Подсказка для атомного-силового микроскопа
 Исследователи демонстрируют изображение поверхности, полученное при помощи новой методики. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В методике сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) для отображения поверхности используется взаимодействие острия с образцом, а точнее, туннельный ток, возникающий между проводящим зондом и исследуемой поверхностью. Туннельный ток является монотонной функцией расстояния между зондом и подложкой и резко увеличивается (уменьшается) при увеличении (уменьшении) этого расстояния. В традиционном приложении с помощью системы обратной связи туннельный ток в СТМ поддерживается постоянным, а острие движется вдоль образца на микроскопических пьезо-двигателях, как бы "вырисовывая" рельеф поверхности. Данные о перемещениях зонда поступают на компьютер, формирующий итоговую картинку.
Благодаря экспоненциальной зависимости тока от расстояния между зондом и подложкой даже с относительно крупным зондом можно получить картинку атомарного разрешения. Для этого достаточно, чтобы один единственный атом на конце острия "выдавался" в сторону подложки больше, чем другие (формировал своего рода микро-острие).
В отличие от СТМ, принцип действия атомно-силового микроскопа основан на другом типе взаимодействия, которое включает в себя как короткодействующую, так и длинно-действующую составляющие. Результирующая сила уже не является монотонной функцией от расстояния, таким образом, сканирование поверхности при помощи механизма обратной связи, оказывается более сложным (сложен именно процесс обратной связи). Кроме этого, дальнодействующая составляющая ухудшает пространственное разрешение прибора, ведь множество атомов на конце острия делают свой вклад в результирующую силу. Поэтому для применения в атомно-силовом микроскопе обычно производятся зонды намного меньшего размера, но пространственное разрешение картинки все равно не достигает возможностей СТМ.
К счастью, дальнодействующие силы обычно "работают" только в направлении, перпендикулярном поверхности, что открывает путь для всевозможных усовершенствований приборов. Так, например, исследователи из Academia Sinicas Surface и Nanoscience Laboratory (Тайвань) предложили во время получения изображения воспользоваться методикой торсионного резонанса (ТР). Согласно их работе, опубликованной в журнале Nanotechnology, торсионные колебания зонда определяются исключительно градиентом короткодействующих сил. Дальнодействующие (нормальные) силы не имеют никакого воздействия на подобные осцилляции. При этом характер колебания резко изменяется в тот момент, когда острие входит в контакт с исследуемой поверхностью, что позволяет зафиксировать так называемый "мягкий" контакт и далее поддерживать его при перемещении вдоль поверхности в одном и том же состоянии с помощью системы обратной связи, основанной на изменении частоты осцилляций. Таким образом, в момент контакта частота колебаний в атомно-силовом микроскопе показывает существенный скачок, т.е., фактически, ту же роль, что и туннельный ток в СТМ. К слову, торсионный резонанс в данной ситуации почти на два порядка превышает обычный резонанс "изгиба", что дает прибору гораздо более высокую чувствительность.
Разработанная методика особенно полезна в жидкости, где далеко не всегда возможно применение СТМ. Так в подтверждение своей работы группа исследователей продемонстрировала поверхность слюды в воде с атомарным разрешением при относительно некачественном острие (с точки зрения "классической" атомно-силовой микроскопии). Кроме того, с помощью разработанной методики можно получить четкие изображения весьма нетрадиционных для СТМ объектов, к примеру, биологических молекул.
Также по теме:
Источники: