Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Устройството и принципът на работа на ACM

<== предишна статия | следващата статия ==>

В края на 1986 г. същият Бинниг предложи нов дизайн на устройство, което ви позволява да изследвате повърхности с безпрецедентни подробности, но не непременно електрически проводящи. Новото устройство се нарича атомно-енергиен микроскоп и днес е от особен интерес за изследователите.

Фиг. 1. Принцип на действие на атомно-силовия микроскоп (AFM).

Принципът на действие на атомно-силовия микроскоп (АСМ) се основава на използването на атомни връзки, действащи между атомите на материята. На малки разстояния между два атома (около един ангстрем) действат отблъскващи сили, а на големи разстояния - привличащи сили. Напълно сходни сили действат между всякакви събиращи се тела. В сканиращия атомно-енергиен микроскоп такива тела са изпитваната повърхност и върха, който се плъзга над него. Обикновено в устройството се използва диамантена игла, която плавно се плъзга по повърхността на пробата (както казват, тя сканира тази повърхност). Когато силата F между повърхността и върха се промени, пружината P, на която е фиксирана, се отклонява и това отклонение се записва от сензор D. Всяко особено прецизно и чувствително - прецизно - изместване, като оптичен, капацитивен, може да се използва като сензор в AFM. или тунелни сензори. Фигурата показва точно последния тип сензор - всъщност това е същата игла, която се използва в сканиращ тунелен микроскоп.

Отклонението на еластичния елемент (пружина) носи информация за височината на релефа - топографията на повърхността и, освен това, за характеристиките на междуатомните взаимодействия. Може да се каже, че в атомно-енергийния микроскоп сканирането на изследваната проба се извършва по „повърхността на постоянна сила”, докато в STM - по повърхността на постоянен тунелен ток. Принципите на прецизното управление, основани на обратна връзка и улавяне на най-незначителните промени в топографията на повърхността, са почти еднакви в СТМ и АСМ.

Фиг. 2. Схема на сканиращия атомно-енергиен микроскоп.

Сканиращ атомно-силов микроскоп с оптичен сензор за деформация на конзолата.

На фигурата е показана диаграма на микроскоп с атомна енергия. O - върхът (иглата), P - пружината, върху която е фиксирана; P, Px, Py, Pz - пиезоелектрични преобразуватели. В този случай Px и Py се използват за сканиране на пробата под иглата, а Pz контролира разстоянието от върха до повърхността, D е тунелен сензор, който открива отклоненията на пружината с върха.

Атомно-силовия микроскоп може да се използва за определяне на повърхностния микрорелеф на всякакви вещества, проводими и непроводими, с негова помощ могат да се наблюдават различни несъвършенства на структурата, локализирана върху изследваните повърхности, например дислокации или заредени дефекти, както и всички видове примеси. Освен това, AFM дава възможност да се идентифицират границите на различни блокове в един кристал, по-специално домейни. Наскоро, с помощта на микроскоп с атомна сила, физиците започнаха интензивно да изучават биологични обекти, например ДНК молекули и други макромолекули, главно за целите на възникващата и очевидно изключително обещаваща посока - биомолекулярна технология. Интересното е, че ASM ни позволява да решаваме не само приложни проблеми, но и глобални проблеми на фундаменталната физика. По-конкретно, чрез определянето с помощта на поведението на междуатомните сили и константи на взаимодействия между атомите на повърхността и върха, могат да се направят доста точни заключения за съществуването или отсъствието на нови фундаментални взаимодействия и дори за структурата на физическия вакуум.

Обикновено взаимодействието се разбира като привличане или отблъскване на конзолна сонда, причинена от силите на Ван дер Ваалс. С помощта на специални конзоли могат да се изследват електрическите и магнитните свойства на повърхността. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп, използващ AFM, може да се изследват както проводими, така и непроводими повърхности. Освен това, AFM е в състояние да измери релефа на пробата, потопена в течност, която позволява работа с органични молекули, включително ДНК.

Пространствената резолюция на атомно силовия микроскоп зависи от радиуса на кривината на върха на сондата. Резолюцията достига до атома вертикално и значително надвишава хоризонтално.

Основните технически трудности при създаването на микроскоп:

Създаване на игла, наистина посочи атомния размер.

· Осигуряване на механична (включително топлинна и вибрационна) стабилност на ниво, по-добро от 0,1 ангстрьом.

Създаване на детектор, способен да фиксира надеждно такива малки движения.

· Създаване на сканираща система със стъпка в лобрите на ангстрем.

· Осигуряване на плавно сближаване на иглата с повърхността.

Така, в сравнение с сканиращ електронен микроскоп (SEM), микроскопът с атомна сила има няколко предимства . Така, за разлика от SEM, която дава псевдо-триизмерно изображение на повърхността на пробата, AFM позволява да се получи наистина триизмерен повърхностен релеф. Освен това, непроводимата повърхност, разглеждана с помощта на АСМ, не изисква прилагането на проводимо метално покритие, което често води до забележима деформация на повърхността. SEM изисква вакуум за нормална работа, докато повечето AFM режими могат да бъдат изпълнени във въздуха или дори в течност. Това обстоятелство разкрива възможността за изучаване на биомакромолекули и живи клетки. По принцип AFM е в състояние да даде по-висока резолюция от SEM. По този начин беше показано, че AFM е в състояние да осигури истинска атомна резолюция при условия на свръхвисоко вакуум. Разделителната способност на свръхвисоко-вакуумната АСМ е сравнима с сканиращия тунелен микроскоп и трансмисионния електронен микроскоп.

Когато се сравнява със SEM, малкият размер на сканиращото поле също трябва да се дължи на липсата на AFM. SEM може да сканира повърхностна площ от няколко милиметра в страничната равнина с разлика във височината на няколко милиметра във вертикалната равнина. AFM има максимална разлика във височината от няколко микрона, а максималното поле на сканиране е най-добре около 150 × 150 микрона².

Друг проблем е, че при висока разделителна способност качеството на изображението се определя от радиуса на кривината на върха на сондата, който, ако изберете грешна сонда, води до появата на артефакти в полученото изображение.

Конвенционалната AFM не може да сканира повърхността толкова бързо, колкото SEM прави. АСМ изображения обикновено отнемат няколко минути, докато СЕМ, след изпомпване, е в състояние да работи почти в реално време, макар и с относително ниско качество.

Поради ниската скорост на сканиране на АСМ получените изображения се изкривяват от термичния дрейф, което намалява точността на измерване на елементите на сканирания релеф. За да се увеличи скоростта на AFM, бяха предложени няколко конструкции, сред които може да се разграничи сондажен микроскоп, наречен видео ACM. Video ACM осигурява задоволително качество на изображението на повърхността с честотата на телевизионно сканиране, което е дори по-бързо, отколкото при обикновен SEM.

В допълнение към термичния дрейф, АСМ изображенията могат да бъдат изкривени от хистерезиса на пиезокерамичния материал на скенера и кръстосаните паразитни връзки между X, Y, Z елементите на скенера. За да се коригират нарушенията в реално време, съвременните AFM използват софтуер или скенери, оборудвани със затворени системи за проследяване, които включват линейни сензори за положение. Някои AFM, вместо скенер за пиезот, използват XY и Z-елементи, които не са механично свързани помежду си, което прави възможно изключването на някои от паразитните връзки.

AFM може да се използва за определяне на вида на атома в кристалната решетка. Манипулаторът AFM и STM позволява, с размери от няколко сантиметра, да преместват иглата с резолюция по-добра от 0.1. Ако един индустриален робот има подобна точност на изместване с размери от около един метър, тогава с игла, затегната в манипулаторите, той може да начертае кръг с диаметър от няколко нанометра.

Температурният коефициент на линейно разширение на повечето материали е около , Когато размерът на манипулатора е няколко сантиметра, при промяна на температурата от 0,01 ° иглата се движи в резултат на термично отклонение от 1.

Конзолната (английска конзола - конзола, конзолата) е утвърденото име за най-често срещания микромеханичен дизайн на сондата при сканиране на микроскопия с атомна сила.

Конзолата е масивна правоъгълна основа с размери приблизително 1,5 × 3,5 × 0,5 mm, с изпъкнала от него греда (самата конзола) с ширина около 0,03 mm и дължина от 0,1 до 0,5 mm. Една от страните на гредата е огледална (понякога върху нея се нанася тънък слой алуминий, за да се усили отразеният лазерен сигнал), което прави възможно използването на оптичната система за наблюдение на конзолното огъване. На противоположната страна на гредата на свободния край е игла, която взаимодейства с пробата за измерване. Формата на иглата може да варира значително в зависимост от метода на производство. Радиусът на върха на индустриалните конзоли на иглата е в диапазона от 5-90 nm, лабораторни - от 1 nm.

Като правило, цялата конструкция, с изключение, може би, на игла, е силициев монокристал. Конзоли се правят също от силициев нитрид (Si3N4) или полимери. Производственият процес е подобен на производството на силициево електронно оборудване и включва ецване на суха или течна фаза на субстрата. По този начин, конзолите са удобни за масово производство.

При разработването на конзоли се използват следните две уравнения, които са ключови за разбиране на принципа на работа на конзолите.

Първата е така наречената формула на Стоуни, която свързва деформацията на края на конзолния δ лъч с приложеното механично напрежение σ:

където ν е коефициентът на Поасон, E е модулът на Юнг, L е дължината на гредата, а t е дебелината на конзолната греда. Отклонението на лъча се открива от чувствителни оптични и капацитивни сензори.

Второто уравнение определя зависимостта на еластичния коефициент на конзолата k от неговия размер и свойства на материала:

където F е приложената сила, а w е ширината на конзолата.

Коефициентът на еластичност е свързан с резонансната честота на конзолата ω0 съгласно закона на хармоничния осцилатор:

,

Промяната в силата, приложена към конзолата, може да доведе до изместване на резонансната честота. Честотното изместване може да бъде измерено с голяма точност на принципа на локален осцилатор.

Един от важните проблеми при практическото използване на конзолата е проблемът за квадратичната и кубичната зависимост на свойствата на кантилевера от неговия размер. Тези нелинейни зависимости означават, че конзолите са доста чувствителни към промени в параметрите на процеса. Контролът на остатъчната деформация също може да бъде труден.

<== предишна статия | следващата статия ==>





Вижте също:

Глава 11. Макроскопски квантови ефекти в твърди тела

модулатори

Сензорни системи. Органите за чувствителност. Физиология на сетивата. Функции на сензорните системи. Сензорно възприятие. Етапи на сетивното възприятие. Сензорни системи

Основи на взаимодействието на електромагнитни вълни и частици с материя

Времевата характеристика на възприемането на действащи стимули

SQUID върху променлив ток

Мейснер ефект и неговото практическо приложение

Явления на интерференция и дифракция при движение на частиците

Субективна оценка на интензивността на стимула

Сканиращ SQUID микроскоп (SSM-77)

Емисионна електроника

Физически основи на приложението на явлението свръхпроводимост в измервателните уреди

Свойства на свръхпроводниците

Връщане към съдържанието: Физически явления

Видян: 3935

11.45.9.53 © ailback.ru не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно ползване. Има ли нарушение на авторските права? Пишете ни Обратна връзка .