SPM
SPMSPM (ang. Scanning Probe Microscope – mikroskop ze skanującą sondą) to ogólna nazwa całej rodziny
mikroskopów
, których zasada działania polega na: - skanowaniu, czyli przemiataniu pola widzenia mikroskopu liniami, każda linia jest następnie mierzona punkt po punkcie – obraz tworzony na podstawie tych pojedynczych punktów pomiarowych
- wybór punktu pomiarowego następuje poprzez poruszanie nad próbką sondy (próbnika) – zasadniczy pomiar określonej właściwości badanej próbki jest dokonywany za pomocą tej sondy.
Skanowanie z reguły realizowane jest za pomocą tzw. skanera lub skanerów
piezoelektrycznych
skonstruowanych najczęściej w ten sposób, że próbka może poruszać się względem głowicy mikroskopu z sondą (lub głowica względem próbki) w 3 wymiarach. Poruszanie poziome zapewnia wybór kolejnych linii obrazu (współrzędna y) oraz skanowanie linii (kolejne punkty – współrzędna x). Skaner pionowy – z reguły o większej
rozdzielczości
– zapewnia uzyskiwanie zmiany pionowego położenia sondy względem próbki (współrzędna z). Odmiany SPMW zależności od: - sposobu realizacji pomiaru,
- rodzaju mierzonej właściwości,
- środowiska pomiaru,
wyróżnia się szereg odmian SPM (brakuje literatury polskiej stąd są częste problemy z terminologią): -
Skaningowy mikroskop tunelowy
(
en:Scanning Tunneling Microscope
, STM, historycznie pierwszy SPM) – pomiar przepływu prądu elektrycznego pomiędzy metalową sondą a przewodzącą próbką; zasadniczo pomiar odbywa się w próżni
-
Mikroskop sił atomowych
, skaningowy mikroskop atomowy (
en:Atomic Force Microscope
,
AFM
) – pomiar odchylenia miniaturowej "sprężynki"-ramienia (ang.
en:cantilever
) z umocowaną sondą (ang.
en:cantilever tip
, odbicie promienia lasera od końcówki sondy – wykrywany ruch góra-dół) w wyniku kontaktu z powierzchnią lub oddziaływania van der Waalsa itp.; wersja podstawowa nazywana jest TAFM (topograficzny AFM); pomiar odbywa się na wolnym powietrzu (może być próżnia), można wykonywać pomiary w roztworach lub środowisku agresywnych gazów, także w podwyższonych temperaturach, również w trakcie przebiegających reakcji chemicznych
- Mikroskop sił bocznych (
en:Lateral Force Microscope
, LFM) – reaguje na
siły van der Waalsa
itp. ale także na
lepkość
powierzchni (czteropolowy czujnik światła
lasera
– ruch góra-dół i prawo-lewo)
- Mikroskop siły tarcia (
en:Friction Force Microscope
, FFM) – zbliżony do LFM
- Skaningowy mikroskop fazowy (
en:Phase Detection Microscope
,
PDM
, pozwala odróżniać powierzchnie
elastyczne
i nieelastyczne poprzez wykrywanie
przesunięcia fazowego
pomiędzy impulsem wymuszającym a odpowiedzią układu)
- (
en:Force Modulation Microscope
, FFM, podobnie jak PDM)
- Mikroskop siły elektrostatycznej (
en:Electrostatic Force Microscope
) – pomiar
ładunku
/
potencjału
powierzchni próbki (np. badanie
układów scalonych
w trakcie ich działania)
-
Mikroskop sił magnetycznych
(
en:Magnetic Force Microscope
,
MFM
) – wykrywanie
domen magnetycznych
i ich
namagnesowania
(np. badanie powierzchni
dysków
komputerowych)
- Skaningowy mikroskop termiczny (
en:Thermal Scanning Microscope
, TSM, określa temperaturę i
przewodnosc cieplną
próbki dzięki użyciu ramienia sondy zbudowanego z dwu warstw różniących się
rozszerzalnością cieplną
– na tej samej zasadzie co
bimetal
w żelazku)
-
Skaningowy mikroskop pojemnościowy
(
en:Capacitance Scanning Microscope
,
CSM
, określa
pojemność elektryczną
układu próbka-próbnik – stąd można wyznaczyć
przenikalność elektryczną
próbki)
- Środowiskowy AFM (
en:Environmental AFM
, praca w cieczy – ang. Liquid Cell AFM, LC AFM – lub kontrolowanej atmosferze i temperaturze – nawet do kilkuset °C)
- Elektrochemiczny AFM (Skaningowy Mikroskop Elektrochemiczny,
en:Electrochemical AFM
, ECAFM, równolegle z pomiarem AFM w cieczy można wykonywać pomiar potencjału elektrycznego, pH itp.)
- Mikroskop optyczny bliskiego pola (
en:Near-field Scanning Optical Microscope
, NSOM lub
en:Scanning Near-field Optical Microscope
, SNOM) – pomiar intensywności światła przechodzącego przez próbkę lub odbitego od niej – źródłem światła jest odpowiednio uformowany tzw. lejek świetlny (ang. light funnel), czyli próbnik pełniący rolę światłowodu – dzięki odpowiedniej budowie uzyskuje się ok. 10-krotne zwiększenie rozdzielczości w porównaniu z możliwą do uzyskania w klasycznych mikroskopach optycznych (zamiast 500
nm
rzędu 50 nm) – funkcję skanowania obrazu (x-y-z) wykonuje standardowy układ sterowania mikroskopu AFM. Zaletą takiego mikroskopu jest uzyskiwanie takich samych obrazów kolorowych jak to jest w przypadku mikroskopu optycznego, ale o większej rozdzielczości – w przypadku innych rodzajów mikroskopów SPM, a także
mikroskopów elektronowych
SEM
(
en:Scanning Electron Microscope
) i
TEM
(
en:Transmission Electron Microscope
), barwy są czysto umowne.
Tryby działania SPMMikroskopy SPM działają w kilku podstawowych trybach: - tryb stałej siły (ang. Constant Force Mode, lub stałego sygnału dowolnego typu) – układ ujemnego
sprzężenia zwrotnego
wbudowany w urządzenie sterujące (ang. controller) zapewnia bardzo dużą szybkość działania bez dodatkowej ingerencji sterującego pomiarem komputera i oprogramowania – informacja uzyskana układu sterowania pozwala na zrekonstruowanie obrazu
- tryb stałej wysokości (ang. Constant Height Mode) – pomiar dokonywany jest przez skanowanie bez zmiany wysokości, a obraz jest konstruowany dzięki interpretacji zmiennego sygnału
- tryb kontaktowy (ang. Contact Mode, np. CM AFM, z wyjątkiem mikroskopu STM i innych gdzie pomiar jest wykonywany przez pomiar prądu lub potencjału elektrycznego – sonda jest prowadzona przy dużym nacisku na próbkę – tylko dla twardych powierzchni, może być niszczący
- tryb bez kontaktu (ang. Non-Contact Mode, np. NC AFM) nadaje się do dowolnych próbek
- tryb z przerywanym kontaktem (ang. Intermittent Contact Mode, np. IC AFM; Tapping Mode, TM AFM) – próbnik w każdym punkcie obrazu jest najpierw odsuwany daleko od próbki a następnie zbliżany – wymaga długich i ostrych próbników, może być stosowany do powierzchni o bardzo zróżnicowanej
topografii
i dużych różnicach wysokości pomiędzy sąsiednimi punktami próbki.
- tryb pomiaru krzywej siła-odległość (ang. Force-Curve Mode) – zamiast pomiaru obrazu wykonuje się badanie zależności siły (w AFM; innego sygnału w innych wersjach) od odległości próbnika od próbki – wykorzystuje się to w celu badania fizykochemicznych właściwości próbek lub określonych układów.
- tzw. Spektroskopia Skaningowa (tunelowa, atomowa itd.) – zamiast pojedynczej (lub kilku) wartości mierzonej w każdym punkcie próbki, mierzy się całą serię wartości (z reguły kilkadziesiąt) w pewnym zakresie odległości od próbki (jak powyżej w trybie pomiaru krzywej siła-odległość). Najczęściej pomiary można wykonywać na standardowych mikroskopach, wymagane jest jednak odpowiednie oprogramowanie sterujące i analizujące obraz
Mikroskopy AFM wykorzystuje się również często do badań in-situ (łac.) – np. do bezpośredniej obserwacji procesu formowania cząstek koloidalnych w roztworze. Analiza obrazu SPM Czynniki wpływające na tworzenie obrazuPodstawową rzeczą przy stosowaniu mikroskopów SPM jest interpretacja danych otrzymywanych bezpośrednio z aparatury – należy pamiętać o tym, że bezpośrednio zbierane dane nie mają charakteru współrzędnych (x, y, z) punktów obrazu – nawet w przypadku położenia poziomego (x, y). Jest wiele czynników, które wpływają na obserwowane wartości, spośród których najważniejsze to: - skończony rozmiar poprzeczny próbników SPM (w dodatku rosnący wraz z odległością do próbki) oraz możliwość "sondowania" jedynie pod pewnymi określonymi kątami – nie można "zaglądnąć" we wszystkie miejsca próbki: wąskie szczeliny, obszary pomiędzy blisko położonymi obszarami o znacznej wysokości względem płaszczyzny próbki, a szczególnie np. "pod" lub "między" cząstki umieszczone na powierzchni – można obserwować jedynie ich górne części.
- niedoskonałość budowy i kształtu próbnika (sondy) SPM – niezgodność kształtu z założeniami nowego próbnika (inny kształt geometryczny, czasami kilka wierzchołków zamiast jednego) a także jego zużywanie się (erozja, odłamywanie) i kontaminacja (zanieczyszczanie) w trakcie pracy mikroskopu
- w przypadku próbek o dużych różnicach wysokości pomiędzy bliskimi punktami próbek (ang.
en:high aspect ratio
): ze względu na zasięg sił stosowanych w pomiarach sąsiednie punkty próbki często wpływają na obraz silniej niż miejsce nad którym próbnik się znajduje
- w przypadku pomiarów, które nie są prowadzone w wysokiej próżni (ang.
en:UHV
), obecność pary wodnej powoduje formowanie menisku wody, którym może silnie wpływać na wynik pomiaru
-
nieliniowość
i
histereza
skanerów piezoelektrycznych (pozycjonowanie próbka-próbnik)
- szumy oraz zewnętrzne drgania
ArtefaktyTe wszystkie czynniki wpływają na to, że na obrazach SPM pojawiają się tzw.
artefakty
(
en:artifact
) czyli obiekty, które w rzeczywistości nie istnieją, fragmenty obrazu które "wyglądają" (nie koniecznie w sensie optycznym!) w rzeczywistości inaczej. Najłatwiejsze do zaobserwowania artefakty to np. sferyczne cząstki koloidalne osadzone na gładkim podłożu (np.
mice
) wyglądające jak zaokrąglone i pochylone piramidki. Kształt tych "piramidek" jest wynikiem połączenia w obrazie cech powierzchni (kulista górna część cząstek koloidu "unosząca się" nad płaską powierzchnią podłoża) oraz cech próbnika (typowo: odwrócona piramida z zaokrąglonym czubkiem) – krzywizna zaokrąglonej części zaobserwowanej "piramidki" ma wówczas promień krzywizny równy sumie promieni krzywizny cząstki koloidu i czubka próbnika (ang.
en:cantilever tip
). Dolna część pochylonych "piramidek" odzwierciedla zasadniczą cechę budowy typowego próbnika (odwrócona i lekko pochylona piramida) oraz zaokrąglenie wynikające z kulistego kształtu cząstki koloidu. Jak można rozpoznać tego typu artefakty związane z kształtem próbnika? W przypadku gdy wszystkie obiekty na obrazie wyglądają na w jakiś sposób zdeformowane, ale deformacja ma dokładnie ten sam charakter – np. "piramidki" są identycznie zorientowane (np. pochylenie i krawędzie zawsze pod tym samym kątem). Podobnie jest z np. obserwowaniem "podwójnych" obrazów – jest to wynik defektu próbnika posiadającego podwójny "szczyt" – w wyniku błędnego wykonania, pęknięcia lub kontaminacji. Dość często przy dużych stromych obiektach na płaskiej powierzchni obserwuje się (wszędzie takie same) zagłębienia – mogą one być związane z histerezą skanera piezoelektrycznego lub boczną deformacją ramienia próbnika spowodowaną bocznym oddziaływaniem próbnika z obiektem. Korekta obrazuAby rozwiązać te i inne problemy stosuje się wiele metod: - usuwanie szumów poprzez wygładzanie – np. gaussowskie,
FFT
, falki (
en:wavelets
), korekta przesuniętych linii skanowania)
- korekta kształtu obrazu uwzględniająca nieliniowość i histerezę skanerów
- znając w miarę dokładny kształt próbnika można przeprowadzić częściową rekonstrukcję powierzchni próbki (przy uwzględnieniu ograniczeń związanych z samą metodą), poprzez tzw. dokonwolucję (ang.
en:deconvolution
)
- kalibracja próbnika (sondy) za pomocą tego samego SPM pozwala uwzględnić różnice w porównaniu do założonego kształtu i ustawienia oraz kontaminację – stosując znaną próbkę (np. siatka dyfrakcyjna, specjalnie trawione płytki kalibracyjne, kuliste cząstki koloidalne na gładkiej powierzchni) wykonuje się obraz SPM, a potem poprzez porównanie otrzymanego obrazu z (w przybliżeniu) rzeczywistym wyglądem próbki dokonuje się rekonstrukcji kształtu próbnika
- kalibracja próbnika na podstawie obrazu z mikroskopu elektronowego (możliwa jedynie po pomiarze) – próbnika nie da się już wykorzystać, nie można zaobserwować różnic w ustawieniu próbnika w stosunku do założonego, nie można monitorować zużywania próbnika ani jego kontaminacji
- dość często łączy się kilka trybów lub kilka pomiarów w tym samym trybie działania mikroskopów AFM w celu uzyskania dodatkowych informacji – np. co najmniej dwukrotny pomiar w mikroskopie MFM przeprowadzony na różnych wysokościach nad próbką umożliwia rozdzielenie informacji o topografii próbki (góry/doliny) od informacji na temat jej budowy magnetycznej: oddziaływanie magnetyczna maleje z odległością dużo słabiej niż siły van der Waalsa – znając charakter zmienności obu sił od odległości możemy poprzez rozwiązanie prostego
układu równań
otrzymać obie informacje.
- tworzenie menisku wody ma niewielki wpływ na obraz mierzony w trybie kontaktowym
Linki zewnętrzne
Zastosowanie w nanotechnologii
Inne hasła zawierające informacje o "SPM":
Skaningowy mikroskop tunelowy
...
Mikroskop sił atomowych
...
ISO 3166-1
Peru
PFPYF258ISO 3166-2:PF
Polinezja Francuska
PGPNG598ISO 3166-2:PG
Papua-Nowa Gwinea
PHPHL608ISO 3166-2:PH
Filipiny
PKPAK586ISO 3166-2:PK
Pakistan
PLPOL616
ISO 3166-2:PL
Polska
PMSPM666ISO 3166-2:PM
Saint-Pierre i Miquelon
PNPCN612ISO 3166-2:PN
Pitcairn
PRPRI630ISO 3166-2:PR
Portoryko
PSPSE275ISO 3166-2:PS
Palestyna
PTPRT620ISO 3166-2:PT
...
Mikroskop elektronowy
...
Kategoria:Urządzenia elektroniczne
...
Kategoria:Narzędzia fizyki
...
Kategoria:Mikroskopy
...
Mikroskopia sił elektrostatycznych
...
Mikroskop sił tarcia
...
SPM
SPM (ang. Scanning Probe Microscope – mikroskop ze skanującą sondą) to ogólna ...
Inne lekcje zawierające informacje o "SPM":
Hasło nie występuje w innych lekcjach!
|