Диссертация (1102344), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Острие таких зондов имеет размеры порядка несколькихнанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностьюсоставляет 0,1-10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежатразличные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Зонд изготавливаетсятаким образом, чтобы он был чувствителен к определенному видувзаимодействий [38].Системанаправленияхперемещенийвовремязондаотносительносканированияобразцаосуществляетсясвтрехпомощьюпьезокерамического сканера, работа которого основана на обратномпьезоэффекте.29Обратныйпьезоэффектзаключаетсявизмененииразмеровпьезокристалла при изменении внешнего электрического поля. Уравнениеобратного пьезоэффекта для кристаллов записывается в виде:U ij  d ijk E k ,(1.11)Рисунок 1.1 Функциональная схема работы сканирующего зондового микроскопагде U ij - тензор деформаций, Ek - компоненты электрического поля, d ijk- компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов.

Вид тензорапьезоэлектрическихкоэффициентовопределяетсятипомсимметриикристалла. В конструкции сканеров для СЗМ используется пьезокерамика,представляющая собой поляризованный поликристаллический материал. Видтензора пьезоэлектрических констант существенно упрощается – отличнымиот нуля остаются только три коэффициента. Пьезокерамические сканерыпозволяют осуществлять перемещения со сверхвысокой точностью (до сотыхдолей ангстрема) [39].Несмотря на ряд технологических преимуществ перед кристаллами,пьезокерамикаобладаетнекоторыминедостатками,влияющими на работу сканирующих элементов:30отрицательнонелинейностьпьезокерамики(обычноприбольшихуправляющих полях);крип пьезокерамики (запаздывание реакции на изменениевеличины управляющего электрического поля);гистерезис пьезокерамики (неоднозначность зависимостиудлинения от направления изменения электрического поля) [40].Эти эффекты могут приводить к геометрическимискажениямполучаемых изображений и к ухудшению точности позиционирования зонда.Исключение влияния данных эффектов производится с использованиемаппаратных и программных средств.В процессе сканирования зонд может находиться над участкамиповерхности, имеющими различные физические свойства или имеющимиразность высот, в результате чего величина и характер взаимодействия зондаи образца будут изменяться.

Пусть взаимодействие зонда с поверхностьюхарактеризуется параметром A. Если существует достаточно резкая ивзаимно однозначная зависимость параметра A от расстояния зонд-образец,то данный параметр может быть использован для организации системыобратной связи, контролирующей расстояние между зондом и образцом. ДляэтогосистемаобратнойсвязиподдерживаетзначениепараметраAпостоянным, равным значению A0, задаваемому вручную. При изменениирасстояния зонд-образец происходит изменение параметра A. В системеобратнойсвязиформируетсяразностныйсигнал,пропорциональныйвеличине ΔA=A-A0, который подается на систему перемещения.

Системаперемещения обрабатывает разностный сигнал, изменяя расстояние зондобразец [40]. Также система перемещения осуществляет перемещениесканера по осям Х и Y. Получаемое изображение поверхности строится наоснове разностного сигнала с обратной связи в каждой сканируемой точке.Существует также второй метод сканирования с отключенной обратнойсвязью. Зонд перемещается над поверхностью образца на постоянной высоте.31В каждой точке измеряется интенсивность рабочего взаимодействия, наоснове чего строится топографическое изображение поверхности [41].1.4.2 Атомно-силовая микроскопияВ основе работы атомно-силового микроскопа (АСМ) лежит силовоевзаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которогоиспользуются специальные зонды (кантилеверы), представляющие собойупругуюконсольизготавливаетсясизостройкремнияиглойилинаконце.нитридаКантилеверкремнияобычно(Si3N4).Радиусзакругления острия составляет от нескольких десятков нанометров до долейнанометра.

При приближении зонда к поверхности сканируемого образца назонд начинают действовать различные силы, приводящие к изгибу консоли.На малых расстояниях взаимодействия атомов и молекул зонда иобразца можно приближенно описать формулой Леннарда-Джонса:U (r ) A B .r 12 r 6(1.11)Здесь A и B - константы, зависящие от материалов, из которых состоитзонд и образец, r - расстояние между образцом и зондом. Первый член впотенциале Леннарда-Джонса отвечает за отталкивание, которое появляетсяна малых расстояниях.

Второй член отвечает за притяжение зонда и образцаиизвестенкаксилаВан-дер-Ваальса,возникающаякакрезультатвзаимодействия между диполями на зонде и образце. Также на зонддействует капиллярная сила, которая возникает из-за наличия тонкого слояводы на поверхности образца, когда сканирование производится в обычнойвоздушной среде. Образуемый мениск между зондом и образцом приводит квозникновению дополнительной силы притяжения между контактнымиповерхностями. Сила упругости, действующая на зонд, может бытьнаправлена к образцу или от образца (прямой и обратный изгиб кантилеверасоответственно, см.

Рисунок 1.2 а и б) [42]. В горизонтальном направлении32при перемещении на зонд действуют латеральные силы, например – силатрения [43].Рисунок 1.2 Силы, действующие на кантилевер, а – прямой контакт, б – обратный изгиб кантилевера.Fкап. – капиллярная сила, FВ-д-В. – сила Ван-дер-Ваальса, Fупр. – сила упругости, N – сила реакциисо стороны поверхности, Fтр. – сила тренияОписанные выше силы приводят консоль к изгибу. Зная изгиб консоли,можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Длярегистрации изгиба консоли наиболее часто применяется оптический метод(Рисунок 1.3). В таких системах, луч лазера отражается от обратной стороныконсоли кантилевера (которые часто покрыты тонким металлическим слоемдля лучшего отражения) и попадает в фотодетектор, состоящий из четырехфотодиодов.

Небольшой изгиб консоли смещает положение отраженноголуча в фотодетекторе, что немедленно изменяет разностный ток междусекциями фотодиода ΔIz=(A+B)-(C+D). Разностный сигнал также возникаетпри изгибе кантилевера под действием латеральных сил (A+C)-(B+D) (силатрения). Обычно расстояние между кантилевером и детектором на трипорядка больше размера консоли кантилевера, поэтому данная системаобладает большой чувствительностью [44].Величина ΔIz используется в качестве входного параметра в цепиобратной связи атомно-силового микроскопа. Система обратной связиобеспечивает ΔIz=const с помощью пьезосканера, который поддерживает33изгиб консоли ΔZпостоянным. При таком сканировании напряжение на Zэлектродезаписываетсявпамятькомпьютеравкачестверельефаповерхности.Рисунок 1.3 Устройство атомно-силового микроскопаТакже существует режим постоянной высоты, при котором обратнаясвязь отключается и при перемещении зонда относительно образцаизображение строится на основе изменения силы упругости, действующей наконсоль.1.4.3 Особенности зондовой микроскопии белковБелок – один из самых сложных объектов для визуализации зондовоймикроскопией.

Это вызвано рядом его свойств: малые размеры, высокаяконформационнаяподвижность,высокаяреакционнаяспособность,заряженность в растворе, мягкость. Многие белки в растворе образуютолигомеры, поэтому выделить отдельный белок бывает довольно трудно. Какправило, белки не проводят электрический ток, поэтому их изображенияможно получать только с помощью атомно-силовой микроскопии.Для получения качественного изображения белка следует сканироватьв особом режиме, резонансной моде, в котором зонд в состоянии резонансасовершаетвертикальныеколебания34надповерхностью.Эторежимпрерывистогоконтакта,когдазонд,совершаяколебания,касаетсяисследуемой поверхности только в нижней точке. При контакте зонда споверхностьюменяетсявеличинаотклонениязондаотположенияравновесия, что может быть зафиксировано лазером.

Такой режимсканированияпозволяетполучатьизображенияобъектов,некрепкодержащихся на поверхности. Однако, из-за большой мягкости белков,вертикальные размеры их изображения меньше, чем в действительности,вследствие приминания зондом [45].Уменьшение силы воздействия наобразец со стороны зондадостигается при наблюдении в жидкости. Погружение зонда в жидкостьимеет ряд преимуществ. Происходит уменьшение сил Ван-дер-Ваальса,исчезают капиллярные силы, вносящие основной вклад во взаимодействиезонд-образец в воздушной среде.

Характеристики

Список файлов диссертации