые возникают при приближении зонда к изучаемой поверхности на атомарное расстояние, лежит в основе работы сканирующего микроскопа. Для того, чтобы регистрировать сигнал взаимодействия, существуют специальные датчики, в виде свободной балки, имеющей острый зонд на кончике. Взаимное влияние между зондом и исследуемой поверхностью приводит к тому, что балка изгибается. Замеряя величину изгиба, осуществляют контроль за силой взаимодействия зонда с поверхностью.

Сила взаимодействия, между зондом и поверхностью, разлагается (в общем случае) на две составляющие:

• вертикальную (ось Y);
• горизонтальную (ось X).

На самом деле такое взаимодействие, конечно, имеет характер значительно сложнее, но общие закономерности этого процесса неизменны. На маленьких расстояниях, между зондом и поверхностью, они отталкиваются, а на больших наоборот, притягиваются.

Из кремниевых пластин, методом фотолитографии и травления изготавливаются зондовые датчики. Испытывающие изгибающие нагрузки, балки называются кантилевер и формируются, в основном, из тонких слоёв легированного кремния. Одним концом кантилевер жёстко закреплён на основании из кремния, на другом конце располагается сам зонд, имеющий форму острой иглы. В зондах, используемых в современных микроскопах, радиус закругленного кончика составляет 1-50 нм, в зависимости от типа и технологии изготовления зонда. Угол при его вершине 10-20 градусов. Коэффициент жёсткости кантилевера до 10Н/м.

Ныне, в современных зондовых микроскопах, используются зондовые датчики двух видов – с кантилевером, имеющим либо прямоугольную, либо треугольную сечения. Изредка они снабжены несколькими кантилеверами различной длины (а значит и жёсткости) на одном основании.

Сканирующие зондовые микроскопы позволяют:

• делать потрясающие открытия в генетике и медицине;
• создавать новые материалы с передовыми свойствами;
• создавать микророботы;
• создавать миниатюрные суперкомпьютеры.

Проблемы использования

Основной проблемой использования сканирующих микроскопов является необходимость прецезионного перемещения зонда по отношению исследуемой поверхности. Для этого используются:

• механические рычажные редукторы, обеспечивающие тонкое движение объектов;
• шаговые электро или пьезодвигатели;
• активные и пассивные виброизолирующие системы;
• колпаки для защиты от акустических шумов;
• термокомпенсирующие элементы для предотвращения термодрейфа.

Ознакомиться с характеристиками таких изделий можно на сайтах, реализующих электрохимические устройства и нано-микроскопы.