Prezantimi

Aktualisht, fusha shkencore dhe teknike po zhvillohet me shpejtësi - nanoteknologjia, duke mbuluar një gamë të gjerë kërkimesh themelore dhe të aplikuara. Kjo është një teknologji thelbësisht e re e aftë për të zgjidhur probleme në fusha të tilla të ndryshme si komunikimi, bioteknologjia, mikroelektronika dhe energjia. Sot, më shumë se njëqind kompani të reja po zhvillojnë produkte nanoteknologjike që do të hyjnë në treg në dy deri në tre vitet e ardhshme.

Nanoteknologjia do të bëhet teknologjitë kryesore në shekullin e 21-të dhe do të kontribuojë në zhvillimin e ekonomisë dhe sferës sociale të shoqërisë, ato mund të bëhen parakusht për një revolucion të ri industrial. Në dyqind vitet e mëparshme, përparimi në Revolucionin Industrial është arritur me koston e rreth 80% të burimeve të Tokës. Nanoteknologjitë do të ulin ndjeshëm konsumin e burimeve dhe nuk do të ushtrojnë presion mbi mjedisin, ato do të luajnë një rol udhëheqës në jetën e njerëzimit, siç, për shembull, një kompjuter është bërë pjesë integrale e jetës njerëzore.

Progresi në nanoteknologji u stimulua nga zhvillimi i metodave eksperimentale të kërkimit, më informuese prej të cilave janë metodat e mikroskopisë së sondës skanuese, shpikjen dhe veçanërisht përhapjen e të cilave bota ua detyrohet laureatëve Nobel të vitit 1986 - Profesor Heinrich Rohrer dhe Dr. Gerd Binnig. .

Bota u mahnit nga zbulimi i metodave kaq të thjeshta të vizualizimit të atomeve, madje edhe me mundësinë e manipulimit të tyre. Shumë grupe kërkimore filluan të dizajnojnë pajisje shtëpiake dhe të eksperimentojnë në këtë drejtim. Si rezultat, lindën një sërë skemash të përshtatshme instrumentesh, u propozuan metoda të ndryshme të vizualizimit të rezultateve të ndërveprimit sondë-sipërfaqe, si: mikroskopi i forcave anësore, mikroskopi i forcës magnetike, mikroskopi i regjistrimit të magneteve, elektrostatike dhe elektromagnetike. ndërveprimet. Janë zhvilluar intensivisht metodat e mikroskopisë optike të fushës së afërt. Janë zhvilluar metoda të veprimit të drejtuar, të kontrolluar në sistemin e sondës-sipërfaqe, për shembull, nanolithografia - ndryshimet ndodhin në sipërfaqe nën ndikimin e ndikimeve elektrike, magnetike, deformimeve plastike, dritës në sistemin e sondës-sipërfaqe. U krijuan teknologji për prodhimin e sondave me parametra gjeometrikë të specifikuar, me veshje dhe struktura speciale për vizualizimin e vetive të ndryshme të sipërfaqes.

Mikroskopi me sondë skanuese (SPM) është një nga metodat moderne më të fuqishme për studimin e morfologjisë dhe vetive lokale të një sipërfaqeje të ngurtë me rezolucion të lartë hapësinor. Gjatë 10 viteve të fundit, mikroskopia e sondës skanuese ka evoluar nga një teknikë ekzotike e disponueshme vetëm për një numër të kufizuar grupesh kërkimore në një mjet të përhapur dhe të suksesshëm për studimin e vetive të sipërfaqes. Aktualisht, praktikisht asnjë kërkim në fushën e fizikës së sipërfaqes dhe teknologjive të shtresës së hollë nuk është i plotë pa përdorimin e metodave SPM. Zhvillimi i mikroskopisë së sondës skanuese shërbeu gjithashtu si bazë për zhvillimin e metodave të reja në nanoteknologji - teknologjinë e krijimit të strukturave në shkallë nanometrike.

1. Sfondi historik

Për të vëzhguar objekte të vogla, holandezi Anthony van Leeuwenhoek shpiku mikroskopin në shekullin e 17-të, duke zbuluar botën e mikrobeve. Mikroskopët e tij ishin të papërsosur dhe tregonin zmadhime që varionin nga 150 deri në 300 herë. Por ndjekësit e tij e përmirësuan këtë pajisje optike, duke hedhur themelet për shumë zbulime në biologji, gjeologji, fizikë. Sidoqoftë, në fund të shekullit të 19-të (1872), optika gjermane Ernst Karl Abbe tregoi se, për shkak të difraksionit të dritës, rezolucioni i mikroskopit (d.m.th., distanca minimale midis objekteve kur ato ende nuk janë shkrirë në një imazh) kufizohet nga gjatësia e valës së dritës (0,4 - 0,8 μm). Kështu, ai kurseu shumë përpjekjet e optikëve që përpiqeshin të bënin mikroskopë më të avancuar, por zhgënjeu biologët dhe gjeologët, të cilët kishin humbur shpresën për të marrë një instrument me një zmadhim mbi 1500x.

Historia e krijimit të mikroskopit elektronik është një shembull i mrekullueshëm sesi fushat e shkencës dhe teknologjisë në zhvillim të pavarur, duke shkëmbyer informacionin e marrë dhe duke kombinuar përpjekjet, mund të krijojnë një mjet të ri të fuqishëm për kërkimin shkencor. Kulmi i fizikës klasike ishte teoria e fushës elektromagnetike, e cila shpjegoi përhapjen e dritës, shfaqjen e fushave elektrike dhe magnetike, lëvizjen e grimcave të ngarkuara në këto fusha si përhapja e valëve elektromagnetike. Optika valore e bëri të qartë fenomenin e difraksionit, mekanizmin e imazhit dhe lojën e faktorëve që përcaktojnë rezolucionin në një mikroskop drite. Sukseset tona në fushën e fizikës teorike dhe eksperimentale ia detyrojmë zbulimit të elektronit me vetitë e tij specifike. Këto rrugë të veçanta dhe në dukje të pavarura të zhvillimit çuan në krijimin e themeleve të optikës elektronike, një nga aplikimet më të rëndësishme të së cilës ishte shpikja e EM në vitet 1930. Një aludim i drejtpërdrejtë për një mundësi të tillë mund të konsiderohet hipoteza e natyrës valore të elektronit, e paraqitur në 1924 nga Louis de Broglie dhe e konfirmuar eksperimentalisht në 1927 nga K. Davisson dhe L. Jermer në SHBA dhe J. Thomson në Angli. . Kështu, u sugjerua një analogji që bëri të mundur ndërtimin e një EM sipas ligjeve të optikës valore. H. Bush zbuloi se fushat elektrike dhe magnetike mund të përdoren për të formuar imazhe elektronike. Në dy dekadat e para të shekullit të 20-të. u krijuan edhe parakushtet e nevojshme teknike. Laboratorët industrialë që punonin në një oshiloskop me rreze katodë dhanë teknologji vakum, burime të qëndrueshme të tensionit dhe rrymës së lartë, emetues të mirë elektronesh.

Në vitin 1931 R. Rudenberg paraqiti një kërkesë për patentë për një mikroskop elektronik transmetues dhe në vitin 1932 M. Knoll dhe E. Ruska ndërtuan mikroskopin e parë të tillë, duke përdorur lente magnetike për të fokusuar elektronet. Ky instrument ishte pararendësi i mikroskopit elektronik modern të transmetimit optik (OPEM). (Ruska u shpërblye për punën e tij duke u bërë fitues i çmimit Nobel në fizikë për vitin 1986.) Në 1938 Ruska dhe B. von Borris ndërtuan një prototip të një OPEM industrial për Siemens-Halske në Gjermani; kjo pajisje përfundimisht lejoi të arrihet një rezolucion prej 100 nm. Disa vite më vonë, A. Prebus dhe J. Hiller ndërtuan OPEM-in e parë me rezolucion të lartë në Universitetin e Torontos (Kanada).

Mundësitë e gjera të OPEM u bënë të dukshme pothuajse menjëherë. Prodhimi i tij industrial filloi njëkohësisht nga Siemens-Halske në Gjermani dhe RCA në SHBA. Në fund të viteve 1940, kompani të tjera filluan të prodhojnë pajisje të tilla.

SEM në formën e tij aktuale u shpik në 1952 nga Charles Otley. Vërtetë, versionet paraprake të një pajisjeje të tillë u ndërtuan nga Knoll në Gjermani në vitet 1930 dhe Zworykin me punonjës në korporatën RCA në vitet 1940, por vetëm pajisja e Otley ishte në gjendje të shërbente si bazë për një numër përmirësimesh teknike që kulmuan në prezantimi i një versioni industrial të SEM në prodhim në mesin e viteve 1960. Rrethi i konsumatorëve të një pajisjeje kaq të lehtë për t'u përdorur me një imazh tredimensional dhe një sinjal elektronik dalës është zgjeruar me shpejtësinë e një shpërthimi. Aktualisht, ka një duzinë prodhues industrialë të SEM në tre kontinente dhe dhjetëra mijëra pajisje të tilla të përdorura në laboratorë në mbarë botën. Në vitet 1960, mikroskopët me tension ultra të lartë u zhvilluan për studimin e mostrave më të trasha. në këtë drejtim ishte G. Dupuy në Francë, ku një pajisje me një tension përshpejtues prej 3.5 milion volt u vu në punë në vitin 1970. RTM u shpik nga G. Binnig dhe G. Rohrer në vitin 1979 në Cyrih. Ky instrument, shumë i thjeshtë në dizajni, siguron zgjidhje atomike të sipërfaqeve.për krijimin e RTM Binnig dhe Rohrer (njëkohësisht me Ruska) morën çmimin Nobel.

Në vitin 1986, Rohrer dhe Binnig shpikën mikroskopin e sondës skanuese. Që nga shpikja e tij, STM është përdorur gjerësisht nga shkencëtarë të specialiteteve të ndryshme, duke mbuluar pothuajse të gjitha disiplinat e shkencave natyrore, nga kërkimi themelor në fizikë, kimi, biologji dhe aplikime të veçanta teknologjike. Parimi i STM është aq i thjeshtë dhe potencialet e tij janë aq të mëdha sa është e pamundur të parashikohet ndikimi i tij në shkencë dhe teknologji, edhe në të ardhmen e afërt.

Siç doli më vonë, praktikisht çdo ndërveprim i sondës së majës me sipërfaqen (mekanike, magnetike) mund të shndërrohet me ndihmën e instrumenteve të duhura dhe programeve kompjuterike në një imazh të sipërfaqes.

Instalimi i një mikroskopi sondë skanimi përbëhet nga disa blloqe funksionale të paraqitura në Fig. 1. Ky është, së pari, vetë mikroskopi me një piezomanipulator për kontrollin e sondës, një konvertues tuneli nga rryma në tension dhe një motor hapës për furnizimin e kampionit; bllok i konvertuesve analog në dixhital dhe dixhital në analog dhe amplifikatorëve të tensionit të lartë; njësia e kontrollit të motorit stepper; një tabelë me një procesor sinjali që llogarit sinjalin e reagimit; një kompjuter që mbledh informacion dhe ofron një ndërfaqe me përdoruesin. Strukturisht, blloku i DAC-ve dhe ADC-ve është instaluar në të njëjtin strehë me një njësi kontrolli të motorit stepper. Një tabelë ADSP 2171 me një DSP (Procesor Dixhital i Sinjalit) nga Pajisjet Analoge është instaluar në folenë e zgjerimit të ISA të një kompjuteri personal.

Një pamje e përgjithshme e sistemit mekanik të mikroskopit është paraqitur në Fig. 2. Sistemi mekanik përfshin një bazë me një piezomanipulator dhe një sistem të ushqyerjes së mostrës së lëmuar në një motor stepper me një kuti ingranazhi dhe dy koka matëse të lëvizshme për funksionimin në mënyrat e skanimit të tunelit dhe mikroskopisë së forcës atomike. Mikroskopi siguron rezolucion të qëndrueshëm atomik në sipërfaqet tradicionale të provës pa nevojën për filtra shtesë sizmikë dhe akustikë.

2. Parimet e mikroskopëve të sondës skanuese

Në mikroskopët e sondës skanuese, studimi i mikrorelievit të sipërfaqes dhe vetive të tij lokale kryhet duke përdorur sonda të përgatitura posaçërisht në formën e gjilpërave. Pjesa e punës e sondave të tilla (maja) është rreth dhjetë nanometra në madhësi. Distanca karakteristike ndërmjet sondës dhe sipërfaqes së mostrave në mikroskopët e sondës sipas madhësisë është 0,1 - 10 nm. Funksionimi i mikroskopëve të sondës bazohet në lloje të ndryshme të ndërveprimit sondë-sipërfaqe. Kështu, funksionimi i një mikroskopi tunelues bazohet në fenomenin e rrjedhjes së rrymës tunele midis një gjilpëre metalike dhe një kampioni përçues; lloje të ndryshme të ndërveprimit të forcës nënvizojnë funksionimin e mikroskopëve të forcës atomike, magnetike dhe forcës elektrike. Le të shqyrtojmë tiparet e përbashkëta të natyrshme në mikroskopët e ndryshëm të sondës. Le të karakterizohet ndërveprimi i sondës me sipërfaqen nga një parametër P. Nëse ekziston një varësi mjaft e mprehtë dhe një për një e parametrit P nga distanca sondë-kampion, atëherë ky parametër mund të përdoret për të organizuar një reagim sistemi (OS) që kontrollon distancën midis sondës dhe kampionit. Në fig. 3 tregon në mënyrë skematike parimin e përgjithshëm të organizimit të reagimit të SPM.

Sistemi i feedback-ut ruan vlerën e parametrit P konstante, të barabartë me vlerën e vendosur nga operatori. Nëse distanca sondë-sipërfaqja ndryshon, atëherë ndryshon parametri P. Në sistemin OS, formohet një sinjal diferenci, proporcional me vlerën ΔР = Р - Р, i cili përforcohet me vlerën e kërkuar dhe futet në elementin aktivizues të dmth. Aktuatori përpunon këtë sinjal diferenci duke e afruar sondën më afër sipërfaqes ose duke e larguar atë derisa sinjali i ndryshimit të bëhet i barabartë me zero. në këtë mënyrë, distanca sondë-kampion mund të mbahet me saktësi të madhe. Kur sonda lëviz përgjatë sipërfaqes së mostrës, parametri i ndërveprimit P ndryshon për shkak të relievit të sipërfaqes. Sistemi OS i përpunon këto ndryshime, kështu që kur sonda lëviz në rrafshin X, Y, sinjali në aktivizues është proporcional me relievin e sipërfaqes. Për të marrë një imazh SPM, kryhet një proces i organizuar posaçërisht i skanimit të një kampioni. Gjatë skanimit, sonda së pari lëviz mbi mostrën përgjatë një linje të caktuar (skanimi i linjës), ndërsa vlera e sinjalit në aktuator, proporcionale me relievin e sipërfaqes, regjistrohet në kujtesën e kompjuterit. Pastaj sonda kthehet në pikën fillestare dhe shkon në linjën tjetër të skanimit (skanimi vertikal) dhe procesi përsëritet përsëri. Sinjali i reagimit i regjistruar në këtë mënyrë gjatë skanimit përpunohet nga një kompjuter dhe më pas imazhi SPM i relievit të sipërfaqes ndërtohet duke përdorur grafikë kompjuterike. Së bashku me studimin e relievit të sipërfaqes, mikroskopët e sondës lejojnë studimin e vetive të ndryshme të sipërfaqes: mekanike, elektrike, magnetike, optike dhe të tjera.

3. Elementet skanuese (skanerët) e mikroskopëve të sondës

3.1 Elementet e skanimit

Që mikroskopët e sondës të funksionojnë, është e nevojshme të kontrollohet distanca e punës e sondës me kampionin dhe të zhvendoset sonda në rrafshin e kampionit me saktësi të lartë (në nivelin e një fraksioni të angstromit). Kjo detyrë zgjidhet me ndihmën e manipuluesve specialë - elementë skanues (skanerë). Elementet skanuese të mikroskopëve të sondës janë bërë nga piezoelektrikë - materiale me veti piezoelektrike. Piezoelektrikët ndryshojnë madhësinë e tyre në një fushë elektrike të jashtme. Ekuacioni i efektit piezoelektrik të anasjelltë për kristalet shkruhet si:

ku u është tensori i sforcimit, E janë përbërësit e fushës elektrike dhe d janë përbërësit e tensorit të koeficientëve piezoelektrikë. Forma e tensorit të koeficientëve piezoelektrikë përcaktohet nga lloji i simetrisë kristalore.

Në aplikime të ndryshme teknike, transduktorët e bërë nga materiale piezoqeramike përdoren gjerësisht. Piezoceramika është një material polikristalor i polarizuar i përftuar nga sinterizimi i pluhurave nga ferroelektrikët kristalorë. Polarizimi i qeramikës kryhet si më poshtë. Qeramika nxehet mbi temperaturën Curie (për shumicën e piezoceramikave, kjo temperaturë është më pak se 300C), dhe më pas ftohet ngadalë në një fushë elektrike të fortë (rreth 3 kV / cm). Pas ftohjes, piezoceramika ka shkaktuar polarizimin dhe fiton aftësinë për të ndryshuar madhësinë e saj (rritje ose ulje në varësi të drejtimit të ndërsjellë të vektorit të polarizimit dhe vektorit të fushës elektrike të jashtme).

Në mikroskopin e sondës skanuese, përdoren gjerësisht elementët piezoelektrikë tubularë (Fig. 4). Ato bëjnë të mundur marrjen e zhvendosjeve mjaft të mëdha të objekteve me tensione kontrolli relativisht të vogla. Elementet piezoelektrike me tuba janë cilindra të zbrazët me mure të hollë të bërë nga materiale piezoqeramike. Në mënyrë tipike, elektroda në formën e shtresave të holla të metalit aplikohen në sipërfaqet e jashtme dhe të brendshme të tubit, ndërsa skajet e tubit lihen të pambuluara.

Nën ndikimin e ndryshimit të potencialit midis elektrodave të brendshme dhe të jashtme, tubi ndryshon dimensionet e tij gjatësore. Në këtë rast, deformimi gjatësor nën veprimin e një fushe elektrike radiale mund të shkruhet si:

ku l është gjatësia e tubit në gjendje jo të deformueshme. Zgjatimi absolut i piezotubit është

ku h është trashësia e murit të piezotubit, V është diferenca potenciale midis elektrodave të brendshme dhe të jashtme. Kështu, në të njëjtin tension V, zgjatimi i tubit do të jetë sa më i madh, aq më i madh është gjatësia e tij dhe aq më e vogël trashësia e murit të tij.

Lidhja e tre tubave në një njësi bën të mundur organizimin e lëvizjeve të sakta të sondës së mikroskopit në tre drejtime pingul reciprokisht. Një element i tillë skanues quhet trekëmbësh.

Disavantazhet e një skaneri të tillë janë kompleksiteti i prodhimit dhe asimetria e fortë e dizajnit. Sot në mikroskopin e sondës skanuese, skanerët më të përdorur janë bërë në bazë të një elementi tubular. Pamja e përgjithshme e skanerit tubular dhe paraqitja e elektrodave janë paraqitur në Fig. 5. Materiali i tubit ka drejtim radial të vektorit të polarizimit.

Elektroda e brendshme është zakonisht e ngurtë. Elektroda e jashtme e skanerit është e ndarë përgjatë gjeneratorit të cilindrit në katër seksione. Kur tensionet antifazore aplikohen në seksione të kundërta të elektrodës së jashtme (në raport me atë të brendshme), seksioni i tubit tkurret në vendin ku drejtimi i fushës përkon me drejtimin e polarizimit dhe zgjatet aty ku drejtohen në drejtime të kundërta. Kjo bën që tubi të përkulet në drejtimin e duhur. Kështu, skanimi kryhet në rrafshin X, Y. Një ndryshim në potencialin e elektrodës së brendshme në raport me të gjitha seksionet e jashtme çon në një zgjatim ose tkurrje të tubit përgjatë boshtit Z. Kështu, është e mundur të organizohet një tre -Skaneri i koordinatave i bazuar në një piezotub. Elementet reale të skanimit janë shpesh më komplekse në dizajn, por parimet e funksionimit të tyre mbeten të njëjta.

Përdoren gjerësisht edhe skanerët e bazuar në piezoelemente bimorfe. Bimorfi përbëhet nga dy pllaka piezoelektrike të ngjitura së bashku në mënyrë të tillë që vektorët e polarizimit në secilën prej tyre të drejtohen në drejtime të kundërta (Fig. 6). Nëse aplikoni tension në elektrodat bimorfe, siç tregohet në Fig. 6, atëherë njëra prej pllakave do të zgjerohet, dhe tjetra do të tkurret, gjë që do të çojë në përkuljen e të gjithë elementit. Në modelet reale të elementeve bimorfë, krijohet një ndryshim potencial midis elektrodave të brendshme të zakonshme dhe të jashtme, në mënyrë që në një element fusha të përputhet me drejtimin e vektorit të polarizimit, dhe në tjetrin të drejtohet në të kundërt.

Përkulja e bimorfit nën ndikimin e fushave elektrike është baza për funksionimin e piezoskanerëve bimorfë. Duke kombinuar tre elementë bimorfikë në një ndërtim, është e mundur të zbatohet një trekëmbësh mbi elementët bimorfikë.

Nëse elektrodat e jashtme të elementit bimorf ndahen në katër sektorë, atëherë është e mundur të organizohet lëvizja e sondës përgjatë boshtit Z dhe në rrafshin X, Y në një element bimorf (Fig. 7).

Në të vërtetë, duke aplikuar tensione antifazore në çifte të kundërta të seksioneve të elektrodave të jashtme, është e mundur të përkulet bimorfi në mënyrë që sonda të lëvizë në rrafshin X, Y (Fig. 7 (a, b)). Dhe duke ndryshuar potencialin e elektrodës së brendshme në lidhje me të gjitha seksionet e elektrodave të jashtme, është e mundur të përkulet bimorfi duke lëvizur sondën në drejtimin Z (Fig. 7 (c, d)).

3.2 Jolineariteti i piezoceramikut

Pavarësisht nga një sërë avantazhesh teknologjike ndaj kristaleve, piezoqeramika ka disa disavantazhe që ndikojnë negativisht në funksionimin e elementeve të skanimit. Një nga këto disavantazhe është jolineariteti i vetive piezoelektrike. Në fig. 8 tregon, si shembull, varësinë e madhësisë së zhvendosjes së piezotubit në drejtimin Z nga madhësia e fushës së aplikuar. Në rastin e përgjithshëm (veçanërisht në fushat e kontrollit të lartë) piezoqeramika karakterizohet nga një varësi jolineare e deformimeve nga fusha (ose nga tensioni i kontrollit).

Kështu, deformimi i qeramikës piezoelektrike është një funksion kompleks i fushës elektrike të jashtme:

Për fushat e vogla të kontrollit, kjo varësi mund të përfaqësohet si më poshtë:

u = d * E + α * E * E + ...

ku d dhe α janë module lineare dhe kuadratike të efektit piezoelektrik.

Vlerat tipike të fushave E, në të cilat efektet jolineare fillojnë të shfaqen, janë të rendit 100 V / mm. Prandaj, për funksionimin e duhur të elementeve të skanimit, zakonisht përdoren fushat e kontrollit në rajonin e linearitetit qeramik (E< Е) .

mikroskop elektronik me sondë skanimi

3.3 Zvarritja e piezoqeramikave dhe histereza e piezoqeramikës

Një tjetër disavantazh i qeramikës piezoelektrike është i ashtuquajturi zvarritje (zvarritje) - një vonesë në përgjigjen ndaj një ndryshimi në madhësinë e fushës elektrike të kontrollit.

Zvarritja çon në faktin se në imazhet SPM vërehen shtrembërime gjeometrike të lidhura me këtë efekt. Zvarritja është veçanërisht e fortë kur skanerët çohen në një pikë të caktuar për matje lokale dhe në fazat fillestare të procesit të skanimit. Për të zvogëluar efektin e zvarritjes qeramike, përdoren vonesa kohore në proceset e treguara, të cilat bëjnë të mundur kompensimin pjesërisht të vonesës së skanerit.

Një tjetër disavantazh i qeramikës piezoelektrike është paqartësia e varësisë së zgjatjes nga drejtimi i ndryshimit të fushës elektrike (histereza).

Kjo çon në faktin se, me të njëjtat tensione kontrolli, qeramika piezoelektrike është në pika të ndryshme të trajektores, në varësi të drejtimit të lëvizjes. Për të përjashtuar shtrembërimet e imazheve SPM të shkaktuara nga histereza e qeramikës piezoelektrike, regjistrimi i informacionit gjatë skanimit të mostrave kryhet vetëm në një nga degët e varësisë.

4. Pajisjet për lëvizjen e saktë të sondës dhe kampionit

4.1 Kuti ingranazhesh mekanike

Një nga problemet e rëndësishme teknike në mikroskopinë e sondës skanuese është nevoja për lëvizje të saktë të sondës dhe kampionit në mënyrë që të formohet një boshllëk pune i mikroskopit dhe të përzgjidhet sipërfaqja që do të hetohet. Për të zgjidhur këtë problem përdoren lloje të ndryshme pajisjesh që lëvizin objektet me saktësi të lartë. Janë përhapur gjerësisht kuti ingranazhesh të ndryshme mekanike, në të cilat lëvizja e trashë e helikës origjinale korrespondon me lëvizjen e imët të objektit të zhvendosur. Mënyrat e zvogëlimit të zhvendosjeve mund të jenë të ndryshme. Përdoren gjerësisht pajisjet e levave, në të cilat zvogëlimi i sasisë së lëvizjes kryhet për shkak të ndryshimit në gjatësinë e krahëve të levave. Një diagram i një kuti ingranazhi me levë është paraqitur në Fig. nëntë.

Leva mekanike ju lejon të merrni një reduktim të udhëtimit me një faktor

Kështu, sa më i madh të jetë raporti i krahut L me krahun l, aq më saktë është e mundur të kontrollohet procesi i afrimit të sondës dhe kampionit.

Kutitë e shpejtësisë mekanike përdoren gjithashtu gjerësisht në projektimet e mikroskopëve, në të cilat zvogëlimi i zhvendosjeve arrihet për shkak të ndryshimit në koeficientët e ngurtësisë së dy elementëve elastikë të lidhur në seri (Fig. 10). Struktura përbëhet nga një bazë e ngurtë, një sustë dhe një rreze elastike. Ngurtësitë e sustës k dhe traut elastik K janë zgjedhur në atë mënyrë që të plotësohet kushti i mëposhtëm: k< K .

Koeficienti i reduktimit është i barabartë me raportin e koeficientëve të ngurtësisë së elementeve elastike:

Kështu, sa më i madh të jetë raporti i ngurtësisë së rrezes me ngurtësinë e sustës, aq më saktë mund të kontrolloni zhvendosjen e elementit të punës të mikroskopit.

4.2 Motorët stepper

Motorët stepper (SHED) janë pajisje elektromekanike që konvertojnë impulset elektrike në lëvizje mekanike diskrete. Një avantazh i rëndësishëm i motorëve stepper është se ata ofrojnë një varësi të qartë të pozicionit të rotorit nga pulset e rrymës hyrëse, në mënyrë që këndi i rrotullimit të rotorit të përcaktohet nga numri i pulseve të kontrollit. Në SHED, çift rrotullimi krijohet nga flukset magnetike të krijuara nga polet e statorit dhe rotorit, të cilat janë të orientuara në mënyrë të përshtatshme në lidhje me njëri-tjetrin.

Dizajni më i thjeshtë është për motorët me magnet të përhershëm. Ato përbëhen nga një stator, i cili ka mbështjellje, dhe një rotor, i cili përmban magnet të përhershëm. Në fig. 11 tregon një dizajn të thjeshtuar të një motori stepper.

Polet e alternuara të rotorit janë drejtvizore dhe paralele me boshtin e motorit. Motori i paraqitur në figurë ka 3 palë shtylla të rotorit dhe 2 palë shtylla të statorit. Motori ka 2 mbështjellje të pavarura, secila e plagosur në dy pole të kundërta të statorit. motori i treguar ka një madhësi hapi prej 30 gradë. Kur rryma ndizet në njërën nga mbështjelljet, rotori tenton të marrë një pozicion në të cilin polet e kundërta të rotorit dhe statorit janë përballë njëri-tjetrit. Për të kryer rrotullim të vazhdueshëm, duhet të ndizni mbështjelljet në mënyrë alternative.

Në praktikë, përdoren motorë stepper që kanë një dizajn më kompleks dhe ofrojnë nga 100 deri në 400 hapa për rrotullim të rotorit. Nëse një motor i tillë çiftohet me një lidhje me fileto, atëherë me një hap fileto prej rreth 0,1 mm, sigurohet një saktësi e pozicionimit të objektit prej rreth 0,25 - 1 μm. Për të rritur saktësinë, përdoren kuti ingranazhesh mekanike shtesë. Mundësia e kontrollit elektrik bën të mundur përdorimin efektiv të SED në sistemet e automatizuara për konvergjencën e sondës dhe mostrës së mikroskopëve të sondës skanuese.

4.3 Motorët piezo stepper

Kërkesat për izolim të mirë të instrumenteve nga dridhjet e jashtme dhe nevoja që mikroskopët e sondës të funksionojnë në kushte vakum imponojnë kufizime serioze në përdorimin e pajisjeve thjesht mekanike për lëvizjen e sondës dhe mostrës. Në këtë drejtim, pajisjet e bazuara në transduktorë piezoelektrikë, të cilët lejojnë kontrollin në distancë të lëvizjes së objekteve, përdoren gjerësisht në mikroskopët e sondës.

Një nga modelet e një motori piezo inercial me hapa është paraqitur në Fig. 12. Kjo pajisje përmban një bazë (1) mbi të cilën është fiksuar një tub piezoelektrik (2). Tubi ka elektroda (3) në sipërfaqet e jashtme dhe të brendshme. Në fund të tubit ka një sustë të ndarë (4), e cila është një cilindër me petale të veçanta elastike. Susta përmban një mbajtës objekti (5) - një cilindër mjaft masiv me një sipërfaqe të lëmuar. Objekti që do të zhvendoset mund të ngjitet në mbajtëse duke përdorur një susta ose një dado bashkimi, e cila lejon pajisjen të funksionojë në çdo orientim në hapësirë.

Pajisja funksionon si më poshtë. Për të lëvizur mbajtësin e objektit në drejtim të boshtit Z, një tension i pulsit të sharrës aplikohet në elektrodat e piezotubit (Fig. 13).

Në pjesën e përparme të sheshtë të tensionit të sharrës, tubi zgjatet ose tkurret pa probleme në varësi të polaritetit të tensionit, dhe fundi i tij, së bashku me sustën dhe mbajtësin e objektit, zhvendoset nga një distancë:

Në momentin që lirohet tensioni i dhëmbit të sharrës, tubi kthehet në pozicionin e tij origjinal me përshpejtimin a, i cili fillimisht ka një vlerë maksimale:

ku ω është frekuenca rezonante e dridhjeve gjatësore të tubit. Në kushte F< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5. Mbrojtja e mikroskopëve të sondës nga ndikimet e jashtme

5.1 Mbrojtja nga dridhjet

Lloje të ndryshme të sistemeve të izolimit të dridhjeve përdoren për të mbrojtur pajisjet nga dridhjet e jashtme. Ato mund të ndahen me kusht në pasive dhe aktive. Ideja bazë pas sistemeve pasive të amortizimit të dridhjeve është si më poshtë. Amplituda e dridhjeve të detyruara të një sistemi mekanik zvogëlohet me shpejtësi me një rritje të diferencës midis frekuencës së forcës ngacmuese dhe frekuencës natyrore të rezonancës së sistemit (një karakteristikë tipike amplitudë-frekuencë (AFC) e një sistemi oscilues tregohet në Fig. 14).

Prandaj, ndikimet e jashtme me frekuenca ω> ω praktikisht nuk kanë asnjë efekt të dukshëm në sistemin oscilator. Prandaj, nëse koka matëse e mikroskopit të sondës vendoset në një platformë izoluese vibruese ose në një pezullim elastik (Fig. 15), atëherë vetëm dridhjet e jashtme me frekuenca afër frekuencës së rezonancës së sistemit izolues të dridhjeve do të kalojnë në trupi i mikroskopit. Meqenëse frekuencat natyrore të kokave SPM janë 10 - 100 kHz, atëherë duke zgjedhur frekuencën e rezonancës së sistemit të izolimit të dridhjeve mjaft të ulët (rreth 5 - 10 Hz), është e mundur që në mënyrë shumë efektive të mbroni pajisjen nga dridhjet e jashtme. Për të zbutur dridhjet në frekuencat e rezonancës natyrore, elementët shpërndarës me fërkim viskoz futen në sistemet izoluese të dridhjeve.

Kështu, për të siguruar mbrojtje efektive, është e nevojshme që frekuenca rezonante e sistemit të izolimit të dridhjeve të jetë sa më e ulët. Megjithatë, në praktikë, është e vështirë të realizohen frekuenca shumë të ulëta.

Sistemet aktive për shtypjen e dridhjeve të jashtme përdoren me sukses për të mbrojtur kokat SPM. Pajisjet e tilla janë sisteme elektromekanike me reagim negativ, i cili siguron një pozicion të qëndrueshëm të platformës izoluese të vibrimit në hapësirë ​​(Fig. 16).

5.2 Mbrojtja nga zhurma akustike

Një burim tjetër i dridhjeve të elementeve strukturorë të mikroskopëve të sondës është zhurma akustike e natyrave të ndryshme.

Një tipar i zhurmës akustike është se valët akustike ndikojnë drejtpërdrejt në elementët strukturorë të kokave SPM, gjë që çon në lëkundje të sondës në lidhje me sipërfaqen e kampionit në studim. Për të mbrojtur SPM nga ndërhyrja akustike, përdoren kapele të ndryshme mbrojtëse, të cilat reduktojnë ndjeshëm nivelin e ndërhyrjes akustike në zonën e hendekut të punës së mikroskopit. Mbrojtja më efektive kundër ndërhyrjeve akustike është vendosja e kokës matëse të mikroskopit të sondës në një dhomë vakum (Fig. 17).

5.3 Stabilizimi i zhvendosjes termike të pozicionit të sondës mbi sipërfaqe

Një nga problemet e rëndësishme të SPM është problemi i stabilizimit të pozicionit të sondës mbi sipërfaqen e mostrës së provës. Burimi kryesor i paqëndrueshmërisë së pozicionit të sondës është një ndryshim në temperaturën e ambientit ose ngrohja e elementeve strukturorë të mikroskopit të sondës gjatë funksionimit të tij. Një ndryshim në temperaturën e një trupi të ngurtë çon në shfaqjen e deformimeve termoelastike. Deformime të tilla kanë një efekt shumë domethënës në funksionimin e mikroskopëve të sondës. Për të reduktuar zhvendosjen termike, përdoret termostatimi i kokave matëse SPM ose elementët termokompensues futen në dizajnin e kokave. Ideja prapa kompensimit termik është si më poshtë. Çdo dizajn SPM mund të përfaqësohet si një grup elementësh me koeficientë të ndryshëm të zgjerimit termik (Fig. 18 (a)).

Për të kompensuar zhvendosjen termike, elementët kompensues me koeficientë të ndryshëm të zgjerimit futen në projektimin e kokave matëse SPM, në mënyrë që të plotësohet kushti i barazisë me zero të shumës së zgjerimeve të temperaturës në krahë të ndryshëm të strukturës:

ΔL = ∑ ΔL = ΔT ∑αl0

Mënyra më e thjeshtë për të reduktuar zhvendosjen termike të pozicionit të sondës përgjatë boshtit Z është futja e elementëve kompensues të bërë nga i njëjti material dhe me të njëjtat dimensione karakteristike si elementët kryesorë strukturorë në strukturën SPM (Fig. 18 (b)). Duke ndryshuar temperaturën e këtij dizajni, zhvendosja e sondës në drejtimin Z do të jetë minimale. Për të stabilizuar pozicionin e sondës në rrafshin X, Y, kokat matëse të mikroskopëve bëhen në formën e strukturave simetrike boshtore.

6. Formimi dhe përpunimi i imazheve SPM

6.1 Procesi i skanimit

Procesi i skanimit të një sipërfaqeje në një mikroskop sondë skanimi është i ngjashëm me lëvizjen e një rrezeje elektronike nëpër një ekran në një tub me rreze katodë të një televizori. Sonda lëviz përgjatë vijës (vijës), fillimisht në drejtimin përpara, dhe më pas në drejtim të kundërt (skanimi i linjës), dhe më pas shkon në rreshtin tjetër (skanimi i kornizës) (Fig. 19). Lëvizja e sondës kryhet duke përdorur skanerin në hapa të vegjël nën veprimin e tensioneve të dhëmbëve sharrë të krijuara nga konvertuesit dixhital në analog. Regjistrimi i informacionit në lidhje me relievin sipërfaqësor kryhet, si rregull, në një kalim të drejtë.

Informacioni i marrë me një mikroskop sondë skanimi ruhet në formën e një kornize SPM - një grup dy-dimensional i numrave të plotë a (matricë). Kuptimi fizik i këtyre numrave përcaktohet nga vlera që është dixhitalizuar gjatë procesit të skanimit. Çdo vlerë e çiftit të indekseve ij korrespondon me një pikë specifike në sipërfaqe brenda fushës së skanimit. Koordinatat e pikave të sipërfaqes llogariten thjesht duke shumëzuar indeksin përkatës me distancën midis pikave në të cilat është regjistruar informacioni.

Si rregull, kornizat SPM janë matrica katrore me madhësi 2 (kryesisht elemente 256x256 dhe 512x512). Kornizat SPM vizualizohen me anë të grafikës kompjuterike, kryesisht në formën e imazheve tredimensionale (3D) dhe ndriçimit dydimensional (2D). Në paraqitjen 3D, një imazh i një sipërfaqeje ndërtohet në perspektivë aksonometrike duke përdorur pikselë ose vija. Përveç kësaj, përdoren metoda të ndryshme të nxjerrjes në pah të pikselëve që korrespondojnë me lartësi të ndryshme të relievit të sipërfaqes. Mënyra më efektive për të ngjyrosur imazhet 3D është të simuloni kushtet e ndriçimit të sipërfaqes me një burim pikësor të vendosur në një pikë të hapësirës mbi sipërfaqe (Fig. 20). Në të njëjtën kohë, është e mundur të theksohet pabarazia në shkallë të vogël të relievit. Shkallëzimi dhe rrotullimi i imazheve SPM 3D realizohet edhe me anë të përpunimit kompjuterik dhe grafikës. Në paraqitjen 2D, çdo pikë të sipërfaqes i caktohet një ngjyrë. Më të përdorurat janë paletat gradient, në të cilat një imazh është pikturuar me një ton të një ngjyre të caktuar në përputhje me lartësinë e një pike sipërfaqësore.

Matjet lokale SPM, si rregull, shoqërohen me regjistrimin e varësive të sasive të hetuara nga parametra të ndryshëm. Për shembull, këto janë varësia e rrymës elektrike përmes kontaktit të sipërfaqes së sondës nga tensioni i aplikuar, varësia e parametrave të ndryshëm të ndërveprimit të forcës së sondës dhe sipërfaqes nga distanca sondë-kampion, etj. Ky informacion ruhet në formën e vargjeve vektoriale ose në formën e matricave 2 x N. softueri i mikroskopëve parashikon një grup mjetesh standarde për paraqitjen e grafikëve të funksioneve.

6.2 Metodat për ndërtimin dhe përpunimin e imazheve

Kur studiohen vetitë e objekteve duke skanuar mikroskopin e sondës, rezultati kryesor i kërkimit shkencor është, si rregull, imazhet tredimensionale të sipërfaqes së këtyre objekteve. Përshtatshmëria e interpretimit të imazheve varet nga kualifikimet e specialistit. Në të njëjtën kohë, gjatë përpunimit dhe ndërtimit të imazheve, përdoren një sërë teknikash tradicionale, të cilat duhet të dihen gjatë analizimit të imazheve. Mikroskopi i sondës së skanimit u shfaq në kohën e zhvillimit intensiv të teknologjisë kompjuterike. Prandaj, gjatë regjistrimit të imazheve tre-dimensionale në të, u përdorën metodat e ruajtjes së informacionit dixhital të zhvilluara për kompjuterë. Kjo rezultoi në lehtësi të madhe në analizën dhe përpunimin e imazhit, por duhej të sakrifikonte cilësinë fotografike të natyrshme në mikroskopinë elektronike. Informacioni i marrë me një mikroskop sondë paraqitet në një kompjuter në formën e një matrice dydimensionale të numrave të plotë. Çdo numër në këtë matricë, në varësi të mënyrës së skanimit, mund të jetë vlera e rrymës së tunelit, ose vlera e devijimit, ose vlera e ndonjë funksioni më kompleks. Nëse i tregoni një personi këtë matricë, atëherë ai nuk do të jetë në gjendje të marrë ndonjë ide koherente për sipërfaqen në studim. Pra, problemi i parë është konvertimi i numrave në një formë të lexueshme. Kjo bëhet si më poshtë. Numrat në matricën origjinale shtrihen në një gamë të caktuar, ka vlera minimale dhe maksimale. Kësaj gamë numrash të plotë i caktohet një gamë ngjyrash. Kështu, çdo vlerë e matricës është hartuar në një pikë të një ngjyre të caktuar në një imazh drejtkëndor. Rreshti dhe kolona në të cilën ndodhet kjo vlerë bëhen koordinatat e pikës. Si rezultat, marrim një fotografi në të cilën, për shembull, lartësia e sipërfaqes riprodhohet me ngjyra - si në një hartë gjeografike. Por në hartë, zakonisht përdoren vetëm dhjetëra ngjyra, dhe në foton tonë ka qindra e mijëra prej tyre. Për lehtësinë e perceptimit, pikat afër lartësisë duhet të jepen me ngjyra të ngjashme. Mund të ndodhë, dhe zakonisht është gjithmonë, që diapazoni i vlerave origjinale të jetë më i madh se numri i ngjyrave të mundshme. Në këtë rast, ndodh një humbje e informacionit, dhe një rritje në numrin e ngjyrave nuk është një rrugëdalje, pasi aftësitë e syrit të njeriut janë të kufizuara. Kërkohet përpunim shtesë i informacionit dhe në varësi të detyrave, përpunimi duhet të jetë i ndryshëm. Dikush duhet të shohë të gjithë pamjen në tërësi, dhe dikush dëshiron të shohë detajet. Për këtë, përdoren metoda të ndryshme.

6.3 Zbritja e një pjerrësi konstante

Imazhet sipërfaqësore të marra me mikroskop sondë në përgjithësi kanë një pjerrësi të përbashkët. Kjo mund të jetë për shkak të disa arsyeve. Së pari, animi mund të shfaqet për shkak të pozicionimit të pasaktë të kampionit në lidhje me sondën; së dyti, mund të shoqërohet me zhvendosje të temperaturës, e cila çon në zhvendosjen e sondës në lidhje me kampionin; së treti, mund të shkaktohet nga jolineariteti i zhvendosjeve të piezoskanerit. Një sasi e madhe e hapësirës së përdorshme në kornizën SPM shpenzohet për shfaqjen e animit, në mënyrë që detajet e vogla të imazhit të bëhen të padukshme. Për të eliminuar këtë disavantazh, kryhet një zbritje konstante e pjerrësisë. Për këtë, në fazën e parë, përdoret metoda e katrorëve më të vegjël për të gjetur rrafshin e përafërt

Р (х, y), duke pasur devijime minimale nga relievi i sipërfaqes Z = f (x, y), atëherë ky plan zbritet nga imazhi SPM. Këshillohet që të kryhet zbritja në mënyra të ndryshme në varësi të natyrës së pjerrësisë.

Nëse pjerrësia në imazhin SPM është për shkak të pjerrësisë së kampionit në raport me kampionin e sondës, atëherë këshillohet që rrafshi të rrotullohet me një kënd që korrespondon me këndin midis normales në plan dhe boshtit Z; në këtë rast, koordinatat e sipërfaqes Z = f (x, y) transformohen në përputhje me shndërrimet e rrotullimit hapësinor. Sidoqoftë, me këtë transformim, është e mundur të merret një imazh i sipërfaqes në formën e një funksioni me shumë vlera Z = f (x, y). Nëse pjerrësia është për shkak të zhvendosjes termike, atëherë procedura për zbritjen e pjerrësisë reduktohet në zbritjen e koordinatave Z të planit nga koordinatat Z të imazhit SPM:

Rezultati është një grup me një gamë më të vogël vlerash dhe detajet e imta të imazhit do të pasqyrohen me më shumë ngjyra, duke u bërë më të dukshme.

6.4 Eliminimi i shtrembërimeve që lidhen me papërsosmërinë e skanerit

Karakteristikat e papërsosura të skanerit çojnë në faktin se imazhi SPM përmban një sërë shtrembërimesh specifike. Pjesërisht papërsosmëritë e skanerit, të tilla si udhëtimi i pabarabartë përpara dhe mbrapsht i skanerit (histereza), zvarritja dhe jolineariteti i qeramikës piezoelektrike kompensohen nga hardueri dhe zgjedhja e mënyrave optimale të skanimit. Megjithatë, pavarësisht kësaj, imazhet SPM përmbajnë shtrembërime që janë të vështira për t'u eliminuar në nivelin e harduerit. Në veçanti, meqenëse lëvizja e skanerit në rrafshin e kampionit ndikon në pozicionin e sondës mbi sipërfaqe, imazhet SPM janë një mbivendosje e relievit real dhe një sipërfaqe e rendit të dytë (dhe shpesh më të lartë).

Për të eliminuar këtë lloj shtrembërimi me metodën e katrorëve më të vegjël, gjendet një sipërfaqe e përafërt e rendit të dytë P ​​(x, y), e cila ka devijime minimale nga funksioni origjinal Z = f (x, y), dhe më pas kjo sipërfaqe zbritet. nga imazhi origjinal SPM:

Një lloj tjetër shtrembërimi lidhet me jolinearitetin dhe jo-ortogonalitetin e lëvizjeve të skanerit në rrafshin X, Y. Kjo çon në shtrembërim të përmasave gjeometrike në pjesë të ndryshme të imazhit të sipërfaqes SPM. Për të eliminuar shtrembërime të tilla, imazhet SPM korrigjohen duke përdorur një skedar të koeficientëve të korrigjimit, i cili krijohet kur skanoni strukturat e provës me një lehtësim të njohur me një skaner specifik.

6.5 Filtrimi i imazheve SPM

Zhurmat e pajisjeve (kryesisht zhurma e amplifikatorëve të hyrjes shumë të ndjeshme), paqëndrueshmëria e kontaktit sondë-kampion gjatë skanimit, zhurmat e jashtme akustike dhe dridhjet çojnë në faktin se imazhet SPM, së bashku me informacionin e dobishëm, kanë një komponent zhurme. Pjesërisht zhurma e imazheve SPM mund të hiqet nga softueri.

6.6 Filtrimi mesatar

Filtrimi mesatar jep rezultate të mira në heqjen e zhurmës së rastësishme me frekuencë të lartë në kornizat SPM. Kjo është një metodë jo-lineare e përpunimit të imazhit, thelbi i së cilës mund të shpjegohet si më poshtë. Përzgjidhet një dritare filtri funksionale, e përbërë nga pika nxn (për saktësi, marrim një dritare 3 x 3, domethënë që përmban 9 pika (Fig. 24)).

Në procesin e filtrimit, kjo dritare lëviz nëpër kornizë nga pika në pikë dhe kryhet procedura e mëposhtme. Vlerat e amplitudës së imazhit SPM në pikat e kësaj dritareje janë rregulluar në rend rritës, dhe vlera në qendër të rreshtit të renditur futet në pikën qendrore të dritares. Pastaj dritarja zhvendoset në pikën tjetër dhe procedura e renditjes përsëritet. Kështu, skajet dhe uljet e fuqishme të rastësishme gjatë klasifikimit të tillë përfundojnë gjithmonë në skajin e grupit që renditet dhe nuk do të përfshihen në imazhin përfundimtar (të filtruar). Me këtë përpunim, në skajet e kornizës mbeten zona të pafiltruara, të cilat hidhen në imazhin përfundimtar.

6.7 Metodat e rindërtimit të sipërfaqes nga imazhi i saj SPM

Një nga disavantazhet e natyrshme në të gjitha metodat e mikroskopisë së sondës skanuese është madhësia përfundimtare e pjesës së punës të sondave të përdorura. Kjo çon në një përkeqësim të konsiderueshëm të rezolucionit hapësinor të mikroskopëve dhe shtrembërime të konsiderueshme në imazhet SPM gjatë skanimit të sipërfaqeve me parregullsi lehtësimi të krahasueshme me dimensionet karakteristike të pjesës së punës të sondës.

Në fakt, imazhi i marrë në SPM është një "përbërje" e sondës dhe sipërfaqes së hetuar. Procesi i "konvolucionit" të formës së sondës me relievin sipërfaqësor është ilustruar në rastin njëdimensional në Fig. 25.

Ky problem mund të zgjidhet pjesërisht nga metodat e zhvilluara së fundmi për rindërtimin e imazheve SPM bazuar në përpunimin kompjuterik të të dhënave SPM duke marrë parasysh formën specifike të sondave. Metoda më efektive për rindërtimin e sipërfaqes është metoda e dekonvolucionit numerik, e cila përdor formën e sondës së përftuar eksperimentalisht nga strukturat e testimit të skanimit (me një reliev të njohur sipërfaqësor).

Duhet të theksohet se restaurimi i plotë i sipërfaqes së mostrës është i mundur vetëm nëse plotësohen dy kushte: sonda preku të gjitha pikat e sipërfaqes gjatë skanimit dhe në çdo moment sonda preku vetëm një pikë të sipërfaqes. Nëse sonda nuk mund të arrijë disa zona të sipërfaqes gjatë skanimit (për shembull, nëse kampioni ka zona të varura të relievit), atëherë ndodh vetëm një restaurim i pjesshëm i relievit. Për më tepër, sa më i madh të jetë numri i pikave në sipërfaqe të prekura nga sonda gjatë skanimit, aq më e besueshme mund të rindërtohet sipërfaqja.

Në praktikë, imazhi SPM dhe forma e përcaktuar eksperimentalisht e sondës janë grupe dydimensionale vlerash diskrete për të cilat derivati ​​është një vlerë e përcaktuar keq. Prandaj, në vend që të llogaritet në praktikë derivati ​​i funksioneve diskrete, për dekonvolucionin numerik të imazheve SPM, përdoret kushti i distancës minimale midis sondës dhe sipërfaqes gjatë skanimit me një lartësi mesatare konstante.

Në këtë rast, lartësia e relievit të sipërfaqes në një pikë të caktuar mund të merret si distanca minimale midis pikës së sondës dhe pikës përkatëse në sipërfaqe për një pozicion të caktuar të sondës në lidhje me sipërfaqen. Për sa i përket kuptimit fizik, kjo gjendje është ekuivalente me kushtin e barazisë së derivateve; megjithatë, ai lejon kërkimin e pikave të kontaktit midis sondës dhe sipërfaqes me një metodë më adekuate, e cila redukton ndjeshëm kohën për rindërtimin e relievi.

Për kalibrimin dhe përcaktimin e formës së pjesës së punës të sondave, përdoren struktura të posaçme testimi me parametra të njohur të lehtësimit të sipërfaqes. Llojet e strukturave më të zakonshme të testimit dhe imazhet e tyre karakteristike të marra duke përdorur një mikroskop të forcës atomike janë paraqitur në Fig. 26 dhe fig. 27.

Një rrjet kalibrimi me thumba të mprehta lejon përshkrimin e mirë të majës së sondës, ndërsa një rrjetë drejtkëndëshe ndihmon për të rivendosur formën e sipërfaqes anësore. Duke kombinuar rezultatet e skanimit të këtyre grilave, është e mundur që të rivendoset plotësisht forma e pjesës së punës të sondave.

7. SPM moderne

1) Mikroskopi i sondës skanuese SM-300

Projektuar për të studiuar tiparet morfologjike dhe strukturën e hapësirës së poreve. SM-300 (Fig. 28) është i pajisur me një mikroskop pozicionimi optik të integruar, i cili eliminon nevojën për të kërkuar pafundësisht një zonë me interes. Një mostër imazhi optik me ngjyra, me një zmadhim të lehtë, shfaqet në një monitor kompjuteri. Kryqëzimi në imazhin optik korrespondon me pozicionin e rrezes elektronike. Duke përdorur pikën e kryqëzimit, mund të kryeni pozicionim të shpejtë për të përcaktuar zonën e interesit për analizën raster.

Oriz. 28. Mikroskop elektronik SPM SM-300. Njësia e pozicionimit optik është e pajisur me një kompjuter të veçantë, i cili siguron pavarësinë e tij harduerike nga mikroskopi skanues.

MUNDËSITË SM - 300

Rezolucioni i garantuar prej 4 nm

Mikroskop unik i pozicionimit optik (opsionale)

Softuer intuitiv Windows®

Mikroskop skanues dhe imazhe plotësisht i kontrolluar nga kompjuteri

Dalje standarde televizive me përpunim dixhital të sinjalit

Kontroll kompjuterik i sistemit me vakum të ulët (opsion)

Të gjitha ekzaminimet kryhen në një pozicion të boshtit aplikativ (12 mm)

Mikroanalizë elementare me rreze X në mënyrat e vakumit të ulët dhe të lartë (opsionale)

Aftësi për të punuar në kushte normale të ndriçimit të dhomës

Hetimi i mostrave jopërçuese pa përgatitje paraprake

Rezolucioni 5,5 nm në modalitetin me vakum të ulët

· Kontrolli i softuerit të mënyrave të ndërrimit

Gama e vakumit të dhomës së zgjedhur 1,3 - 260 Pa

Shfaqja e imazhit në ekranin e një monitori kompjuteri

Transduktor Robinson me shpërndarje serike V-mbrapa

2) Mikroskop sondë skanimi me rezolucion të lartë Supra50VP me sistemin e mikroanalizës INCA Energy + Oxford.

Pajisja (Fig. 29) është menduar për kërkime në të gjitha fushat e shkencës së materialeve, në fushën e nano- dhe bioteknologjisë. Instrumenti trajton madhësi të mëdha të mostrave dhe gjithashtu mbështet funksionimin me presion të ndryshueshëm për testimin e mostrave jopërçuese pa përgatitje. Oriz. 29.SZM Supra50VP

OPSIONE:

Tensioni përshpejtues 100 V - 30 kV (katodë e emetimit në terren)

Maks. rritet deri në x 900000

Rezolucioni ultra i lartë - deri në 1 nm (në 20 kV)

Modaliteti i vakumit me presion të ndryshueshëm nga 2 në 133 Pa

Tensioni i përshpejtimit - nga 0.1 në 30 kV

Tavolinë e motorizuar me pesë shkallë lirie

Rezolucioni i detektorit EDX 129 eV në linjën Ka (Mn), shpejtësia e numërimit deri në 100,000 cps

3) LEO SUPRA 25 mikroskop i modernizuar me kolonë "GEMINI" dhe emetim në terren (Fig. 30).

- Projektuar për kërkime në fushën e nanoanalizës

- Mund të lidhë të dy sistemet EDX dhe WDX për mikroanalizë

- Rezolucioni 1.5 nm në 20 kV, 2 nm në 1 kV.

konkluzioni

Gjatë viteve të fundit, përdorimi i mikroskopisë së sondës ka bërë të mundur arritjen e rezultateve unike shkencore në fusha të ndryshme të fizikës, kimisë dhe biologjisë.

Nëse mikroskopët e parë të sondës skanuese ishin instrumente treguese për kërkime cilësore, atëherë mikroskopi modern i sondës skanuese është një pajisje që integron deri në 50 metoda të ndryshme kërkimi. Është në gjendje të kryejë zhvendosje të specifikuara në sistemin e sondës-kampion me një saktësi prej 0,1%, duke llogaritur faktorin e formës së sondës, duke bërë matje precize me dimensione mjaftueshëm të mëdha (deri në 200 mikronë në planin e skanimit dhe 15-20 mikronë në lartësi) dhe, në të njëjtën kohë, ofrojnë rezolucion nënmolekular.

Mikroskopët me sonda skanuese janë bërë një nga klasat më të kërkuara të instrumenteve për kërkime shkencore në tregun botëror. Modele të reja instrumentesh po zhvillohen vazhdimisht, të përshtatura për aplikime të ndryshme.

Zhvillimi dinamik i nanoteknologjisë kërkon gjithnjë e më shumë zgjerim të aftësive të teknologjisë kërkimore. Kompanitë e teknologjisë së lartë në mbarë botën po punojnë për krijimin e nanokomplekseve kërkimore dhe teknologjike që kombinojnë grupe të tëra metodash analitike, si: spektroskopia Raman, spektroskopia e luminescencës, spektroskopia me rreze X për analizën elementare, mikroskopi optik me rezolucion të lartë, mikroskopi elektronik , tufa jonike të fokusuara. Sistemet fitojnë aftësi të fuqishme intelektuale: aftësia për të njohur dhe klasifikuar imazhet, për të nxjerrë në pah kontrastet e kërkuara, janë të pajisura me aftësi për modelimin e rezultateve dhe fuqia llogaritëse sigurohet nga përdorimi i superkompjuterëve.

Teknologjia që po zhvillohet ka aftësi të fuqishme, por qëllimi përfundimtar i përdorimit të saj është të marrë rezultate shkencore. Zotërimi i aftësive të kësaj teknike është në vetvete një detyrë e një shkalle të lartë kompleksiteti, që kërkon trajnimin e specialistëve të kualifikuar të cilët mund t'i përdorin në mënyrë efektive këto pajisje dhe sisteme.

Bibliografi

1. Nevolin VK Bazat e teknologjisë së sondës së tunelit / VK Nevolin, - Moskë: Nauka, 1996, - 91 f.

2. Kulakov Yu. A. Mikroskopi elektronik / Yu. A. Kulakov, - M .: Dituria, 1981, - 64 f.

3. Volodin A.P. Mikroskopi skanues / A.P. Volodin, - Moskë: Nauka, 1998, - 114 f.

4. Mikroskopi i sondës skanuese të biopolimerëve / Redaktuar nga IV Yaminsky, - M .: Bota shkencore, 1997, - 86 f.

5. Mironov V. Bazat e mikroskopisë së sondës skanuese / V. Mironov, - M .: Tekhnosfera, 2004, - 143 f.

6. Rykov SA Mikroskopi i sondës skanuese të materialeve gjysmëpërçuese / SA Rykov, - SPB: Nauka, 2001, - 53 f.

7. Bykov V. A., Lazarev M. I. Mikroskopi i sondës skanuese për shkencën dhe industrinë / V. A. Bykov, M. I. Lazarev // Elektronikë: shkencë, teknologji, biznes, - 1997, - Nr. 5, - me. 7-14.

Për herë të parë ideja e marrjes së një imazhi me rezolucion ultra të lartë të sipërfaqes së një kampioni duke përdorur një sondë të mprehtë u parashtrua në 1966 dhe u zbatua në 1972 nga Russell Young, i cili ishte i angazhuar në fizikën e sipërfaqes. Konfigurimi i Young është paraqitur në figurë. Mostra përcjellëse e hetuar është e fiksuar në një mekanizëm afrimi të trashë të bazuar në një mikrovidë diferenciale. Mostra aplikohet në një gjilpërë të mprehtë tungsteni të bashkangjitur në një skaner me precizion piezo XYZ. Një diferencë potenciale e aplikuar midis majës së sondës dhe kampionit shkakton emetim elektron, i cili regjistrohet nga instrumenti. Mekanizmi i reagimit mban një rrymë konstante emetimi duke ndryshuar pozicionin e sondës përgjatë koordinatës Z (d.m.th. distancën midis sondës dhe sipërfaqes). Regjistrimi i sinjalit të reagimit në një regjistrues ose oshiloskop ju lejon të rivendosni relievin e sipërfaqes.

Megjithëse rezolucioni hapësinor i pajisjes Yang në rrafshin e kampionit nuk e kalonte rezolucionin e një mikroskopi optik konvencional, instalimi zotëronte të gjitha tiparet karakteristike të një SPM dhe bëri të mundur dallimin e shtresave atomike në mostër.

Disa vjet më vonë, në fund të viteve 70, fizikanët Gerd Binnig dhe Heinrich Rohrer nga Laboratori Kërkimor IBM në Cyrih filluan të zhvillonin një strukturë që më vonë do të bëhej mikroskopi i parë i tunelit me skanim. Duke pasur përvojë të gjerë në mikroskopinë elektronike dhe duke studiuar efektin e tunelit, ata dolën me idenë e krijimit të një organizimi të ngjashëm me Topografiner të Young.

Por në vend të rrymës së emetimit, ata përdorën rrymën e efektit të tunelit, e cila bëri të mundur rritjen e rezolucionit të pajisjes me urdhër të madhësisë. Janë marrë shumë imazhe me rezolucion atomik, përmirësimi i mëtejshëm i pajisjes çoi në krijimin e shumë llojeve të tjera SPM. Në vitin 1986, Binnig dhe Rohrer morën çmimin Nobel në Fizikë për krijimin e një mikroskopi tunelimi skanues. Historia e krijimit të etiketës së parë private mund të gjendet në fjalimin Nobel të Binnig
Me përmirësimin e mëtejshëm të instalimeve, studiuesit mësuan jo vetëm të masin topografinë e sipërfaqes, por edhe të manipulojnë atomet individuale! Rëndësia e kësaj ngjarje është e krahasueshme me lëshimin e satelitit të parë artificial në orbitën e Tokës dhe, ndoshta, ky është hapi i parë drejt krijimit të teknologjive më të rëndësishme të së ardhmes.

Përdorimi i efektit të tunelit në STM bën të mundur jo vetëm marrjen e një rezolucion tepër të lartë, por gjithashtu imponon një sërë kufizimesh të rëndësishme në kampionin në studim: ai duhet të jetë përçues dhe është e dëshirueshme të kryhen matje në një vakum të lartë. . Kjo ngushton shumë gamën e zbatueshmërisë së STM. Prandaj, studiuesit i përqendruan përpjekjet e tyre në krijimin e llojeve të reja të SPM, pa këto kufizime. Në vitin 1986, u botua një artikull nga Binnig, Quat dhe Gerber, i cili përshkruan një lloj të ri mikroskopi - Mikroskopi i Forcave Atomike (AFM). Ky lloj mikroskopi përdor një sondë të veçantë - një konsol - një gjilpërë të mprehtë silikoni të fiksuar në fundin e një rreze sustë. Kur kjo gjilpërë i afrohet sipërfaqes së kampionit në një distancë prej rreth dhjetëra nanometra (nëse sipërfaqja e mostrës është pastruar paraprakisht nga një shtresë uji), rrezja fillon të devijojë drejt kampionit, sepse maja e gjilpërës ndërvepron me sipërfaqen me anë të forcave van der Waals. Me afrimin e mëtejshëm në sipërfaqe, gjilpëra devijohet në drejtim të kundërt si rezultat i veprimit të forcave repulsive elektrostatike. Devijimi i majës nga pozicioni i ekuilibrit në konfigurimin Binnig u zbulua duke përdorur majën e një mikroskopi tunelizimi.

Përdorimi i një konsol bëri të mundur studimin e mostrave jopërçuese. Dhe përmirësimi i mëtejshëm i sistemeve të zbulimit çoi në krijimin e mikroskopëve që mund të matin jo vetëm në ajër, por edhe në lëng, gjë që është veçanërisht e rëndësishme në studimin e mostrave biologjike. Për më tepër, janë zhvilluar metoda për matjen e ndërveprimit të forcës së konsolit dhe kampionit, me ndihmën e të cilave u bë e mundur të përcaktohen forcat e ndërveprimit midis atomeve individuale me vlera karakteristike në nivelin 10 -9 Njuton.

Që nga mesi i viteve 1980, ka pasur një rritje shpërthyese në numrin e botimeve të lidhura me mikroskopinë e sondës. Janë shfaqur shumë lloje SPM, janë shfaqur shumë pajisje të disponueshme në treg, janë botuar libra shkollorë për mikroskopin e sondës, bazat e SPM janë studiuar në kurset e shumë institucioneve të arsimit të lartë.

Hulumtimi i skanerëve të mikrozhvendosjes piezoelektrike.

Qëllimi i punës: Studimi i parimeve fizike dhe teknike të sigurimit të mikro-zhvendosjeve të objekteve në mikroskopinë e sondës skanuese, zbatuar duke përdorur skanerë piezoelektrikë

Prezantimi

Mikroskopi me sondë skanuese (SPM) është një nga metodat moderne më të fuqishme për studimin e vetive të një sipërfaqeje të ngurtë. Aktualisht, praktikisht asnjë kërkim në fushën e fizikës dhe mikroteknologjisë sipërfaqësore nuk është i plotë pa përdorimin e metodave SPM.

Parimet e mikroskopisë së sondës skanuese mund të përdoren si bazë bazë për zhvillimin e teknologjisë për krijimin e strukturave në gjendje të ngurtë në shkallë nano (1 nm = 10 A). Për herë të parë në praktikën teknologjike të krijimit të objekteve të bëra nga njeriu, shtrohet çështja e përdorimit të parimeve të montimit atomik në prodhimin e produkteve industriale. Kjo qasje hap perspektiva për zbatimin e pajisjeve që përmbajnë një numër shumë të kufizuar të atomeve individuale.

Mikroskopi skanues i tunelit (STM), i pari i një familjeje mikroskopësh sondë, u shpik në vitin 1981 nga shkencëtarët zviceranë G. Binnig dhe G. Rohrer. Në punimet e tyre, ata treguan se kjo është një mënyrë mjaft e thjeshtë dhe shumë efektive për të studiuar një sipërfaqe me rezolucion të lartë hapësinor deri në rendin atomik. Kjo teknikë mori njohje të vërtetë pas vizualizimit të strukturës atomike të sipërfaqes së një numri materialesh dhe, në veçanti, të sipërfaqes së rindërtuar të silikonit. Në vitin 1986, për krijimin e një mikroskopi tuneli, G. Binnig dhe G. Poper u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë. Pas mikroskopit të tunelit, mikroskopi i forcës atomike (AFM), mikroskopi i forcës magnetike (MSM), mikroskopi i forcës elektrike (EFM), mikroskopi optik i fushës së afërt (BOM) dhe shumë pajisje të tjera me parime të ngjashme funksionimi dhe të quajtura mikroskopët e sondës skanuese.

1. Parimet e përgjithshme të mikroskopëve të sondës skanuese

Në mikroskopët e sondës skanuese, studimi i mikrorelievit dhe vetive lokale të sipërfaqes kryhet duke përdorur sonda të tipit gjilpërë të përgatitura posaçërisht. Rrezja e lakimit të pjesës së punës të sondave (pikave) të tilla është rreth dhjetë nanometra në madhësi. Distanca karakteristike ndërmjet sondës dhe sipërfaqes së mostrave në mikroskopët e sondës sipas madhësisë është 0,1 - 10 nm.

Funksionimi i mikroskopëve të sondës bazohet në lloje të ndryshme të ndërveprimit fizik të sondës me atomet në sipërfaqen e mostrave. Kështu, funksionimi i një mikroskopi tunelues bazohet në fenomenin e rrjedhjes së rrymës tunele midis një gjilpëre metalike dhe një kampioni përçues; lloje të ndryshme të ndërveprimit të forcës nënvizojnë funksionimin e mikroskopëve të forcës atomike, magnetike dhe forcës elektrike.

Le të shqyrtojmë tiparet e përbashkëta të natyrshme në mikroskopët e ndryshëm të sondës. Le të karakterizohet ndërveprimi i sondës me sipërfaqen nga ndonjë parametër R... Nëse ka një varësi mjaft të mprehtë dhe një-për-një të parametrit R nga sonda e distancës - mostra P = P (z), atëherë ky parametër mund të përdoret për të organizuar një sistem reagimi (OS) që kontrollon distancën midis sondës dhe kampionit. Në fig. 1 tregon në mënyrë skematike parimin e përgjithshëm të organizimit të reagimeve të një mikroskopi të sondës skanuese.

Oriz. 1. Diagrami i sistemit të reagimit të mikroskopit të sondës

Sistemi i feedback-ut ruan vlerën e parametrit R konstante e barabartë me vlerën Ro vendosur nga operatori. Nëse sonda - distanca e sipërfaqes ndryshon (për shembull, rritet), atëherë parametri ndryshon (rritet) R... Në sistemin OS, një sinjal ndryshimi gjenerohet në proporcion me vlerën. P= P - Po, e cila përforcohet në vlerën e dëshiruar dhe futet në aktivizuesin IE. Aktuatori përpunon këtë sinjal diferenci duke e afruar sondën më afër sipërfaqes ose duke e larguar atë derisa sinjali i ndryshimit të bëhet i barabartë me zero. Në këtë mënyrë, distanca ndërmjet sondës dhe mostrës mund të mbahet me saktësi të lartë. Në mikroskopët ekzistues të sondës, saktësia e mbajtjes së distancës së sipërfaqes së sondës arrin ~ 0,01 Å. Kur sonda lëviz përgjatë sipërfaqes së mostrës, parametri i ndërveprimit ndryshon R për shkak të relievit sipërfaqësor. Sistemi OS i përpunon këto ndryshime, kështu që kur sonda lëviz në rrafshin X, Y, sinjali në aktivizues është proporcional me relievin e sipërfaqes.

Për të marrë një imazh SPM, kryhet një proces i organizuar posaçërisht i skanimit të një kampioni. Gjatë skanimit, sonda së pari lëviz mbi mostrën përgjatë një linje të caktuar (skanimi i linjës), ndërsa vlera e sinjalit në aktuator, proporcionale me relievin e sipërfaqes, regjistrohet në kujtesën e kompjuterit. Pastaj sonda kthehet në pikën fillestare dhe shkon në linjën tjetër të skanimit (skanimi vertikal) dhe procesi përsëritet përsëri. Sinjali i reagimit i regjistruar në këtë mënyrë gjatë skanimit përpunohet nga një kompjuter dhe më pas imazhi SPM i relievit të sipërfaqes Z = f (x, y)është ndërtuar me ndihmën e grafikës kompjuterike. Së bashku me studimin e relievit sipërfaqësor, mikroskopët e sondës lejojnë studimin e vetive të ndryshme të sipërfaqes: mekanike, elektrike, magnetike, optike dhe shumë të tjera.

Pajisjet e para që bënë të mundur vëzhgimin dhe lëvizjen e nanoobjekteve ishin mikroskopët e sondës skanuese - një mikroskop i forcës atomike dhe një mikroskop tunelimi skanues që funksiononte në një parim të ngjashëm. Mikroskopi i forcës atomike (AFM) u zhvillua nga G. Binnig dhe G. Rohrer, të cilëve iu dha Çmimi Nobel për këtë kërkim në 1986. Krijimi i një mikroskopi të forcës atomike i aftë për të ndjerë forcat e tërheqjes dhe zmbrapsjes që lindin midis atomeve individuale bëri të mundur, më në fund, "prekjen dhe shikimin" e nanoobjekteve.

Figura 9. Parimi i funksionimit të një mikroskopi sondë skanimi (marrë nga http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Vija me pika tregon rrugën e rrezes lazer. Pjesa tjetër e shpjegimit është në tekst.

Baza AFM (shih Fig. 9) është një sondë, e bërë zakonisht prej silikoni dhe në formën e një pllake të hollë konsol (quhet konsol, nga fjala angleze "cantilever" - konsol, rreze). Në fund të konsolit (gjatësia »500 µm, gjerësia» 50 µm, trashësia »1 µm) ka një thumb shumë të mprehtë (gjatësia» 10 µm, rrezja e lakimit nga 1 në 10 nm), që përfundon në një grup prej një ose disa atome (shih Fig. dhjetë).

Figura 10. Fotomikrografë elektronike të së njëjtës sondë, të realizuara me zmadhim të ulët (lart) dhe të lartë.

Kur mikrosonda lëviz përgjatë sipërfaqes së kampionit, maja e majës ngrihet dhe bie, duke përshkruar mikrorelievin e sipërfaqes, ashtu si një gjilpërë gramafoni rrëshqet mbi një disk gramafoni. Në skajin e spikatur të konsolit (mbi majën, shih Fig. 9) ka një zonë pasqyre, mbi të cilën rrezja lazer bie dhe reflektohet. Kur thumba zbret dhe ngrihet në parregullsi në sipërfaqe, rrezja e reflektuar devijohet, dhe ky devijim regjistrohet nga një fotodetektor, dhe forca me të cilën goma tërhiqet nga atomet e afërta - nga një sensor piezoelektrik.

Të dhënat e fotodetektorit dhe sensorit piezoelektrik përdoren në një sistem reagimi që mund të sigurojë, për shembull, një sasi konstante force midis mikrosondës dhe sipërfaqes së mostrës. Si rezultat, është e mundur të ndërtohet një reliev vëllimor i sipërfaqes së mostrës në kohë reale. Rezolucioni i metodës AFM është afërsisht 0,1-1 nm horizontalisht dhe 0,01 nm vertikalisht. Një imazh i baktereve Escherichia coli i marrë me një mikroskop sondë skanimi është paraqitur në Fig. njëmbëdhjetë.

Figura 11. Bakteret Escherichia coli ( Escherichia coli). Imazhi është marrë duke përdorur një mikroskop sondë skanimi. Bakteri është 1.9 µm i gjatë dhe 1 µm i gjerë. Trashësia e flagjellës dhe qerpikëve është përkatësisht 30 nm dhe 20 nm.

Një grup tjetër i mikroskopëve të sondës skanuese përdor të ashtuquajturin "efekt tunelizimi" mekanik kuantik për të ndërtuar relievin e sipërfaqes. Thelbi i efektit të tunelit është se rryma elektrike midis një gjilpëre të mprehtë metalike dhe një sipërfaqe të vendosur në një distancë prej rreth 1 nm fillon të varet nga kjo distancë - sa më e shkurtër të jetë distanca, aq më e madhe është rryma. Nëse midis gjilpërës dhe sipërfaqes aplikohet një tension prej 10 V, atëherë kjo rrymë "tunelizuese" mund të variojë nga 10 pA deri në 10 nA. Duke matur këtë rrymë dhe duke e mbajtur atë konstante, distanca midis gjilpërës dhe sipërfaqes mund të mbahet konstante. Kjo ju lejon të ndërtoni një profil vëllimor të sipërfaqes (shih Fig. 12). Ndryshe nga një mikroskop i forcës atomike, një mikroskop tunelues skanues mund të studiojë vetëm sipërfaqet e metaleve ose gjysmëpërçuesve.

Figura 12. Gjilpëra e një mikroskopi tunelizimi skanues i vendosur në një distancë konstante (shih shigjetat) mbi shtresat e atomeve të sipërfaqes në studim.

Një mikroskop tunelimi skanues mund të përdoret gjithashtu për të lëvizur një atom në një pikë të zgjedhur nga operatori. Për shembull, nëse voltazhi midis majës së mikroskopit dhe sipërfaqes së kampionit bëhet disi më i madh se sa është e nevojshme për të studiuar këtë sipërfaqe, atëherë atomi më i afërt i kampionit kthehet në një jon dhe "kërcen" në majë. Pas kësaj, duke lëvizur pak gjilpërën dhe duke ndryshuar tensionin, mund të bëni që atomi i shpëtuar të "kërcejë" përsëri në sipërfaqen e mostrës. Kështu, është e mundur të manipulohen atomet dhe të krijohen nanostruktura, d.m.th. struktura në sipërfaqe me përmasa të rendit të një nanometri. Në vitin 1990, punonjësit e IBM treguan se kjo ishte e mundur duke shtuar emrin e kompanisë së tyre nga 35 atome ksenoni në një pllakë nikeli (shih Fig. 13).

Figura 13. Emri i kompanisë IBM, i palosur nga 35 atome ksenoni në një pllakë nikeli, i bërë nga punonjësit e kësaj kompanie duke përdorur një mikroskop sondë skanimi në vitin 1990.

Duke përdorur një mikroskop sondë, jo vetëm që mund të lëvizni atomet, por edhe të krijoni parakushtet për vetëorganizimin e tyre. Për shembull, nëse një pikë uji që përmban jone tiol ndodhet në një pllakë metalike, atëherë sonda e mikroskopit do të lehtësojë orientimin e këtyre molekulave në të cilat dy bishtat e tyre hidrokarbure do të drejtohen larg nga pllaka. Si rezultat, është e mundur të ndërtohet një shtresë e vetme e molekulave të tiolit të ngjitura në pllakën metalike (shih Fig. 14). Kjo metodë e krijimit të një shtrese të vetme molekulash në një sipërfaqe metalike quhet "nanolithografi me stilolaps".

Figura 14. Sipër majtas - konsol (gri çeliku) i një mikroskopi sondë skanimi mbi një pllakë metalike. Në të djathtë është një imazh i zmadhuar i zonës (e rrethuar në të bardhë në figurën në të majtë) nën sondën e konsolit, e cila tregon në mënyrë skematike molekulat e tiolit me bishta hidrokarbure vjollce, të rreshtuara në një shtresë të vetme në majë të sondës. Përshtatur nga Scientific American, 2001, shtator, f. 44.