Промышленная резка бетона: rezkabetona.su
На главную  История 

Автоэмиссионные микроскопы

Более юное и перспективное направление в исследовании параметров поверхности — сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение — менее 0,1 нм. Они измеряют взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим остриём — зондом — и выводят трёхмерное изображение на экран компьютера. Способы зондовои микроскопии позволяют не только созидать атомы и молекулы, однако и повлиять на них. При всем этом — что в особенности важно — объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что традиционно для электронных микроскопов), однако и в различных газах и жидкостях. 1-ый зондовый микроскоп — сканирующий туннельный микроскоп — изобрели в 1981 г. сотрудники Исследовательского центра компании IBM Г. Бинниг и X. Рорер (США). Они попытались сконструировать устройство для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Результаты превзошли самые смелые ожидания: учёным удалось узреть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет около 1 нм. За изобретение туннельного микроскопа Бинниг и Рорер в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии. В базе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом. Тонкое металлическое остриё — зонд (заряжен отрицательно) — подводится на близкое расстояние к эталону, тоже железному (заряжен положительно). Когда промежуток составит всего несколько межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него — «туннелировать»: через зазор потечёт ток. Для работы микроскопа решающее значение имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния меж остриём и поверхностью эталона. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастёт примерно в 10 раз. Следовательно, даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока. Для получения изображения зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока, и как только величина изменяется, остриё опускается либо поднимается. Таким образом система поддерживает величину тока неизменной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления. Остриё перемещает пъезосканер — манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Обычно он имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется либо изгибается, перемещая зонд по различным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра. Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Для наглядности участки разной высоты покрашены в разные цвета .

 

помощью туннельного микроскопа, к примеру, нашли, что атомы на поверхности кристалла размещены не так, как внутри, и частенько образуют сложные структуры. В туннельный микроскоп можно учить лишь проводящие ток объекты. Но в него бывают «видны» и тонкие диэлектрики (в виде плёнки), если их поместить на поверхность проводящего материала. Невзирая на то что этот эффект ещё не нашёл полного объяснения, его с успехом используют для исследования почти всех органических плёнок и биологических объектов — белков, вирусов. При помощи иглы микроскопа даже наносят картинки на металлические пластинки, используя в качестве «пишущего» материала отдельные атомы — их осаждают на поверхность либо убирают с неё. Так, в 1991 г. сотрудники фирмы IBM написали атомами ксенона (инертного газа) на поверхности никелевой пластинки заглавие своей компании — IBM. Букву I составили всего 9 атомов, а буквы В и М — 13 атомов каждую. В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Вообщем, даже у просто срезанной под углом 30—60° проволоки один из атомов всегда оказывается ближе остальных к исследуемой поверхности и играет роль острия. Если же на конце иглы случаем оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться, и тогда иглу травят в кислоте, придавая ей подходящую форму. Следующим шагом в развитии сканирующей зондовой микроскопии стало создание атомно-силового микроскопа. Его изобрели в 1986 г. Бинниг, Квейт и Гербер. Если в туннельном микроскопе решающую роль играет резкая зависимость туннельного тока от расстояния меж зондом и прототипом, то для атомно-силового микроскопа такое же значение имеет зависимость силы взаимодействия тел от расстояния между ними. Зондом атомно-силового микроскопа служит маленькая упругая пластинка — кантилевер. Один её конец закреплён, а на другом сформировано зондирующее остриё из твёрдого материала — кремния либо нитрида кремния. При перемещении зонда силы взаимодействия меж его атомами и неровной поверхностью эталона будут изгибать пластину. Если перемещать зонд так, чтоб прогиб оставался неизменным, получится изображение профиля поверхности. Такой режим работы микроскопа именуется контактным. Он дозволяет измерять с разрешением в доли нанометра не только рельеф, но и силы трения, упругость и вязкость исследуемого объекта. Сканирование в контакте с прототипом частенько приводит к его деформации и разрушению. Действие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Но зонд может просто порвать узкую полимерную плёнку либо повредить бактерию, вызвав ее смерть. Чтоб избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты либо фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Таковой метод дозволяет учить живые микробы: колеблющаяся игла действует на бактерию, как лёгкий массаж, не причиняя вреда и позволяя следить за ее движением, ростом и делением. В 1987 г. И. Мартин и К. Викрамасингх (США) предложили в качестве зондирующего острия применять намагниченную микроиглу. Так появился магнитно-силовой микроскоп. Он дозволяет узреть отдельные магнитные области в материале — домены — размером до 10 нм. Используют его и для сверхплотной записи инфы, формируя на поверхности плёнки домены при помощи полей иглы и постоянного магнита. Таковая запись в сотни раз плотнее, чем на современных магнитных и оптических дисках. Возникновение сканирующей зондовой микроскопии успешно совпало с началом бурного развития компьютерной техники, открывающей новейшие возможности использования зондовых микроскопов. В 1998 г. в Центре перспективных технологий (Москва) сотворена модель сканирующего зондового микроскопа «ФемтоСкан-001», которым управляют также через Веб. Теперь в хоть какой точке земного шара исследователь сумеет работать на микроскопе, а каждый желающий — «заглянуть» в микромир, не отходя от компьютера.

 

Иногда выдающиеся научные изобретения возникают на свет случаем и неожиданно для самих создателей. Так, в тридцатых гг. XX в. немецкие физики Г.Герц и Э.Мюллер занимались исследованием автоэлектронной эмиссии. Суть этого явления состоит в том, что в мощных электрических полях, сравнимых с полем снутри атома (10—100 млн. вольт на сантиметр), с поверхности металлов и полупроводников «улетают» электроны. Ещё до работ Герца и Мюллера было хорошо понятно, что электрическое поле около заряженного предмета тем сильнее, чем больше искривлена его поверхность. Но конкретно этим учёным в первый раз пришла в голову мысль, что можно получить довольно сильное поле, прикладывая напряжение меж электродом и заострённой железной проволокой (сильно искривлённой поверхностью). В 1936 г. Э.Мюллер решил поглядеть, под каким углом с этого острия будут вылетать электроны. Он поставил на пути частиц экран. На нём, к удивлению экспериментатора, возникла картина из симметрично расположенных тёмных и светлых пятен — изображение самого острия. Установка Мюллера практически стала первым автоэлектронным микроскопом. Увеличение автоэлектронного микроскопа приближённо равно отношению расстояния от эталона до экрана к радиусу закругления острия. Обычно оно составляет около 1 млн., а разрешающая способность — порядка 1 нм. Используют схожий микроскоп в основном для исследования кристаллической структуры материалов. Почти случаем был изобретён и автоионный микроскоп. В 1940 г. Э. Мюллер, изучая поведение плёнки бария на поверхности вольфрамового острия, нашел новое явление. Если на остриё подать положительный заряд и повысить напряжённость поля, то поле будет так сильным, что станет «сдирать» с атомов электроны. Атомы превратятся в ионы и улетят с поверхности при комнатной температуре. Мюллер сообразил, что открытая закономерность может отыскать важное практическое применение. Если на пути ионов поставить экран, на нём получится изображение структуры поверхности. Ионы имеют наименьшую длину волны, чем электроны, потому разрешение будет выше раз в десять. Новый устройство получил заглавие автоионного микроскопа либо ионного проектора. Однако потребовались годы, чтоб воплотить идею в жизнь. Возник автоионный микроскоп только в 1955 г. и фактически сходу дал неповторимый итог: дозволил увидеть на поверхности железного эталона отдельные атомы! Ныне такие приборы употребляют, прежде всего, для исследования структуры кристаллов и сплавов на атомарном уровне и для наблюдения за движением отдельных атомов по поверхности сплава. В 1967 г. Мюллер усовершенствовал автоионный микроскоп, совместив его с масс-спектрометром — устройством, определяющим массу и заряд иона. Новое устройство позволяет безошибочно определять химическую природу хоть какой отдельной частички, заранее выбранной на экране автоионного микроскопа. В настоящее время автоэлектронный и автоионный микроскопы почаще называют соответственно полевым электронным микроскопом (ПЭМ) и полевым ионным микроскопом (ПИМ).



Электровакуумные приборы. Часы. Исследование животного и растительного мира. Тверже алмаза.

На главную  История 





0.0129
 
Яндекс.Метрика