Microscopios de sonda de barrido (SPM, ing. SPM - microscopio de sonda de barrido ) - una clase de microscopios para obtener una imagen de la superficie y sus características locales. El proceso de formación de imágenes se basa en escanear la superficie con una sonda . En el caso general, permite obtener una imagen tridimensional de la superficie (topografía) con alta resolución. El microscopio de sonda de barrido en su forma moderna fue inventado (los principios de esta clase de dispositivos fueron establecidos anteriormente por otros investigadores) por Gerd Karl Binnig y Heinrich Rohrer en 1981. Por este invento les concedieron el Premio Nobel de Física en 1986 , que se repartió entre ellos y el inventor.microscopio electrónico de transmisión E. Ruska . Una característica distintiva del SPM es la presencia de:
El sistema de registro fija el valor de la función que depende de la distancia sonda-muestra. Normalmente, el valor registrado es procesado por un sistema de retroalimentación negativa que controla la posición de la muestra o sonda a lo largo de una de las coordenadas (Z). El sistema de retroalimentación más utilizado es el controlador PID .
Principales tipos de microscopios de sonda de barrido:
El funcionamiento de un microscopio de sonda de barrido se basa en la interacción de la superficie de la muestra con una sonda ( cantilever , aguja o sonda óptica). A una pequeña distancia entre la superficie y la sonda, la acción de las fuerzas de interacción (repulsión, atracción y otras fuerzas) y la manifestación de varios efectos (por ejemplo, efecto túnel de electrones) se pueden registrar utilizando herramientas de registro modernas. Para el registro, se utilizan varios tipos de sensores, cuya sensibilidad permite detectar pequeñas perturbaciones. Para obtener una imagen de trama completa, se utilizan varios dispositivos de escaneo a lo largo de los ejes X e Y (por ejemplo, piezotubos, escáneres plano-paralelos).
Las principales dificultades técnicas en la creación de un microscopio de sonda de barrido:
Actualmente, en la mayoría de los laboratorios de investigación, la sonda de barrido y la microscopía electrónica se utilizan como métodos de investigación que se complementan entre sí debido a una serie de características físicas y técnicas.
En comparación con un microscopio electrónico de barrido (SEM), un microscopio de sonda de barrido tiene una serie de ventajas. Entonces, a diferencia de SEM, que brinda una imagen pseudo tridimensional de la superficie de la muestra, SPM le permite obtener una verdadera topografía de superficie tridimensional. Además, en el caso general, un microscopio de sonda de barrido permite obtener una imagen de una superficie tanto conductora como no conductora, mientras que para estudiar objetos no conductores mediante SEM es necesario metalizar la superficie. La operación SEM requiere vacío, mientras que la mayoría de los modos SPM están destinados a estudios en aire, vacío y líquido. Debido a esto, con la ayuda de SPM es posible estudiar materiales y objetos biológicos en condiciones normales para estos objetos. Por ejemplo, el estudio de biomacromoléculas y sus interacciones, células vivas. En principio, el SPM es capaz de proporcionar una resolución más alta que el SEM. Así, se demostró que el SPM es capaz de proporcionar una resolución atómica real en condiciones de ultra alto vacío en ausencia de vibraciones. La resolución de un SPM de ultra alto vacío es comparable a la de un microscopio electrónico de transmisión.
La desventaja de SPM en comparación con SEM es también el pequeño tamaño del campo de escaneo. El SEM es capaz de escanear una superficie de unos pocos milímetros en el plano lateral con una diferencia de altura de unos pocos milímetros en el plano vertical. Para los SPM, la diferencia de altura máxima es de varios micrómetros, generalmente no más de 25 micrones, y el campo de escaneo máximo, en el mejor de los casos, es de aproximadamente 150 × 150 micrómetros. Otro problema es que la calidad de la imagen está determinada por el radio de curvatura de la punta de la sonda, que, si la sonda se selecciona incorrectamente o se daña, produce artefactos en la imagen resultante. Al mismo tiempo, la preparación de muestras para SPM lleva menos tiempo que para SEM.
SPM convencional no puede escanear la superficie tan rápido como lo hace SEM. Toma de varios minutos a varias horas obtener una imagen SPM, mientras que un SEM después del bombeo es capaz de operar casi en tiempo real, aunque con una calidad relativamente baja. Debido a la baja velocidad de barrido del SPM, las imágenes resultantes están distorsionadas por la deriva térmica [1] [2] [3] , lo que reduce la precisión de la medición de los elementos del relieve escaneado. Para aumentar la velocidad del SPM, se han propuesto varios diseños [4] [5] , entre los que se puede destacar un microscopio de sonda llamado video AFM. Video AFM proporciona una calidad satisfactoria de imágenes de superficie a una frecuencia de barrido de televisión, que es incluso más rápida que SEM convencional. Sin embargo, el uso de VideoAFM es limitado, ya que funciona solo en modo de contacto y en muestras con una diferencia de altura relativamente pequeña. Se han propuesto varios métodos para corregir las distorsiones introducidas por la deriva térmica. [1] [2] [3]
La no linealidad, la histéresis [6] y el deslizamiento (creep) de las piezocerámicas del escáner también son las causas de las fuertes distorsiones de las imágenes SPM. Además, parte de la distorsión ocurre debido a las conexiones parásitas mutuas que actúan entre los manipuladores X, Y, Z del escáner. Para corregir distorsiones en tiempo real, los SPM modernos utilizan software (por ejemplo, escaneo orientado a funciones [1] [7] ) o escáneres equipados con sistemas de seguimiento cerrados, que incluyen sensores de posición lineal. Algunos SPM utilizan elementos XY y Z, que están desconectados mecánicamente entre sí, en lugar de un escáner de piezotubos, lo que permite eliminar algunas de las conexiones parásitas. Sin embargo, en ciertos casos, por ejemplo, cuando se combinan con un microscopio electrónico o ultramicrótomos , el uso de escáneres de piezotubos está estructuralmente justificado.
Como regla general, la imagen tomada en un microscopio de sonda de barrido es difícil de descifrar debido a las distorsiones inherentes a este método. Casi siempre, los resultados del escaneo inicial se someten a un procesamiento matemático. Para ello se utiliza un software suministrado directamente con el SPM. También hay software distribuido bajo la licencia GNU . Por ejemplo, Gwyddion [8]
Actualmente, los microscopios de sonda de barrido han encontrado aplicación en casi todas las áreas de la ciencia. En física, química, biología, el SPM se utiliza como herramienta de investigación. En particular, ciencias interdisciplinarias como ciencia de materiales , bioquímica , productos farmacéuticos , nanotecnología , física y química de superficies, electroquímica , investigación de corrosión , electrónica (como MEMS ), fotoquímica y muchas otras. Una dirección prometedora es la combinación de microscopios de sonda de barrido con otros métodos de investigación tradicionales y modernos, así como la creación de dispositivos fundamentalmente nuevos. Por ejemplo, combinar SPM con microscopios ópticos (microscopios tradicionales y confocales ) [9] [10] [11] , microscopios electrónicos [12] , espectrómetros (por ejemplo, espectrómetros de dispersión Raman (Raman) y fluorescencia ) [13] [14] [15] , ultramicrótomos [16] .
Instituto de Nanotecnología del Fondo Internacional de Conversión. [17] es una empresa científica y técnica rusa sin fines de lucro que trabaja en el campo de la creación de equipos de laboratorio nanotecnológicos desde 1996. Entre los equipos que se están produciendo actualmente se encuentra el complejo nanotecnológico Umka. [18] basado en un microscopio de túnel de barrido (STM), que permite estudiar tanto materiales conductores como débilmente conductores. El complejo también incluye una instalación para el afilado de sondas STM [19] .
AIST-NT LLC es una empresa rusa establecida en Zelenograd en 2007 por un grupo de desarrolladores que abandonaron NT-MDT CJSC. Dedicado a la producción de microscopios de sonda de barrido. [20] La empresa actualmente fabrica 2 únicos instrumento, así como accesorios y consumibles para SPM.
Nano Scan Technology LLC es una empresa fundada en Dolgoprudny en 2007. Se especializa en el desarrollo y producción de microscopios de sonda de barrido y complejos basados en ellos para la investigación científica y la educación. [21] En la actualidad, la empresa ha desarrollado y fabrica 2 modelos de microscopios de sonda de exploración de clase de investigación y 4 complejos de investigación basados en SPM. Los complejos de investigación producidos por esta empresa incluyen SPM, equipos ópticos y espectrales para estudios complejos de las propiedades de los objetos de estudio.
NT-SPb LLC es una empresa establecida en San Petersburgo sobre la base del Laboratorio de Microscopía de Sonda del Instituto de Instrumentación Analítica de la Academia Rusa de Ciencias y desde 2003 ha estado operando en el mercado de equipos nanotecnológicos y actualmente es residente de el Tecnoparque de la Universidad ITMO . El microscopio de sonda educativo propuesto y producido por NT-SPb ha ganado gran popularidad en Rusia y en el extranjero. La empresa se dedica a la producción de microscopios de sonda de barrido, así como a actividades educativas en escuelas, universidades y parques tecnológicos. La empresa actualmente ofrece:
Una empresa que fabrica equipos de investigación científica, incluido un modelo de microscopio de sonda de barrido. [22]
NT-MDT CJSC es una empresa rusa establecida en Zelenograd en 1989. Dedicado a la producción de microscopios de sonda de barrido para la educación, la investigación científica y la producción a pequeña escala. [23] Actualmente, la empresa produce 4 líneas de modelos, así como una amplia gama de accesorios y consumibles: voladizos , rejillas de calibración, muestras de prueba.
LLC NPP " Centro de Tecnologías Avanzadas " es una empresa rusa que opera en el campo de la nanotecnología. Creada en 1990. Se especializa en la producción de microscopios de sonda de barrido FemtoScan, pesas atómicas y accesorios, así como en el desarrollo de software. [24] Es la primera empresa en ofrecer un paquete de software para controlar un microscopio de sonda de exploración a través de Internet.
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