9.3. Сканирующие зондовые методы исследования

Данная группа методов является наиболее широко используемой в области наноматериалов и нанотехнологий.

Основная идея всех методов данной группы заключается в исполь- зовании зонда – устройства считывания информации с поверхности ис- следуемого материала.

Все методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) основаны на одном принципе действия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. В результате приближения между образцом и зондом устанавливается физическое взаимодействие, силу которого можно измерить. Интенсивность измеряемого сигнала за- висит от расстояния зонд–образец, что используется для контроля дан- ного расстояния. Относительное перемещение зонда и образца (скани- рование) реализуется с помощью пьезокерамического сканера, который изменяет размеры под воздействием прикладываемого напряжения.

Основное отличие между различными разновидностями методов СЗМ (сканирующая туннельная микроскопия – СТМ, сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия, ближнепольная акустическая

291

микроскопия и т. д.) лежит в типе взаимодействия, который использует- ся для контроля расстояния зонд–образец.

Несмотря на то, что количество вариантов СЗМ достаточно много- численно, оно продолжает расти, что позволяет получать дополнитель- ную информацию не только топографическую, но и о поверхностных свойствах образцов.

В большинстве случаев в качестве рабочего тела зонда использует- ся алмазная игла с радиусом при вершине порядка 10 нм. С помощью высокоточного позиционирующего (сканирующего) механизма зонд пе- ремещают над поверхностью образца по трем координатам. Как прави- ло, имеется два диапазона перемещения зонда: грубое перемещение с относительно низкой точностью и высокой скоростью и точное пере- мещение с достаточно низкой скоростью и высокой точностью позици- онирования до 0,1–1 нм. Большая точность позиционирования обеспе- чивается, как правило, по высоте. Сигнал от зонда обрабатывается с по- мощью компьютера и преобразуется в трехмерное изображение. Для обработки снимаемых сигналов, их фильтрации и корректировки ис- пользуются специальные пакеты программ. Стоимость и размеры зон- довых микроскопов значительно ниже, чем у электронных, а возможно- сти вполне соизмеримы. Для ряда вариантов зондовой микроскопии наличие вакуума не требуется, материалы исследования могут быть са- мые разнообразные, в том числе изоляторы, полупроводники, биологи- ческие объекты. При этом исследования могут проводиться без суще- ственного повреждения объекта и с достаточно простой подготовкой его поверхности (например, только полировка отдельного участка).

Достоинства метода сканирующей микроскопии: сверхвысокое разрешение (атомного порядка, 10

-2 нм); возможность размещать обра-

зец не в вакууме (как в электронных микроскопах), а в обычной воз- душной среде при атмосферном давлении, в атмосфере инертного газа и даже в жидкости, что особенно важно для изучения гелеобразных и макромолекулярных структур (белков, ДНК, РНК, вирусов).

По принципу синтеза изображений (с помощью электронных ска- нирующих систем) и диапазону объектов анализа метод сканирующей микроскопии тесно связан с электронной микроскопией.