Дәріс №12. Сканирлеуші зонтты микроскоп.

Сканирлеуші зонтты микроскоптың жұмыс істеу принципі (СЗМ). Туннельдік және күштік сенсор. Сканирлеуші туннельдік микроскопия. Құрылғы және оның жұмыс істеу принциптері. Сканирлеу тәртібі. Атомды-күштік микроскопия. Атомды-күштік сенсордың жұмыс істеу принципі. АКМ зондының құрылғысы. АКМ зонды мен қатты дене бетінің өзара әсерлесуі, Вандер – Вальс күші. Контилевердің ауытқуын тіркеу әдісі.

Сканирлеуші зонтты микроскоптың жұмыс істеу принципі келесіге негізделген. Позиционарды жүйенің көмегімен өлшенілетін зонды зерттелуші үлгінің жоғарғы бетіне келтіріледі. Үлгі мен зондтың арақашықтығы жүзшақты нм-ден жақындағанда соңғысы талдаудан өтетін беттің құрылымымен әрекеттесе бастайды. Үлгі беті бойымен зондтың орын ауыстыруы беттің сканирленуін зонд инелерімен қамтамассыз ететін сканирлеуші құрылғы көмегімен жүзеге асады. Зондтың орналасу датчигі, зондтың үлгімен салыстырғандағы позициясын үзіліссіз бақылайды және қайтымды байланыс жүйесі арқылы ондағы мәндерді сканер қозғалысын басқаратын компьютерлік жүйеге жібереді. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күшін тіркеу үшін әдетте, зонд ұшынан шағылған жартылай өткізгіш лазері шоғының ауытқуына негізделген әдісті қолданады. Компьютерлік жүйе сканерді басқарудан басқа бетті зерттеу нәтижелерін көрсету мен талдау, зондтан алынған мәндерді сұрыптау қызметін атқарады.

СЗМ-тың бірінші протатипі сканирлеуші туннельдік микроскоп болды. СТМ-да зонд ретінде серпімді консолиге орнатылған өткір өткізгіш іне қолданылады. Үлгі немесе иненің арасына тығысу кернеуі орналастырса, онда өткір иненің үлгіге 1нм қашықтығында жақындауы кезінде, олардың арасында шамасы «ине-үлгі» қашықтығынан, ал бағыты – кернеу полярлығынан тәуелді туннельдік ток пайда болады. Ине үшкірін зерттелетін беттен алыстатқанда туннельдік тоқ - азаяды, ал жақындатқанда - артады. Осылайша, беттің қандай да көп нүктелерінде туннельдік ток жөнінде мәліметтерді қолдана отырып, бет топографиясының бейнесін құруға болады. Туннельдік тоқты немесе бет пен ине аралығындағы қашықтықты, өлшенетін параметрге тәуелді, сканирлеуші туннельдік микроскоптың екі жұмыс істеу тәртібі мүмкін, олар: жоғары тұрақты және тұрақты тоқ тәртібі. Жоғары сезгіштікке ие сканирлеуші тунне-льдік микроскоптар адамзатқа жартылай өткізгіштер мен өткізгіш-тердің атомдарын көруге мүмкіндік берді. Бірақ конструктивті шектеу күшіне байланысты, СТМ-де өткізбейтін материалдардың бейнесін алу мүмкін емес. Сонымен қатар, туннельдік микроскопты сапалы жұмысы үшін қатаң шарттарды орындау қажет, оның ішінде үлгіні арнайы дайындау мен вакуумда жұмыс істеу.

Жаңа атомды-күштік микроскоп (АКМ) өзінің алдынғысына қарағанда шектеулерді айналып өтті. АКМ көмегімен атмосфералық шарттарда өткізгіш және де өткізгіш емес материалдар бетінің атомды ажырату беттік бейнесін алуға мүмкіндік берді. Атомды-күштік микроскоптың қосымша артықшылығына. беттің топографиялық өлшемдерімен қатар, оларды электрлік, магниттік, серпімді және т.б. қасиеттері бойынша визуалдауға мүмкіндік береді. Атомды-күштік микроскоп жұмысы негізінде зонд пен беттің өзара әсерлесудің әр түрлі күштік түрлерін қолдану жатыр. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күші қысқа әсерлі және ұзақ әсерлі болып бөлінеді. Қысқа әсерлі күштер 1-10 А ретті қашықтықтықта ине ұшы мен беттің атомда-рының электрондық қабыршағын жапқанда пайда болады және қашықтық үлкейген сайын тез төмендейді. Беттің атомдарымен қысқа әсерлесуге ине ұшының (шегінде бір) бірнеше атомдары ғана қатысады. Бұл күштер түрі көмегімен бет бейнесін алуда АКМ контакт тәртібінде жұмыс істейді.

Ұзақ әсерлі күштердің пайда болуы ван-дер-ваальстік, электростатикалық немесе магниттік өзара әсерлесуге негізделген. Мұндай күштер қашықтықтан өте аз тәуелділікпен сипатталады және үлгі бірліктен бірнеше мың ангстремге дейін ине тесігінің шамасында көрінеді. Сәйкесінше, ұзақ әсерлесудің оның салыстырмалы төмендеу күшіне өзара әсері қашықтық үлкейген сайын зондтың ине ұшын тудыратын мәнді атомдар санын кірістіреді. Ұзақ әсерлі күштерді бетті зерттеуде қолдану контаксыз тәртіпте өтеді.

Контактты және контактсыздық арасындағы аралық орын сканирлеу процесіндегі иненің бетпен периодтты қысқа мерзімді кон-такт тәртібін, басқаша «соқтығысып тұру» (tapping mode) деп атала-тын режимін алады. Бұл тәртіпте консоль резонансты өздік жиілігінде жоғары 50-100 нм ретті амплитудада тербеледі. Консолидің тепе-теңдік күйден төмен максимал ауытқуында осындай амплитудаларда ине бетпен жақындасқанда оның тербелісінің амплитудасын, фазасын және жиілігін өзгертеді. “Соқтығысу” тәртібі контакті тәртіпке қара-ғанда горизонтты жазықтықта жоғары ажыратумен сипатталады.

АКМ топографиялық бейнені алуға, беттердің бүдірін өлшеуге, атомды ажыратуы бар әр түрлі органикалық және биологиялық объектілерді зерттеуге қолданылатын қуатты метрологикалық құрал.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дата добавления: 2015-07-08