Самолетни двигатели Административно право Административно право на Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидравлични системи и хидромашини История на Украйна Културология Културология Логика Маркетинг Машиностроене Медицинска психология Управление Метали и заваръчни инструменти Метали и метали икономика Описателни 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 Социална психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория теорията на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерно производство Физика физични явления Философски хладилни агрегати 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 VKontakte Odnoklassniki My World Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Устройство и принцип на работа на AFM

<== предишна статия | следваща статия ==>

В края на 1986 г. същият Binnig предложи дизайна на устройство от ново поколение, което ви позволява да изследвате повърхности с безпрецедентни детайли, но не непременно електрически проводими. Новото устройство беше наречено микроскоп с атомна сила и днес представлява най-голям интерес за изследователите.

Фиг. 1. Принципът на работа на атомно-силов микроскоп (AFM).

Принципът на работа на атомно-силов микроскоп (AFM) се основава на използването на атомни сили на връзка, действащи между атомите на веществото. На малки разстояния между два атома (около един ангстрем) действат отблъскващи сили, а на големи - атрактивни сили. Съвсем същите сили действат между всички приближаващи се тела. В сканиращ атомно-силов микроскоп изследваната повърхност и върхът, движещ се над нея, служат като такива тела. Обикновено в устройството се използва диамантена игла, която плавно се плъзга по повърхността на пробата (както се казва, тя сканира тази повърхност). Когато силата F, действаща между повърхността и върха, се променя, пружината P, върху която е фиксирана, се отклонява и такова отклонение се открива от сензора D. Всяка особено точна и чувствителна - прецизни измерватели на изместване, например оптични, капацитивни, може да се използва 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 - повърхностната топография и в допълнение за особеностите на междутомните взаимодействия. Можем да кажем, че при микроскоп с атомна сила тестовата проба се сканира по „повърхността на постоянна сила“, докато в STM се сканира по повърхността на постоянния тунелен ток. Принципите на прецизния контрол, базиран на обратна връзка и заснемане на най-незначителните промени в повърхностната топография, са почти идентични при STM и AFM.

Фиг. 2. Схема на сканиращ атомно-силов микроскоп.

Сканиращ атомно-силов микроскоп с оптичен конзолен тензодатчик.

Фигурата показва диаграма на микроскоп с атомна сила. О - точка (игла), П - пружина, върху която е фиксирана; P, Px, Py, Pz - пиезоелектрически преобразуватели. В този случай Px и Py служат за сканиране на пробата под иглата, а Pz контролира разстоянието от върха до повърхността, D е сензор за тунел, който открива отклонения на пружината с върха.

Микроскоп с атомна сила може да се използва за определяне на повърхностния микрорелеф на всяко вещество, както проводимо, така и непроводимо; с негова помощ може да се наблюдават всички видове структурни несъвършенства, локализирани върху изследваните повърхности, например дислокации или заредени дефекти, както и всички видове примеси. В допълнение, AFM дава възможност да се разкрият границите на различни блокове в кристал, по-специално, домейни. Напоследък с помощта на атомно-силов микроскоп физиците интензивно изучават биологични обекти, като ДНК молекули и други макромолекули, главно за целите на възникващата и, очевидно, изключително обещаваща посока - биомолекулярната технология. Интересно е, че AFM позволява решаването не само на приложни проблеми, но и на глобални проблеми на фундаменталната физика. По-специално, като се определи с негова помощ поведението на междутомни сили и константата на взаимодействие между атомите на повърхността и върха, може да се направят доста точни изводи за съществуването или отсъствието на нови фундаментални взаимодействия и дори за структурата на физическия вакуум.

Обикновено взаимодействие се разбира като привличане или отблъскване на конзолната сонда, причинено от силите на Ван дер Ваалс. При използване на специални конзолни машини е възможно да се проучат електрическите и магнитните свойства на повърхността. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп, както проводимите, така и непроводящите повърхности могат да бъдат изследвани с AFM. В допълнение, AFM е в състояние да измерва релефа на проба, потопена в течност, което му позволява да работи с органични молекули, включително ДНК.

Пространствената разделителна способност на микроскопа с атомна сила зависи от радиуса на кривината на върха на сондата. Разделителната способност достига атомно вертикално и значително го надвишава хоризонтално.

Основните технически затруднения при създаването на микроскоп:

· Създаване на игла, заточена наистина до атомни размери.

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

· Създаване на детектор, способен надеждно да открива такива малки движения.

· Създаване на система за почистване с увеличение на фракциите на ангстрема.

· Осигуряване на плавен подход на иглата към повърхността.

По този начин, в сравнение със сканиращ електронен микроскоп (SEM), микроскоп с атомна сила има няколко предимства . Така че, за разлика от SEM, който дава псевдо-триизмерно изображение на повърхността на пробата, AFM ви позволява да получите наистина триизмерен релеф на повърхността. В допълнение, непроводимата повърхност, изследвана с помощта на AFM, не изисква прилагане на проводимо метално покритие, което често води до забележима деформация на повърхността. Вакуумът е необходим за нормална работа на SEM, докато повечето режими на AFM могат да бъдат реализирани във въздух или дори в течност. Този факт отваря възможността за изучаване на биомакромолекули и живи клетки. По принцип AFM е в състояние да даде по-висока разделителна способност от SEM. Така беше показано, че AFM е в състояние да осигури истинска атомна разделителна способност под свръх висок вакуум. Ultrahigh-вакуумният AFM е сравним по разделителна способност със сканиращ тунелен микроскоп и електронен микроскоп за предаване.

Недостатъкът на AFM при сравняването му със SEM трябва да включва и малкия размер на сканиращото поле. SEM е в състояние да сканира повърхност от няколко милиметра в страничната равнина с разлика във височината от няколко милиметра във вертикалната равнина. За AFMs максималната разлика във височината е няколко микрона, а максималното сканиращо поле е в най-добрия случай 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, което, ако сондата е неправилно избрана, води до артефакти в полученото изображение.

Конвенционалните AFM не могат да сканират повърхността толкова бързо, колкото SEM. Като правило са необходими няколко минути, за да се получи AFM изображение, докато SEM след изпомпване може да работи в почти реално време, макар и със сравнително ниско качество.

Поради ниската скорост на почистване на AFM, получените изображения се оказват изкривени от термичен дрейф, което намалява точността на измервателните елементи на сканирания релеф. За да се увеличи скоростта на AFM, бяха предложени няколко дизайна, сред които може да се разграничи пробен микроскоп, наречен видео ASM. VideoASM осигурява задоволително качество на повърхностните изображения с честота на сканиране на телевизия, което е дори по-бързо, отколкото при конвенционален SEM.

В допълнение към термичния дрейф, AFM изображенията могат да бъдат изкривени и от хистерезиса на пиезоелектричния материал на скенера и кръстосаните фалшиви връзки, действащи между X, Y, Z-елементите на скенера. За да коригират изкривяванията в реално време, съвременните AFM използват софтуер или скенери, оборудвани със системи за проследяване със затворен контур, които включват датчици за линейно положение. Някои AFM вместо скенер под формата на пиезотръб използват XY и Z-елементи, механично изключени един от друг, което елиминира някои от фалшивите връзки.

AFM може да се използва за определяне на типа на атома в кристалната решетка. AFM и STM манипулаторът ви позволява да местите иглата с разделителна способност по-добра от 0,1 при с размери от няколко сантиметра. Ако индустриалният робот има подобна точност на движение с размери около метър, тогава с игла, затегната в манипулаторите, той може да нарисува кръг с диаметър от няколко нанометра.

Коефициентът на линейната температура на разширение на повечето материали е около , Когато размерът на манипулатора е няколко сантиметра, промяна на температурата от 0,01 ° води до движението на иглата поради термичен дрейф от 1 Ǻ.

Cantilever (англ. Cantilever - скоба, конзола) е добре утвърденото наименование за дизайна на микромеханичната сонда, най-често срещана при сканиране на атомна силова микроскопия.

Конзолата е масивна правоъгълна основа с размери приблизително 1,5 × 3,5 × 0,5 мм, с лъч, стърчащ от нея (самия конзол), с ширина около 0,03 мм и дължина от 0,1 до 0,5 мм. Едната от страните на лъча е огледална (понякога върху нея се напръсква тънък слой алуминий за усилване на отразения лазерен сигнал), което позволява използването на оптична конзолна система за управление на огъване. От противоположната страна на лъча в свободния край е игла, която взаимодейства с измерената проба. Формата на иглата може да варира значително в зависимост от метода на производство. Радиусът на върха на иглата на индустриалните конзоли е в диапазона от 5–90 nm, лабораторен - от 1 nm.

По правило цялата структура, с възможното изключение на иглата, е монокристал от силиций. Конзолите също са изработени от силициев нитрид (Si3N4) или полимери. Процесът на производство 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 конзолите се използват следните две уравнения, които са ключови за разбирането на принципа на работа на конзолите.

Първата е така наречената формула на Стони, която свързва отклонението на края на конзолната греда δ към приложеното механично напрежение σ:

където ν е съотношението на Поасон, E е модулът на Йънг, L е дължината на гредата и t е дебелината на конзолната греда. Отклонението на лъча се записва от чувствителни оптични и капацитивни сензори.

Второто уравнение установява зависимостта на коефициента на еластичност на конзолата k от нейния 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 според закона на хармоничен осцилатор:

,

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

Един от важните проблеми при практическото използване на конзолата е проблемът с квадратичната и кубична зависимост на свойствата на конзолата от неговия размер. Тези нелинейни зависимости означават, че конзолите са доста чувствителни към промените в параметрите на процеса. Контролът на остатъчните деформации също може да бъде труден.

<== предишна статия | следваща статия ==>





Прочетете също:

Сканиращ SQUID микроскоп

Амперометричен анализатор

Оптични имуносенсори

Производство и методи за почистване на конзолни машини

Субективна оценка на интензивността на стимула

Конзолна сензорна архитектура и системи за наблюдение на позицията на конзолите

Принципът на работа на сканиращ тунелен микроскоп

Физическата същност на тунелния ефект

Сравнителен анализ на аналитичните възможности на различни видове имуносенсори

Примери за създаване и обхват на микро- и наносенсори

Принципи на конструкцията и особености на работата на електромеханичните квантови осцилаторни системи

Сензорни системи. Сетивните органи. Физиология на сетивата. Функции на сензорните системи. Сетивно възприятие. Етапи на сетивно възприятие. Сензорни системи

Връщане към съдържанието: Физически явления

Преглеждания: 4788

11.45.9.189 © ailback.ru Той не е автор на публикуваните материали. Но предоставя възможност за безплатно използване. Има ли нарушение на авторски права? Пишете ни | Обратна връзка .