Language
Country/Area
No result found
Новая эра в микроскопии: как достигается научное чудо получения изображений в атомном масштабе?
С момента появления сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в 1981 году сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) стала передовой технологией изучения поверхностных структур. Впервые эту технологию продемонстрировали Герд Бинниг и Генрих Рорер, которые использовали обратную связь для точного контроля расстояния между зондом и образцом, что позволило получать изображения в атомном масштабе. Благодаря развитию технологий современные СЗМ могут не только получать изображения поверхностных структур с высоким разрешением, но и одновременно отображать множественные физические взаимодействия, предоставляя ученым новые перспективы для исследования микроскопического мира.
Основой сканирующей зондовой микроскопии является использование пьезоэлектрических приводов для управления точным движением на атомном уровне.
Разнообразие сканирующей зондовой микроскопии заключается во множестве технологий, которые она породила, включая атомно-силовую микроскопию (АСМ), химическую силовую микроскопию (ХСМ), электростатическую силовую микроскопию (ЭСМ), сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и т. д. Каждая технология имеет свои уникальные преимущества и области применения. Например, АСМ использует мельчайшие движения зонда для измерения сил на поверхности образца, создавая изображение рельефа поверхности с высоким разрешением.
Различные режимы сканирования, такие как режим постоянного взаимодействия и режим постоянной высоты, позволяют ученым получать подробную информацию об образце разными способами.
В режиме постоянного взаимодействия зонд поддерживает постоянное взаимодействие с поверхностью образца, а измеренные данные преобразуются в тепловую карту, показывающую топографию поверхности образца. В режиме постоянной высоты поверхность образца сканируется без перемещения зонда. Хотя режим постоянной высоты позволяет устранить артефакты, вызванные обратной связью, его эксплуатация относительно сложна и требует чрезвычайно высокого контроля над зондом.
Для достижения разрешения на атомном уровне решающее значение также имеют конструкция и материал зонда. Обычно для получения наилучших результатов визуализации при использовании одноатомных зондов кончик зонда должен быть очень острым. Это касается не только технологии изготовления зонда, но и глубокого понимания выбора материалов.
Разрешение современной сканирующей зондовой микроскопии ограничено объемом взаимодействия зонда и образца, а не дифракцией.
Преимущество сканирующей зондовой микроскопии заключается в том, что для ее работы не требуется вакуумная среда, что позволяет проводить наблюдения в обычном воздухе или жидкостях. Однако в то же время эта технология сталкивается с некоторыми проблемами, такими как низкая скорость получения изображений и влияние конкретной формы зонда на данные, когда образец имеет большие перепады высоты.
Связанная с этим технология — сканирующая фототоковая микроскопия (SPCM), которая использует сфокусированный лазерный луч вместо зонда для проведения испытаний материалов с пространственным разрешением. Этот метод особенно важен в оптоэлектронной промышленности, поскольку он позволяет анализировать, как оптические свойства материала изменяются в зависимости от положения.
SPCM возбуждает полупроводниковые материалы с помощью лазеров для генерации фототока и сканирует в различных положениях для получения карты оптоэлектронных свойств.
Исследователи, использующие SPCM, могут анализировать такую информацию, как динамика дефектов материала, длина диффузии неосновных носителей заряда и электрическое поле, что может помочь дополнительно улучшить оптические свойства материала.
С развитием компьютерных технологий современные системы СЗМ обычно используют передовое программное обеспечение для визуализации и анализа для создания изображений. В этом процессе программное обеспечение для рендеринга изображений становится незаменимым, и различные программные пакеты, такие как Gwyddion и SPIP, широко используются при обработке и анализе данных СЗМ.
С непрерывным развитием технологий область применения сканирующих зондовых микроскопов продолжает расширяться. Она не ограничивается только фундаментальными исследованиями в области материаловедения, но и широко используется в биологии, химии, нанотехнологиях и других областях. Эти технологии позволяют ученым исследовать микроскопический мир с совершенно новой точки зрения и проводить более точные наблюдения.
Исследуя бесконечный микроскопический мир, мы лишь сняли тонкий слой науки. Какие незамеченные чудеса откроются в будущем?
