Сканирующая зондовая микроскопия (капец заумно звучит...)⁠⁠

Привет, Пикабу.

Сегодня наткнулся на вот этот пост, где показывали микро- и наноструктуру обычной глины. Некоторые обратили внимание, что в какой-то момент изображение теряет цвет и становится черно-белым. В комментариях я ответил на вопрос почему так. Дело в том, что получить изображение объектов менее 300 - 350 нанометров на обычном оптическом микроскопе невозможно (т.н. оптический предел), так как это нижний предел длины волны видимой части спектра.

Для того чтобы изучить объекты меньших размеров применяют другое оборудование. В частности: используют электронный или сканирующий зондовый микроскопы. На свою голову я пообещал рассказать об этих микроскопах, и , как следствие, чило подписчиков поползло вверх. Ну чтож, начнем-с. (@Vledcad, @pelengaz, заходим, читаем).

Итак, начну со сканирующего зондового микроскопа. Главным элементом здесь, как следует из названия, является зонд. Как правило зонд представляет собой острую иглу, которая определенным образом взаимодействует с поверхностью образца. Есть, правда, еще ближнепольный оптический микроскоп, который так же относят к зондовым. Но с ним мне работать не приходилось и о принципе его работы я знаю, к сожалению, немного, так что рассказывать о нем не возьмусь.

Однако помимо него существуют еще два типа сканирующих микроскопов: туннельный и атомно-силовой, который различаются по принципу взаимодействия с поверхностью.

Зонд в туннельном микроскопе представляет собой остро заточенную иглу, в идеале на ее конце должен быть один атом.

Выглядит такая иголка примерно вот так:

(фотография не моя, подробности в конце поста)

Добиться такой остроты крайне сложно и обычная заточка тут не поможет. Поэтому прибегают к химическому или электро-химическому травлению.

Заточенная игла подводится очень близко к образцу (расстояние порядка ангстрема - 0,1 нм), а затем на иглу и образец подается напряжение. В результате электроны перескакивают с образца на иглу, т.е. возникает так называемый туннельный ток (отсюда и название микроскопа).

Кто не понял вот картинка для пояснения:

Самое интересное в этом методе микроскопии, что с помощью туннельного тока можно двигать атомы, как бы притягивая их. Многие, наверняка слышали о том, как из атомов выложили название компании IBM, для этого использовался именно туннельный микроскоп:

Ну и вот еще несколько фигур тоже выложенных из атомов:

Главным недостатком туннельного микроскопа является требование по проводимости. Чтобы туннельный ток все же протекал, исследуемый образец должен обладать достаточно низким сопротивлением. Но даже в этом случае регистрируемые токи бубт на уровне 1 - 1000 пА (пикоАмпер).

Второй вид зондового микроскопа - атомно-силовой. В нем так же применяется острая игла, но устроена она несколько иначе. Зонд представляет собой небольшую «пирамидку» закрепленную на конце подвижной «балки» (консоли). Как-то так:

(кстати, изображение получено с помощью упомянутого в начале электронного микроскопа)

Эта игла так же подводится на очень малое расстояние к образцу, но в этом случае регистрируется не ток, а силы атомного взаимодействия. Дело в том, что любые атомы, в зависимости от расстояния между ними, либо отталкиваются (если расстояние порядка 1 - 1,5 атомов), либо притягиваются (если расстояние порядка 2 - 3 атомов, дальше силы атомного взаимодействия значительно слабеют). Такое взаимодействие изгибает консоль зонда (в атомно-силовой микроскопии он называется кантилевером). Величина изгиба фиксируется по отклонению падающего на кантилевер луча:

Как вы, наверняка, догадались, сканирующая зондовая микроскопия не дает реального изображения образца, а лишь интерпретацию сигнала с его поверхности. Это, безусловно, является недостатком метода, так как порой сигнал может в значительной степени искажаться от внешних влияний (тряска, статическое электричество и т.д.).

P.S. К сожалению мне сегодня не удалось ни попасть в лабораторию, ни найти руководителя или инженера, чтобы взять у них фотографии с электронного микроскопа. Хотя о нем было логичнее рассказывать в первую очередь, ведь именно с помощью такого микроскопа и были получены изображения в посте, указанном в начале.

Следующим постом я поделюсь с вами фотографиями сканирующего микроскопа, на котором работал сам и покажу изображения, которые получил с его помощью.

А вот с электронным микроскопом разберемся когда я смогу получить нужные фотки.