|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИНСТИТУТ МЕЖДУНАРОДНЫХ ОТНОШЕНИЙ
|
Факультет:
|
«УПРАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИКИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ»
|
Специальность:
|
350200
|
«Международные отношения»
|
Дисциплина
|
Физические основы современных технологий
|
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
|
«Электронная и туннельная микроскопия»
|
|
|
|
|
Студент
|
|
|
Лаврентьева Е.А.
|
|
Подпись
|
|
Фамилия И.О.
|
|
|
|
|
Оглавление
Факультет: 1
Специальность: 1
Дисциплина 1
Студент 1
Подпись 1
Фамилия И.О. 1
Ввведение 2
Электронная микроскопия 3
Методика электронной микроскопии. Область применения электронной микроскопии 4
Метод реплик 5
Метод декорирования 6
Фазовая электронная микроскопия 7
Лоренцова электронная микроскопия 8
Количественная электронная микроскопия 9
Иммуноэлектронная микроскопия 9
Сканирующий туннельный микроскоп 10
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа 12
Схема работы сканирующего туннельного микроскопа 12
Заключение 14
Список литературы 15
Ввведение
Разрешающая способность человеческого глаза - около 100 микрометров (0,1 мм), что примерно соответствует толщине волоска. Чтобы увидеть более мелкие предметы, требуются специальные устройства. Изобретенный в конце XVII века микроскоп открыл человеку новые миры, и в первую очередь мир живой клетки.
История микроскопа чрезвычайна разнообразна, длительна и интересна. Люди издавна хотели разглядеть, сделать крупнее, изучить. Так появились шлифованные стекла - лупы, которые уже можно назвать предком современного микроскопа. Люди научились смотреть далеко над землей и в небеса, когда им захотелось заглянуть внутрь того, что рядом. Так сначала появились простейшие световые микрокопы двухлинзовой системы, когда же назрела необходимость изучить то, что ещё глубже - появились электронные и атомные микроскопы.
Сегодня трудно представить себе научную деятельность человека без микроскопа.
Микроскоп широко применяется в большинстве лабораторий медицины и биологии, геологии и материаловедения.
Полученные с помощью микроскопа результаты необходимы при постановке точного диагноза, при контроле над ходом лечения. С использованием микроскопа происходит разработка и внедрение новых препаратов, делаются научные открытия.
Что такое микроскоп? Общий ответ на этот вопрос содержится в самом названии этого прибора.
Микроскоп (от микро ... и ...скоп) – это инструмент, позволяющий получать увеличенное изображение мелких объектов и их деталей, не видимых невооруженным глазом
Микроскопия (от греч. малый и рассматриваю) - совокупность методов зрительного исследования микрообъектов при увеличениях от нескольких десятков до сотен тысяч раз.
Электронная микроскопия |
Электронная микроскопия позволяет с помощью электронного микроскопа исследовать микроструктуру тел при увеличениях до многих сотен тысяч раз (вплоть до атомно-молекулярного уровня), изучить их локальный состав и локализованные на поверхностях или в микрообъёмах тел электрические и магнитные поля (микрополя). Кроме этого, электронная микроскопия - это самостоятельное научное течение, направленное на:
-усовершенствование и разработку новых электронных микроскопов и других корпускулярных микроскопов (например, протонного микроскопа) и приставок к ним;
-разработку методик препарирования образцов, исследуемых в электронных микроскопах;
-изучение механизмов формирования электроннооптических изображений;
-разработку способов анализа разнообразной информации (не только изображений), получаемой с помощью электронных микроскопов.
Некоторые методы электронной микроскопии рассмотрены в разделе "Методика электронной микроскопии".
К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения, отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.
В связи с этим мы предлагаем Вам ознакомиться с методами сканирующей туннельной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, атомно-силовой микроскопии.
|
Методика электронной микроскопии. Область применения электронной микроскопии |
В качестве объектов исследований электронная микроскопия использует в основном твёрдые тела. Образцы толщиной от 1 нм до 10 мкм (тонкие плёнки, фольга, срезы и т. п.) изучаются в просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ), в которых электроны с энергиями от 1 кэв до 5 Мэв проходят сквозь объект. Непросвечивающие электронные микроскопы: растровые (РЭМ), зеркальные, ионные и электронные проекторы исследуют структуру массивных тел толщиной существенно больше 1 мкм.
Можно изучать порошки, микрокристаллы, частицы аэрозолей и т. д., нанеся их на подложку: тонкую плёнку для исследования в ПЭМ или массивную подложку для исследования в РЭМ.
В дальнейших разжелах описаны некоторые методы электронной микроскопии.
С помощью специальных газовых микрокамер — приставок к просвечивающему или растровому электронному микроскопу — можно изучать жидкие и газообразные объекты, неустойчивые к воздействию высокого вакуума, в том числе влажные биологические препараты. Радиационное воздействие облучающего электронного пучка довольно велико, поэтому при исследовании биологических, полупроводниковых, полимерных и т. п. объектов необходимо тщательно выбирать режим работы электронного микроскопа, обеспечивающий минимальную дозу облучения.
Кроме статических объектов электронная микроскопия позволяет изучать различные процессы в динамике их развития: рост плёнок, деформацию кристаллов под действием переменной нагрузки, изменение структуры под влиянием электронного или ионного облучения и т. д. . Электрон имеет малую инерционность. Это дает возможность исследовать периодические во времени процессы, такие как перемагничивание тонких магнитных плёнок, переполяризацию сегнетоэлектриков, распространение ультразвуковых волн и т. д., применяя методы стробоскопической электронной микроскопии. Электронный пучок «освещает» образец импульсами, синхронными с подачей импульсного напряжения на образец, благодаря чему на экране прибора фиксируется определенная фаза процесса. Предельное временное разрешение при этом может составлять около 10-15 сек для просвечивающего электронного микроскопа (практически реализовано разрешение ~ 10-10 сек для просвечивающего и растрового электронного микроскопа).
Электронные микроскопы используются и в технологических целях (например, для изготовления микросхем методом фотолитографии).
К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения, отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.
|
Метод реплик |
Рассмотрим метод реплик для изучения поверхностной геометрической структуры массивных тел. С поверхности такого тела снимается отпечаток в виде тонкой плёнки углерода, коллодия, формвара и др., повторяющий рельеф поверхности и рассматривается в просвечивающем электронном микроскопе. Обычно предварительно под скользящим (малым к поверхности) углом на реплику в вакууме напыляется слой сильно рассеивающего электроны тяжёлого металла (например, Pt), оттеняющего выступы и впадины геометрического рельефа.
|
![]() Рисунок 1: Изображение предварительно отполированной, а затем подвергнутой ионной бомбардировке поверхности монокристалла меди. Снято в растровом электронном микроскопе: увеличение 3000.
Метод декорирования |
Метод декорирования исследует не только геометрическую структуру поверхностей, но и микрополя, обусловленные наличием дислокаций, скопления точечных дефектов, ступени роста кристаллических граней, доменную структуру и т. д. . Согласно этому методу на поверхность образца вначале напыляется очень тонкий слой декорирующих частиц (атомы Au, Pt и др., молекулы полупроводников или диэлектриков), осаждающихся преимущественно на участках сосредоточения микрополей, а затем снимается реплика с включениями декорирующих частиц.
![]() Рисунок 2: Винтовые дислокации на поверхности кристалла NaCl, подвергнутого термическому травлению при температуре 773 К. Изображение получено методом декорирования
Фазовая электронная микроскопия
. Рассматривается задача о дифракции электронной волны на кристаллической решетке, при решении которой дополнительно учитываются неупругие взаимодействия электронов с объектом: рассеяние на плазмах, фононах и т. п. В просвечивающих электронных микроскопах и растровых просвечивающих электронных микроскопах высокого разрешения получают изображения отдельных молекул или атомов тяжелых элементов. Привлекая методы фазовой электронной микроскопии, можно восстанавливать по изображениям трехмерную структуру кристаллов и биологических макромолекул. Для решения подобных задач используют, в частности, методы голографии, а расчеты производят на ЭВМ.
Рассмотрим одну из разновидностей фазовой электронной микроскопии — интерференционную электронную микроскопию, которая является аналогом оптической интерферометрии. Электронный пучок расщепляется с помощью электронных призм, и в одном из плеч интерферометра устанавливается образец, изменяющий фазу проходящей сквозь него электронной волны. Этот метод позволяет измерить, например, внутренний электрический потенциал образца.
|
| Лоренцова электронная микроскопия |
Областью исследования лоренцовой электронной микроскопии, в которой изучают явления, обусловленные силой Лоренца, являются внутренние магнитные и электрические поля или внешние поля рассеяния, например, поля магнитных доменов в тонких пленках, сегнетоэлектрических доменов, поля головок для магнитной записи информации и т. п.
|
|
![]() Рисунок 3: Изображение доменной структуры тонкой однородной по толщине пермаллоевой плёнки. Снято в просвечивающем электронном микроскопе при дефокусировке изображения (метод лоренцевой электронной микроскопии). Светлые и тёмные узкие полосы- границы доменов. Видна "рябь" намагниченности, возникающая вследствие малых изменений направлений векторов намагниченности (отмечены стрелками) внутри доменов.
Количественная электронная микроскопия |
Методы количественной электронной микроскопии — это точное измерение различных параметров образца или исследуемого процесса, например измерение локальных электрических потенциалов, магнитных полей, микрогеометрии поверхностного рельефа и т. д.
|
![]() Рисунок 4: Изображение линий равной напряжённости поля ( от 25 до 150 Гс через 25 Гс) над зазором магнитной головки (ширина зазора 28 = 2 мкм) для магнитной записи информации. Получено в растровом электронном микроскопе со специальной приставкой.
Иммуноэлектронная микроскопия
Иммуноэлектронная микроскопия(Immune electron microscopy) – это непосредственная визуализация взаимодействия антигена и антител с помощью электронной микроскопии. Иммуноэлектронная микроскопия впервые была предложена для вирусологических исследований Дж. Альмейда и А. Ватерсоном в 1969г.
Схема метода иммуноэлектронной микроскопии состоит в следующем:
1.Обследуемый материал, который проверяется на наличие искомого вируса, смешивается и инкубируется со стандартной иммунной сывороткой;
2.комплекс вирус-антитело осаждается центрифугированием в подходящих для него режимах;
3.к ресуспендированному осадку добавляется контрастирующее вещество;
4.полученный препарат исследуется под электронным микроскопом.
Если реакция положительна, выявляются характерные агрегаты, состоящие из вирусных частиц, соединенных между собой мостиками из антител. Порог чувствительности иммуноэлектронной микроскопии невысок: надежное выявление вируса осуществимо, когда его концентрация в исходном материале составляет 104— 106 частиц в мл. Преимущество метода заключается в возможности оценивать не только исход серологической реакции, но и идентифицировать ее морфологический субстрат, т. е. определить форму и размер вирусных частиц. При наличии препаратов вируса с известным содержанием частиц иммуноэлектронная микроскопия может применяться и для количественного определения антител в сыворотках. Для этого предлагается применять специальную систему учета интенсивности взаимодействия вируса и антител.
На начальных этапах работы с вирусными гепатитами иммуноэлектронная микроскопия широко применялась в исследованиях и диагностике. С использованием иммуноэлектронной микроскопии, в частности, были идентифицированы вирус гепатита А и вирус гепатита Е. На сегодняшний день существуют более практичные тесты для массовых исследований клинических материалов. Поэтому диагностика гепатитов с помощью иммуноэлектронной микроскопии постепенно утратила свое значение, но ее по-прежнему успешно используют для характеристики морфологически отличных от вируса антигенов или каких-либо ранее неизвестных вирусных агентов.
Сканирующий туннельный микроскоп |
Как отмечалось в разделах, посвященных электронной микроскопии, ее возможности ограничены по ряду причин.
Изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером сканирующего туннельного микроскопа, который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир. (За изобретение нового класса электронных микроскопов - сканирующего туннельного микроскопа Г. Биннингу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике 1986 года.)
|
|
Рисунок
Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа:1 – двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 – двигатель для перемещения объекта по оси Z; Ux, Uy, Uz, - напряжения, подаваемые на двигатели 1; Uz’ – напряжение, подаваемое на двигатель 2; U – разность потенциалов между зондом и объектом; Iт – туннельный ток
| Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа кардинально отличается от всех методик, которые до сих пор применялись в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца. Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние <10Å, то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения VS через вакуумный промежуток δz начинает протекать туннельный ток I t порядка 10-9Å. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние δz, равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности используется пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков. Пьезоэлектрики – это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах:
1.измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние δz от острия до поверхности образца
2.измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).
В сканирующей туннельной микроскопии присутствуют три концепции: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике. Электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления сканирующей туннельной микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп не содержит линз, поэтому изображение не искажается из-за аберраций. Энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что делает возможным неразрушающий контроль объекта. В то же время в электронной микроскопии при высоком разрешении энергия достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, что вызывает образование радиационных дефектов. Все это делает сканирующий туннельный микроскоп уникальным микроскопом.
Конструирование и изготовление сканирующих туннельных микроскопов по сей день остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих сканирующими туннельными микроскопами, которые работали бы с истинно атомным разрешением.
Схема работы сканирующего туннельного микроскопа
Опишем схему работы сканирующего туннельного микроскопа. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, определяющее величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току. Это условие обеспечивается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, которые формирую строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это происходит в телевидении. Осциллограммы напряжения Vz запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца.
![]()
|
Обычно записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, которые дают возможность представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы. В этом режиме контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. Всего через 27 месяцев после формулировки базовой концепции сканирующего туннельного микроскопа была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока It от расстояния δz острие-образец. Датой рождения сканирующего туннельного микроскопа считается 16 марта 1981 года.
|
|
Область применения сканирующих туннельных микроскопов
|
Область применения сканирующих туннельных микроскопов – это в основном физика поверхности твердых тел. При первых же экспериментах по исследованию поверхности золота Au(100), относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию 1*2, было выяснено, что можно наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты. Это свидетельствовало о разрешении сканирующего туннельного микроскопа порядка нескольких ангстрем, хотя ожидаемым было геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45Å. Этот результат показал, что в руках ученых появился уникальный инструмент - сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы.
|
|
Заключение
Электронная микроскопия, как динамично развивающаяся отрасль современной науки и технологии, включает в себя не только анализ веществ, материалов и биологических объектов. Значительные усилия ученых направлены на разработку и усовершенствование электронных и других корпускулярных микроскопов (например, протонного) и приставок к ним, методов пробоподготовки, изучение механизмов формирования изображения при взаимодействии образца с электронами, способов сбора и обработки информации, которую можно получить с помощью микроскопа.
С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.
Список литературы
1.Эдельман В.С. Сканирующая туннельная микроскопия, «ПТЭ», 1989,; его же, Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии, 1991
2. Д.Синдо, Т.Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия для материаловедения. – M., Мир, 2006
3. http://www.mikroskopia.ru/info/26.html 2011г.
4. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3680.html 2010г.
|
