|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Mikroskop sondy skaningowej. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Najmłodszym i jednocześnie obiecującym kierunkiem w badaniach właściwości powierzchni jest mikroskopia sond skanujących. Mikroskopy z sondą mają rekordową rozdzielczość - poniżej 0,1 nm. Mogą mierzyć interakcję między powierzchnią a mikroskopijną końcówką, która ją skanuje – sondą – i wyświetlać trójwymiarowy obraz na ekranie komputera.
Metody mikroskopii sondy pozwalają nie tylko zobaczyć atomy i cząsteczki, ale także wpływać na nie. W tym przypadku, co szczególnie ważne, obiekty mogą być badane niekoniecznie w próżni (co jest typowe dla mikroskopów elektronowych), ale także w różnych gazach i cieczach. Tunelowy mikroskop skanujący sondę został wynaleziony w 1981 roku przez G. Binninga i H. Rohrera (USA), pracowników IBM Research Center. Pięć lat później otrzymali za ten wynalazek Nagrodę Nobla. Binning i Rohrer podjęli próbę zaprojektowania urządzenia do badania obszarów powierzchni mniejszych niż 10 nm. Wynik przekroczył najśmielsze oczekiwania: naukowcy byli w stanie zobaczyć pojedyncze atomy, których rozmiar ma zaledwie około jednego nanometra średnicy. Działanie skaningowego mikroskopu tunelowego opiera się na zjawisku mechaniki kwantowej zwanym efektem tunelowania. Bardzo cienka metalowa końcówka - sonda naładowana ujemnie - jest umieszczana w bliskiej odległości od próbki, również metalowa, naładowana dodatnio. W tym momencie, gdy odległość między nimi osiągnie kilka odległości międzyatomowych, elektrony zaczną swobodnie przez nią przechodzić - „tunel”: przez szczelinę popłynie prąd. Silna zależność natężenia prądu tunelującego od odległości końcówki od powierzchni próbki jest bardzo ważna dla działania mikroskopu. Jeśli szczelina zostanie zmniejszona tylko o 0,1 nm, prąd wzrośnie około 10 razy. Dlatego nawet nieregularności wielkości atomu powodują zauważalne wahania wielkości prądu.
Aby uzyskać obraz, sonda skanuje powierzchnię, a układ elektroniczny odczytuje prąd. W zależności od tego, jak zmienia się ta wartość, końcówka opada lub podnosi się. W ten sposób system utrzymuje wartość bieżącej stałej, a trajektoria końcówki podąża za topografią powierzchni, wzniesieniami i zagłębieniami. Końcówka porusza piezoskanerem, czyli manipulatorem wykonanym z materiału, który może się zmieniać pod wpływem napięcia elektrycznego. Skaner piezoelektryczny ma najczęściej postać rurki z wieloma elektrodami, która wydłuża się lub wygina, przesuwając sondę w różnych kierunkach z dokładnością do tysięcznych nanometra. Informacja o ruchu końcówki zamieniana jest na obraz powierzchni, który jest budowany punkt po punkcie na ekranie. Dla jasności sekcje o różnych wysokościach są pomalowane na różne kolory. W idealnym przypadku na końcu sondy powinien znajdować się jeden nieruchomy atom. Jeśli na końcu igły jest kilka występów, obraz może się podwoić lub potroić. Aby wyeliminować defekt, igłę wytrawia się kwasem, nadając jej pożądany kształt. Przy pomocy mikroskopu tunelowego dokonano szeregu odkryć. Na przykład odkryli, że atomy na powierzchni kryształu są ułożone inaczej niż wewnątrz i często tworzą złożone struktury. Za pomocą mikroskopu tunelowego można badać tylko obiekty przewodzące. Umożliwia jednak również obserwowanie cienkich dielektryków w postaci warstewki, gdy są one umieszczane na powierzchni materiału przewodzącego. I chociaż efekt ten nie został jeszcze w pełni wyjaśniony, z powodzeniem stosuje się go do badania wielu filmów organicznych i obiektów biologicznych - białek, wirusów. Możliwości mikroskopu są ogromne. Za pomocą igły mikroskopowej rysunki są nawet nakładane na metalowe płytki. W tym celu jako materiał „do pisania” stosuje się oddzielne atomy - osadzają się one na powierzchni lub z niej usuwają. Tak więc w 1991 roku pracownicy IBM napisali atomy ksenonu na powierzchni płytki niklowej z nazwą swojej firmy - IBM. Litera „I” składała się tylko z 9 atomów, a litery „B” i „M” po 13 atomów. Kolejny krok w rozwoju mikroskopii sond skanujących podjęli w 1986 roku Binning, Kveit i Gerber. Stworzyli mikroskop sił atomowych. Jeżeli w mikroskopie tunelowym decydującą rolę odgrywa ostra zależność prądu tunelowego od odległości sondy od próbki, to dla mikroskopu sił atomowych zależność siły oddziaływania ciał od odległości między nimi wynosi decydujące znaczenie. Sonda mikroskopu sił atomowych to miniaturowa elastyczna płytka - wspornik. Ponadto jeden z jego końców jest nieruchomy, a na drugim końcówka pomiarowa wykonana jest z materiału stałego - krzemu lub azotku krzemu. Gdy sonda zostanie poruszona, siły oddziaływania między jej atomami a nierówną powierzchnią próbki wygną płytkę. Osiągając taki ruch sondy, gdy ugięcie pozostaje stałe, możliwe jest uzyskanie obrazu profilu powierzchni. Ten tryb pracy mikroskopu, zwany trybem kontaktowym, umożliwia pomiar z rozdzielczością ułamków nanometra nie tylko reliefu, ale także siły tarcia, elastyczności i lepkości badanego obiektu. Skanowanie w kontakcie z próbką dość często prowadzi do jej deformacji i zniszczenia. Wpływ sondy na powierzchnię może być przydatny np. w produkcji mikroukładów. Jednak sonda może łatwo przerwać cienką folię polimerową lub uszkodzić bakterię, powodując jej śmierć. Aby tego uniknąć, wspornik wprowadza się w drgania rezonansowe w pobliżu powierzchni i rejestruje się zmianę amplitudy, częstotliwości lub fazy drgań wywołanych oddziaływaniem z powierzchnią. Ta metoda umożliwia badanie żywych drobnoustrojów: oscylująca igła działa na bakterię jak lekki masaż, nie wyrządzając szkody, a także pozwala obserwować jej ruch, wzrost i podział. W 1987 r. I. Martin i K. Vikrama-singh (USA) zaproponowali użycie namagnesowanej mikroigły jako końcówki pomiarowej. W rezultacie powstał mikroskop sił magnetycznych. Taki mikroskop umożliwia obserwację poszczególnych obszarów magnetycznych w materiale - domen - o wielkości do 10 nm. Wykorzystywany jest również do bardzo gęstego zapisu informacji poprzez tworzenie domen na powierzchni filmu za pomocą pól igły i magnesu trwałego. Takie nagranie jest setki razy gęstsze niż na nowoczesnych dyskach magnetycznych i optycznych. Na światowym rynku mikromechaniki, prowadzonym przez takich gigantów jak IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments, znalazło się też miejsce dla Rosji. Coraz głośniej słychać głos małej firmy MDT z Zelenogradu pod Moskwą. „Skopiujmy na talerzu, 10 razy mniejszym od ludzkiego włosa, rysunek naskalny wykonany przez naszych odległych przodków” – sugeruje Denis Szabratow, główny technolog. Pojawia się atom. Stopniowo na ekranie pojawia się jeleń, a za nim jeźdźcy. MDT jest jedynym w kraju producentem mikroskopów sondowych i sond. Jest jednym z czterech światowych liderów. Produkty firmy kupowane są w USA, Japonii, Europie. A wszystko zaczęło się od tego, że Denis Shabratov i Arkady Gologanov, młodzi inżynierowie jednego z instytutów zelenogradzkich w kryzysie, myśląc o tym, jak żyć, wybrali mikromechanikę. Nie bez powodu uważali go za najbardziej obiecujący kierunek. „Nie mieliśmy kompleksów, z którymi musielibyśmy konkurować z silną konkurencją” – wspomina Gologanov – „Oczywiście nasz sprzęt jest gorszy od importowanych, ale z drugiej strony zmusza nas do wymyślania, używania mózgu. I na pewno nie są z nami gorzej. orać więcej niż wystarczająco. Pracowaliśmy przez całą dobę, siedem dni w tygodniu. Najtrudniejsze było nawet nie zrobienie superminiaturowej sondy, ale jej sprzedaż. Wiemy, że nasza jest najlepsza na świecie, krzyczymy o tym w Internecie, bombardujemy klientów faksami, jednym słowem bijemy nogi jak ta żaba, - zero uwagi." Dowiedziawszy się, że jeden z liderów w produkcji mikroskopów, japońska firma Joyle, szuka igieł o bardzo skomplikowanym kształcie, zdali sobie sprawę, że to jest ich szansa. Zamówienie kosztowało dużo siły i nerwów, ale otrzymało marne grosze. Ale pieniądze nie były najważniejsze - teraz mogli na cały głos zadeklarować: słynna "Joyle" to nasz klient. Podobnie przez prawie półtora roku firma MDT bezpłatnie produkowała specjalne sondy dla amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii. Na liście klientów pojawiło się nowe wielkie nazwisko. „Teraz przepływ zamówień jest taki, że nie możemy już wszystkich zadowolić”, mówi Szabratow. zakłócenia dostaw, ich niska jakość, niezobowiązujące podwykonawców”. Pojawienie się mikroskopii sond skanujących z powodzeniem zbiegło się z początkiem szybkiego rozwoju technologii komputerowej, otwierając nowe możliwości wykorzystania mikroskopów sondowych. W 1998 roku w Centrum Zaawansowanych Technologii (Moskwa) powstał model mikroskopu z sondą skanującą FemtoScan-001, który jest również sterowany przez Internet. Teraz w dowolnym miejscu na świecie naukowiec będzie mógł pracować pod mikroskopem, a każdy, kto chce, może „zajrzeć” w mikrokosmos bez wychodzenia z komputera. Dziś takie mikroskopy są używane tylko w badaniach naukowych. Z ich pomocą dokonują się najbardziej sensacyjne odkrycia w genetyce i medycynie, powstają materiały o niesamowitych właściwościach. Jednak w najbliższej przyszłości spodziewany jest przełom, przede wszystkim w medycynie i mikroelektronice. Pojawią się mikroroboty dostarczające leki poprzez naczynia bezpośrednio do chorych narządów, powstaną miniaturowe superkomputery. Autor: Musskiy S.A.
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Samsung wypuścił telefon komórkowy z dyskiem twardym ▪ Laptopy działają o 25% dłużej dzięki nowej przeglądarce Google Chrome ▪ Mózg szybciej reaguje na agresywny głos niż na spokojny. ▪ Oko ćmy pomoże stworzyć powłokę antyrefleksyjną
▪ sekcja serwisu Baterie, ładowarki. Wybór artykułów ▪ artykuł Szostakowicz Dmitrij Dmitriewicz. Słynne aforyzmy ▪ Artykuł z Guilin Mountain. Cud natury ▪ artykuł Teoria silników elektrycznych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony