Giới thiệu

Hiện nay, hướng khoa học kỹ thuật đang phát triển nhanh chóng - công nghệ nano, bao gồm một loạt các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Đây là một công nghệ mới về cơ bản có thể giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực đa dạng như truyền thông, công nghệ sinh học, vi điện tử và năng lượng. Ngày nay, hơn một trăm công ty trẻ đang phát triển các sản phẩm công nghệ nano sẽ gia nhập thị trường trong hai đến ba năm tới.

Công nghệ nano sẽ trở thành công nghệ hàng đầu trong thế kỷ 21 và sẽ góp phần vào sự phát triển của nền kinh tế và các lĩnh vực xã hội của xã hội, chúng có thể trở thành tiền đề cho một cuộc cách mạng công nghiệp mới. Trong hai trăm năm trước, tiến bộ trong cuộc cách mạng công nghiệp đã đạt được với cái giá là khoảng 80% tài nguyên của Trái đất. Công nghệ nano sẽ giảm đáng kể việc tiêu thụ tài nguyên và không gây áp lực lên môi trường, chúng sẽ đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong cuộc sống của nhân loại, chẳng hạn như máy tính đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người.

Tiến bộ trong công nghệ nano được kích thích bởi sự phát triển của các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, trong đó có nhiều thông tin nhất là phương pháp quét kính hiển vi thăm dò, phát minh và đặc biệt là sự lan rộng trên thế giới nhờ những người đoạt giải Nobel năm 1986 - Giáo sư Heinrich Rohrer và Tiến sĩ Gerd Binnig. .

Thế giới đã bị cuốn hút bởi việc khám phá ra những phương pháp hình dung nguyên tử đơn giản như vậy, và thậm chí với khả năng điều khiển chúng. Nhiều nhóm nghiên cứu bắt đầu thiết kế các thiết bị tự chế và thử nghiệm theo hướng này. Do đó, một số sơ đồ dụng cụ tiện lợi đã ra đời, nhiều phương pháp hiển thị trực quan kết quả của tương tác bề mặt đầu dò đã được đề xuất, chẳng hạn như: kính hiển vi lực bên, kính hiển vi lực từ, kính hiển vi đăng ký tương tác từ, tĩnh điện, điện từ. . Các phương pháp của kính hiển vi quang học trường gần đã được phát triển mạnh mẽ. Các phương pháp tác động có định hướng, có kiểm soát trong hệ thống bề mặt đầu dò đã được phát triển, ví dụ, in nanolit - những thay đổi xảy ra trên bề mặt dưới tác động của ảnh hưởng điện, từ, biến dạng dẻo, ánh sáng trong hệ thống bề mặt thăm dò. Các công nghệ được tạo ra để sản xuất các đầu dò với các thông số hình học cụ thể, với các lớp phủ và cấu trúc đặc biệt để hình dung các đặc tính bề mặt khác nhau.

Kính hiển vi đầu dò quét (SPM) là một trong những phương pháp hiện đại mạnh mẽ nhất để nghiên cứu hình thái và tính chất cục bộ của bề mặt rắn với độ phân giải không gian cao. Trong 10 năm qua, kính hiển vi thăm dò quét đã phát triển từ một kỹ thuật kỳ lạ chỉ dành cho một số nhóm nghiên cứu hạn chế thành một công cụ được sử dụng rộng rãi và được sử dụng thành công để nghiên cứu các đặc tính bề mặt. Hiện tại, thực tế không có nghiên cứu nào trong lĩnh vực vật lý bề mặt và công nghệ màng mỏng hoàn chỉnh nếu không sử dụng các phương pháp SPM. Sự phát triển của kính hiển vi đầu dò quét cũng là cơ sở cho sự phát triển của các phương pháp mới trong công nghệ nano - công nghệ tạo ra các cấu trúc trên quy mô nanomet.

1. Bối cảnh lịch sử

Để quan sát các vật thể nhỏ, người Hà Lan Anthony van Leeuwenhoek đã phát minh ra kính hiển vi vào thế kỷ 17, khám phá thế giới của vi khuẩn. Kính hiển vi của ông không hoàn hảo và có độ phóng đại từ 150 đến 300 lần. Nhưng những người theo ông đã cải tiến thiết bị quang học này, tạo nền tảng cho nhiều khám phá về sinh học, địa chất, vật lý. Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 19 (1872), nhà nhãn khoa người Đức Ernst Karl Abbe đã chỉ ra rằng, do nhiễu xạ ánh sáng, độ phân giải của kính hiển vi (nghĩa là khoảng cách tối thiểu giữa các vật thể khi chúng chưa hợp nhất thành một hình ảnh. ) bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng (0,4 - 0,8 μm). Vì vậy, ông đã tiết kiệm được rất nhiều nỗ lực của các nhà nhãn khoa đang cố gắng tạo ra kính hiển vi tiên tiến hơn, nhưng các nhà sinh vật học và địa chất học thất vọng, những người đã mất hy vọng có được một công cụ có độ phóng đại trên 1500x.

Lịch sử hình thành kính hiển vi điện tử là một ví dụ tuyệt vời về cách các lĩnh vực khoa học và công nghệ phát triển độc lập có thể, bằng cách trao đổi thông tin và nỗ lực thống nhất, tạo ra một công cụ mới mạnh mẽ cho nghiên cứu khoa học. Đỉnh cao của vật lý cổ điển là lý thuyết về trường điện từ, lý thuyết này giải thích sự lan truyền của ánh sáng, sự xuất hiện của điện trường và từ trường, sự chuyển động của các hạt mang điện trong các trường này như sự lan truyền của sóng điện từ. Quang học sóng đã làm rõ hiện tượng nhiễu xạ, cơ chế tạo ảnh và vai trò của các yếu tố quyết định độ phân giải trong kính hiển vi ánh sáng. Chúng ta mang ơn những thành công của chúng ta trong lĩnh vực vật lý lý thuyết và thực nghiệm với việc khám phá ra electron với những đặc tính cụ thể của nó. Những con đường phát triển riêng biệt và dường như độc lập này đã dẫn đến việc tạo ra nền tảng của quang học điện tử, một trong những ứng dụng quan trọng nhất của nó là phát minh ra EM vào những năm 1930. Một sự ám chỉ trực tiếp đến một khả năng như vậy có thể được coi là giả thuyết về bản chất sóng của electron, được Louis de Broglie đưa ra vào năm 1924 và được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1927 bởi K. Davisson và L. Jermer ở ​​Mỹ và J. Thomson ở Anh. . Do đó, một phép loại suy đã được đề xuất để có thể tạo ra một EM theo các quy luật của quang học sóng. H. Bush đã phát hiện ra rằng điện trường và từ trường có thể được sử dụng để tạo thành hình ảnh điện tử. Trong hai thập kỷ đầu của thế kỷ 20. các điều kiện tiên quyết kỹ thuật cần thiết cũng đã được tạo ra. Các phòng thí nghiệm công nghiệp làm việc trên máy hiện sóng tia âm cực đã đưa ra công nghệ chân không, nguồn điện áp và dòng điện cao ổn định, bộ phát điện tử tốt.

Năm 1931 R. Rudenberg đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho kính hiển vi điện tử truyền qua, và vào năm 1932 M. Knoll và E. Ruska đã chế tạo chiếc kính hiển vi đầu tiên như vậy, sử dụng thấu kính từ trường để hội tụ các electron. Dụng cụ này là tiền thân của kính hiển vi điện tử truyền quang hiện đại (OPEM). (Ruska đã được khen thưởng cho công sức của mình khi trở thành người đoạt giải Nobel vật lý năm 1986.) Năm 1938 Ruska và B. von Borris đã chế tạo một nguyên mẫu OPEM công nghiệp cho Siemens-Halske ở Đức; thiết bị này cuối cùng đã đạt được độ phân giải 100 nm. Vài năm sau, A. Prebus và J. Hiller đã chế tạo OPEM độ phân giải cao đầu tiên tại Đại học Toronto (Canada).

Khả năng rộng lớn của OPEM đã trở nên rõ ràng gần như ngay lập tức. Sản xuất công nghiệp của nó được bắt đầu đồng thời bởi Siemens-Halske ở Đức và RCA ở Mỹ. Vào cuối những năm 1940, các công ty khác bắt đầu sản xuất các thiết bị như vậy.

SEM ở dạng hiện tại được phát minh vào năm 1952 bởi Charles Otley. Các phiên bản ban đầu, thực sự của một thiết bị như vậy được chế tạo bởi Knoll ở Đức vào những năm 1930 và Zworykin với các nhân viên tại tập đoàn RCA vào những năm 1940, nhưng chỉ thiết bị của Otley mới có thể làm cơ sở cho một số cải tiến kỹ thuật, đỉnh điểm là giới thiệu phiên bản công nghiệp của SEM được sản xuất vào giữa những năm 1960. Vòng tròn những người tiêu dùng một thiết bị khá dễ sử dụng như vậy với hình ảnh ba chiều và tín hiệu đầu ra điện tử đã mở rộng với tốc độ nhanh chóng của một vụ nổ. Hiện tại, có hàng chục nhà sản xuất công nghiệp SEM trên ba lục địa và hàng chục nghìn thiết bị như vậy được sử dụng trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới. Vào những năm 1960, kính hiển vi siêu cao áp đã được phát triển để nghiên cứu các mẫu dày hơn, trong đó một thiết bị với hiệu điện thế gia tốc bằng 3,5 triệu vôn được đưa vào hoạt động năm 1970. RTM được G. Binnig và G. Rohrer phát minh vào năm 1979 tại Zurich. Vì sự ra đời của RTM Binnig và Rohrer (đồng thời với Ruska) đã nhận được giải Nobel .

Năm 1986, Rohrer và Binnig phát minh ra kính hiển vi thăm dò quét. Kể từ khi được phát minh, STM đã được sử dụng rộng rãi bởi các nhà khoa học thuộc các chuyên ngành khác nhau, bao gồm hầu hết các ngành khoa học tự nhiên, từ nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học và các ứng dụng công nghệ cụ thể. Nguyên lý của STM rất đơn giản và tiềm năng của nó rất lớn, đến mức không thể đoán trước được tác động của nó đối với khoa học và công nghệ, kể cả trong tương lai gần.

Hóa ra sau này, hầu hết mọi tương tác của đầu dò với bề mặt (cơ học, từ tính) đều có thể được chuyển đổi với sự trợ giúp của các công cụ và chương trình máy tính thích hợp thành hình ảnh của bề mặt.

Việc lắp đặt một kính hiển vi thăm dò quét bao gồm một số khối chức năng được thể hiện trong Hình. 1. Đây là bản thân kính hiển vi có bộ điều khiển piezomanipulator để điều khiển đầu dò, bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp trong đường hầm và một động cơ bước để cung cấp mẫu; khối bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số và kỹ thuật số sang tương tự và bộ khuếch đại cao áp; bộ điều khiển động cơ bước; một bo mạch với bộ xử lý tín hiệu tính toán tín hiệu phản hồi; một máy tính thu thập thông tin và cung cấp giao diện với người dùng. Về mặt cấu trúc, khối DAC và ADC được lắp đặt trong cùng một vỏ với bộ điều khiển động cơ bước. Bo mạch ADSP 2171 ADSP 2171 với bộ xử lý tín hiệu (DSP) từ Thiết bị Tương tự được lắp vào khe cắm mở rộng ISA của máy tính cá nhân.

Hình vẽ chung về hệ thống cơ học của kính hiển vi được thể hiện trong Hình. 2. Hệ thống cơ học bao gồm chân đế có bộ tạo áp và hệ thống cấp mẫu trơn trên động cơ bước có hộp giảm tốc và hai đầu đo có thể tháo rời để hoạt động ở chế độ quét đường hầm và hiển vi lực nguyên tử. Kính hiển vi cung cấp độ phân giải nguyên tử nhất quán trên các bề mặt thử nghiệm truyền thống mà không cần thêm các bộ lọc địa chấn và âm học.

Nghiên cứu máy quét vi điểm áp điện.

Mục đích của công việc: nghiên cứu các nguyên tắc vật lý và kỹ thuật của việc cung cấp vi dịch chuyển của các đối tượng trong kính hiển vi đầu dò quét, được thực hiện bằng máy quét áp điện

Giới thiệu

Kính hiển vi đầu dò quét (SPM) là một trong những phương pháp hiện đại mạnh mẽ nhất để nghiên cứu các đặc tính của bề mặt rắn. Hiện tại, thực tế không có nghiên cứu nào trong lĩnh vực vật lý bề mặt và công nghệ vi mô là hoàn chỉnh nếu không sử dụng các phương pháp SPM.

Các nguyên tắc của kính hiển vi đầu dò quét có thể được sử dụng làm cơ sở cơ bản cho sự phát triển của công nghệ tạo cấu trúc trạng thái rắn kích thước nano (1 nm = 10 A). Lần đầu tiên trong thực hành công nghệ tạo ra các vật thể nhân tạo, câu hỏi về việc sử dụng các nguyên tắc lắp ráp nguyên tử trong sản xuất các sản phẩm công nghiệp đang được đặt ra. Cách tiếp cận này mở ra triển vọng cho việc triển khai các thiết bị chứa một số lượng rất hạn chế các nguyên tử riêng lẻ.

Kính hiển vi quét đường hầm (STM), kính hiển vi đầu tiên trong họ kính hiển vi thăm dò, được phát minh vào năm 1981 bởi các nhà khoa học Thụy Sĩ G. Binnig và G. Rohrer. Trong các công trình của mình, họ đã chỉ ra rằng đây là một cách khá đơn giản và rất hiệu quả để nghiên cứu một bề mặt có độ phân giải không gian cao theo thứ tự nguyên tử. Kỹ thuật này nhận được sự công nhận thực sự sau khi hình dung ra cấu trúc nguyên tử của bề mặt một số vật liệu và đặc biệt là của bề mặt silicon được tái tạo. Năm 1986, nhờ việc tạo ra kính hiển vi đường hầm, G. Binnig và G. Poper đã được trao giải Nobel Vật lý. Tiếp theo kính hiển vi đường hầm, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi lực từ (MFM), kính hiển vi lực điện (EFM), kính hiển vi quang học trường gần (BOM) và nhiều thiết bị khác có nguyên lý hoạt động tương tự và được gọi là quét kính hiển vi thăm dò.

1. Nguyên tắc chung của kính hiển vi đầu dò quét

Trong kính hiển vi thăm dò quét, việc nghiên cứu vi rạn và các đặc tính cục bộ của bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng các đầu dò dạng kim được chuẩn bị đặc biệt. Bán kính cong của bộ phận làm việc của các đầu dò (điểm) này có kích thước khoảng 10 nanomet. Khoảng cách đặc trưng giữa đầu dò và bề mặt của mẫu trong kính hiển vi thăm dò theo thứ tự độ lớn là 0,1 - 10 nm.

Hoạt động của kính hiển vi thăm dò dựa trên nhiều dạng tương tác vật lý khác nhau của đầu dò với các nguyên tử trên bề mặt của mẫu. Như vậy, hoạt động của kính hiển vi tạo đường hầm dựa trên hiện tượng dòng điện chạy qua đường hầm giữa kim kim loại và mẫu dẫn; các dạng tương tác lực khác nhau làm cơ sở cho hoạt động của lực nguyên tử, lực từ và kính hiển vi lực điện.

Chúng ta hãy xem xét các đặc điểm chung vốn có trong các kính hiển vi thăm dò khác nhau. Hãy để tương tác của đầu dò với bề mặt được đặc trưng bởi một số tham số NS... Nếu có đủ sắc nét và sự phụ thuộc một-một của tham số NS từ đầu dò khoảng cách - mẫu P = P (z), sau đó tham số này có thể được sử dụng để tổ chức hệ thống phản hồi (OS) kiểm soát khoảng cách giữa đầu dò và mẫu. Trong bộ lễ phục. 1 thể hiện một cách sơ đồ nguyên tắc chung của việc tổ chức phản hồi của kính hiển vi đầu dò quét.

Lúa gạo. 1. Sơ đồ hệ thống phản hồi của kính hiển vi thăm dò

Hệ thống phản hồi duy trì giá trị tham số NS không đổi bằng giá trị Ro do nhà điều hành thiết lập. Nếu đầu dò - khoảng cách bề mặt thay đổi (ví dụ: tăng), thì tham số thay đổi (tăng) NS... Trong hệ điều hành, một tín hiệu khác biệt được tạo ra tỷ lệ với giá trị. P= P - Po, được khuếch đại đến giá trị mong muốn và được đưa đến phần tử kích hoạt của IE. Bộ truyền động xử lý tín hiệu chênh lệch này bằng cách đưa đầu dò đến gần bề mặt hơn hoặc di chuyển nó ra xa cho đến khi tín hiệu chênh lệch trở nên bằng không. Bằng cách này, khoảng cách từ đầu dò đến mẫu có thể được duy trì với độ chính xác cao. Trong các kính hiển vi thăm dò hiện có, độ chính xác của việc duy trì khoảng cách bề mặt đầu dò đạt ~ 0,01 Å. Khi đầu dò di chuyển dọc theo bề mặt mẫu, thông số tương tác thay đổi NS do sự giảm bớt bề mặt. Hệ điều hành xử lý những thay đổi này, để khi đầu dò di chuyển trong mặt phẳng X, Y, tín hiệu trên bộ truyền động sẽ tỷ lệ thuận với độ giảm bề mặt.

Để có được hình ảnh SPM, một quy trình quét mẫu được tổ chức đặc biệt được thực hiện. Khi quét, đầu dò sẽ di chuyển trên mẫu dọc theo một đường nhất định (quét đường), trong khi giá trị tín hiệu trên thiết bị truyền động, tỷ lệ với độ giảm bề mặt, được ghi lại trong bộ nhớ máy tính. Sau đó, đầu dò quay trở lại điểm bắt đầu và đi đến dòng quét tiếp theo (quét dọc), và quá trình này được lặp lại một lần nữa. Tín hiệu phản hồi được ghi lại theo cách này trong quá trình quét được máy tính xử lý và sau đó là hình ảnh SPM của bề mặt nổi Z = f (x, y)được xây dựng với sự trợ giúp của đồ họa máy tính. Cùng với việc nghiên cứu độ nổi trên bề mặt, kính hiển vi thăm dò cho phép nghiên cứu các tính chất bề mặt khác nhau: cơ học, điện, từ tính, quang học và nhiều đặc tính khác.

Một loại kính hiển vi để chụp ảnh bề mặt và các đặc điểm cục bộ của nó. Quá trình hình ảnh dựa trên việc quét bề mặt bằng một đầu dò. Nói chung, nó cho phép bạn thu được hình ảnh 3 chiều của bề mặt (địa hình) với độ phân giải cao.

Kính hiển vi thăm dò quét hiện đại được phát minh bởi Gerd Karl Binnig và Heinrich Rohrer vào năm 1981. Đối với phát minh này vào năm 1986, họ đã được trao giải Nobel Vật lý.

Một tính năng đặc biệt của tất cả các kính hiển vi là một đầu dò siêu nhỏ, tiếp xúc với bề mặt đang nghiên cứu và khi quét sẽ di chuyển trên một vùng nhất định của bề mặt có kích thước nhất định.

Tiếp xúc mẫu thăm dò ngụ ý tương tác. Bản chất của sự tương tác xác định xem thiết bị có thuộc loại kính hiển vi thăm dò hay không. Thông tin bề mặt được truy xuất bằng hệ thống phản hồi hoặc bằng cách phát hiện tương tác mẫu thăm dò.

Hệ thống ghi lại giá trị của một chức năng tùy thuộc vào khoảng cách đầu dò-mẫu.

Các loại kính hiển vi thăm dò quét.

Kính hiển vi lực nguyên tử quét

Kính hiển vi đường hầm quét

Kính hiển vi quang học trường gần

Kính hiển vi đường hầm quét

Một trong những biến thể của kính hiển vi quét được thiết kế để thay đổi độ nhẹ của các hệ thống dẫn điện với độ phân giải không gian cao.

Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự cho điện tử đi qua hàng rào điện thế do đứt mạch điện - một khe hở nhỏ giữa kính hiển vi thăm dò và bề mặt của mẫu. Một kim kim loại sắc bén được đưa đến mẫu ở khoảng cách vài angstrom. Khi một điện thế nhỏ được đặt vào đầu nhọn, một dòng điện trong đường hầm phát sinh, giá trị của nó theo cấp số nhân phụ thuộc vào khoảng cách giữa mẫu và đầu nhọn. Ở khoảng cách 1angstremma mẫu - kim, giá trị hiện tại nằm trong khoảng từ 1 đến 100 pA.

Khi quét mẫu, kim di chuyển dọc theo bề mặt của nó, dòng điện trong đường hầm được duy trì do tác động của phản hồi. Các chỉ số của hệ thống được thay đổi theo địa hình bề mặt. Sự thay đổi của bề mặt được ghi lại và một bản đồ độ cao được xây dựng trên cơ sở này.

Một phương pháp khác liên quan đến việc di chuyển kim ở độ cao cố định trên bề mặt mẫu. Trong trường hợp này, cường độ của dòng điện trong đường hầm thay đổi và dựa trên những thay đổi này, địa hình bề mặt được xây dựng.

Hình 1. Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi quét đường hầm.

Kính hiển vi quét đường hầm bao gồm:

Đầu dò (kim)

Hệ thống chuyển động của đới theo tọa độ

Hệ thống đăng ký

Hệ thống ghi cố định giá trị của chức năng, giá trị này phụ thuộc vào giá trị của dòng điện giữa kim và mẫu hoặc chuyển động dọc theo trục Z. Giá trị ghi được xử lý bởi hệ thống phản hồi, kiểm soát vị trí của mẫu hoặc đầu dò dọc theo trục tọa độ. Một bộ điều chỉnh pid (bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân - phân biệt) được sử dụng như một phản hồi.

Giới hạn:

Điều kiện dẫn điện của mẫu (điện trở bề mặt không được lớn hơn 20 MΩ / cm²).

Chiều sâu của rãnh phải nhỏ hơn chiều rộng của nó, nếu không sẽ có hiện tượng đào hầm từ các bề mặt bên.

KÍCH THƯỚC VI SINH VẬT PROBE: CÁC LOẠI VÀ NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH

Kuvaitsev Alexander Vyacheslavovich
Viện Kỹ thuật-Công nghệ Dimitrovgrad, Chi nhánh của Đại học Hạt nhân Nghiên cứu Quốc gia "MEPhI"
sinh viên

chú thích
Bài viết này mô tả cách thức hoạt động của kính hiển vi thăm dò. Đây là một công nghệ mới về cơ bản có thể giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực đa dạng như truyền thông, công nghệ sinh học, vi điện tử và năng lượng. Công nghệ nano trong kính hiển vi sẽ giảm đáng kể việc tiêu thụ tài nguyên và không gây áp lực lên môi trường, chúng sẽ đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong cuộc sống của nhân loại, chẳng hạn như máy tính đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người.

KÊNH PROBE MICROSCOPY: CÁC LOẠI VÀ NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH

Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Viện Kỹ thuật và Công nghệ Dimitrovgrad thuộc Đại học Hạt nhân Nghiên cứu Quốc gia MEPHI
sinh viên

trừu tượng
Bài báo này mô tả nguyên tắc của kính hiển vi thăm dò. Đây là một công nghệ mới có thể giải quyết các vấn đề trong các lĩnh vực đa dạng như truyền thông, công nghệ sinh học, vi điện tử và năng lượng. Công nghệ nano trong kính hiển vi sẽ giảm đáng kể việc tiêu thụ tài nguyên và không gây áp lực lên môi trường, chúng sẽ đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong cuộc sống của con người, chẳng hạn như máy tính đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người.

Trong thế kỷ 21, công nghệ nano đang nhanh chóng trở nên phổ biến, có thể thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta, nhưng sẽ không có tiến bộ trong chúng nếu không có các phương pháp nghiên cứu thử nghiệm mới, một trong những phương pháp thông tin nhất là phương pháp quét kính hiển vi thăm dò, đó là được phát minh và phổ biến bởi những người đoạt giải Nobel năm 1986 - Giáo sư Heinrich Rohrer và Tiến sĩ Gerd Binnig.

Thế giới đã trải qua một cuộc cách mạng thực sự với sự ra đời của các phương pháp hình dung nguyên tử. Các nhóm người đam mê bắt đầu xuất hiện, chế tạo các thiết bị của riêng họ. Kết quả là, một số giải pháp thành công đã thu được để hình dung kết quả của sự tương tác của đầu dò với bề mặt. Các công nghệ sản xuất đầu dò với các thông số yêu cầu đã được tạo ra.

Vậy kính hiển vi thăm dò là gì? Trước hết, nó là bản thân đầu dò, nó kiểm tra bề mặt của mẫu, cũng như một hệ thống để di chuyển đầu dò so với mẫu trong biểu diễn hai chiều hoặc ba chiều (di chuyển dọc theo tọa độ X-Y hoặc X-Y-Z). Tất cả điều này được bổ sung bởi một hệ thống ghi ghi lại giá trị của một hàm phụ thuộc vào khoảng cách từ đầu dò đến mẫu. Hệ thống đăng ký sửa chữa và ghi nhớ giá trị của một trong các tọa độ.

Các loại kính hiển vi đầu dò quét chính có thể được chia thành 3 nhóm:

1. Kính hiển vi quét đường hầm - được thiết kế để đo sự giảm nhẹ của bề mặt dẫn điện với độ phân giải không gian cao.
   Trong STM, một kim kim loại sắc nhọn được đưa qua mẫu ở một khoảng cách rất ngắn. Khi một dòng điện nhỏ được đặt vào kim, một dòng điện trong đường hầm phát sinh giữa nó và mẫu, cường độ của dòng điện này được cố định bởi hệ thống ghi. Kim được đưa qua toàn bộ bề mặt của mẫu và ghi lại sự thay đổi nhỏ nhất của dòng điện trong đường hầm, do đó, một bản đồ phù điêu của bề mặt mẫu được vẽ. STM là chiếc đầu tiên của lớp kính hiển vi thăm dò quét, những chiếc còn lại được phát triển sau đó.
2. Kính hiển vi lực nguyên tử quét - được sử dụng để xây dựng cấu trúc bề mặt của mẫu với độ phân giải lên đến nguyên tử. Không giống như STM, kính hiển vi này có thể được sử dụng để nghiên cứu cả bề mặt dẫn điện và không dẫn điện. Do khả năng không chỉ quét mà còn điều khiển các nguyên tử, nó được gọi là sức mạnh.
3. Kính hiển vi quang học trường gần là kính hiển vi quang học "tiên tiến" cung cấp độ phân giải tốt hơn so với kính hiển vi quang học thông thường. Sự gia tăng độ phân giải BOM đạt được bằng cách thu ánh sáng từ vật thể đang nghiên cứu ở khoảng cách ngắn hơn bước sóng. Nếu đầu dò của kính hiển vi được trang bị một thiết bị để quét trường không gian, thì kính hiển vi như vậy được gọi là kính hiển vi trường gần quang học quét. Một kính hiển vi như vậy cho phép bạn thu được hình ảnh của các bề mặt với độ phân giải rất cao.

Hình ảnh (Hình 1) cho thấy hoạt động đơn giản nhất của kính hiển vi thăm dò.

Hình 1. - Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi thăm dò

Công việc của nó dựa trên sự tương tác của bề mặt mẫu với một đầu dò, nó có thể là công xôn, kim hoặc đầu dò quang học. Với khoảng cách nhỏ giữa đầu dò và đối tượng khảo sát, tác động của các lực tương tác, chẳng hạn như lực đẩy, lực hút, v.v., và biểu hiện của các hiệu ứng, chẳng hạn như đào hầm electron, có thể được ghi lại bằng cách sử dụng các phương tiện đăng ký. Để phát hiện các lực này, các cảm biến rất nhạy được sử dụng có thể nhận ra những thay đổi nhỏ nhất. Piezotubes hoặc máy quét song song mặt phẳng được sử dụng như một hệ thống quét tọa độ để thu được hình ảnh raster.

Những khó khăn kỹ thuật chính trong việc tạo ra kính hiển vi thăm dò quét bao gồm:

1. Đảm bảo tính toàn vẹn cơ học
2. Máy dò phải có độ nhạy tối đa
3. Đầu của đầu dò phải càng nhỏ càng tốt.
4. Tạo ra hệ thống doa
5. Giữ cho đầu dò trơn tru

Hầu như luôn luôn, hình ảnh thu được bằng kính hiển vi đầu dò quét rất khó giải mã do sự sai lệch trong việc thu được kết quả. Theo quy định, xử lý toán học bổ sung là bắt buộc. Đối với điều này, phần mềm chuyên dụng được sử dụng.

Hiện nay, đầu dò quét và kính hiển vi điện tử được sử dụng như các phương pháp nghiên cứu bổ sung do một số tính năng vật lý và kỹ thuật. Trong những năm qua, việc sử dụng kính hiển vi thăm dò đã làm cho nó có thể thu được những nghiên cứu khoa học độc đáo trong các lĩnh vực vật lý, hóa học và sinh học. Những chiếc kính hiển vi đầu tiên chỉ là những công cụ - chỉ số giúp ích cho việc nghiên cứu và những mẫu hiện đại là những máy trạm chính thức bao gồm tới 50 phương pháp nghiên cứu khác nhau.

Nhiệm vụ chính của công nghệ tiên tiến này là thu được các kết quả khoa học, nhưng việc ứng dụng các khả năng của các thiết bị này vào thực tế đòi hỏi phải có trình độ chuyên môn cao.