SPM - Polski Serwis Naukowy

SPM (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).

Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny – zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne odwrotne), a także: na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne proste). Piezoelektryczność występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu. Materiały takie nazywane są piezoelektrykami.

Pojemnością elektryczną odosobnionego przewodnika nazywamy wielkość fizyczną C równą stosunkowi ładunku q zgromadzonego na przewodniku do potencjału φ tego przewodnika.

Odmiany SPM

W 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 (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 (Atomic Force Microscope, AFM) – pomiar odchylenia miniaturowej "dźwigienki"-ramienia (ang. cantilever) z umocowaną sondą (ang. 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 (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 (Friction Force Microscope, FFM) – zbliżony do LFM

Skaningowy mikroskop fazowy (Phase Detection Microscope, PDM, pozwala odróżniać powierzchnie elastyczne i nieelastyczne poprzez wykrywanie przesunięcia fazowego pomiędzy impulsem wymuszającym a odpowiedzią układu)

(Force Modulation Microscope, FFM, podobnie jak PDM)

Mikroskop siły elektrostatycznej (Electrostatic Force Microscope) – pomiar ładunku/potencjału powierzchni próbki (np. badanie układów scalonych w trakcie ich działania)

Mikroskop sił magnetycznych (Magnetic Force Microscope, MFM) – wykrywanie domen magnetycznych i ich namagnesowania (np. badanie powierzchni dysków komputerowych)

Skaningowy mikroskop termiczny (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 (Capacitance Scanning Microscope, CSM, określa pojemność elektryczną układu próbka-próbnik – stąd można wyznaczyć przenikalność elektryczną próbki)

Środowiskowy AFM (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, Electrochemical AFM, ECAFM, równolegle z pomiarem AFM w cieczy można wykonywać pomiar potencjału elektrycznego, pH itp.)

Mikroskop optyczny bliskiego pola (Near-field Scanning Optical Microscope, NSOM lub 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 (Scanning Electron Microscope) i TEM (Transmission Electron Microscope), barwy są czysto umowne.

Tryby działania SPM

Mikroskopy SPM działają w kilku podstawowych trybach:

Lepkość (tarcie wewnętrzne) - właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów (cieczy i gazów).

Skaningowy mikroskop pojemnościowy (z ang. SCM - Scanning Capacitance Microscopy) - obrazuje zmiany przestrzenne w pojemności elektrycznej badanej próbki. Pomiędzy badaną powierzchnią, a sondą skanującą indukowane jest napięcie elektryczne. Dźwigienka bezkontaktowo przesuwa się nad próbką, układ elektroniczny umieszczony na jej końcu wykrywa zmiany stałej dielektrycznej ośrodka, znajdującego się pomiędzy sondą, a próbką.

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.

Sprzężenie zwrotne (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ informacji o własnym działaniu (o wartości wyjściowej). Matematycznym, jednoznacznym opisem bloku gałęzi zwrotnej jest transmitancja. Informacja ta może być modyfikowana przez transmitancję bloku gałęzi zwrotnej.

Mikroskop sił atomowych (ang. atomic force microscope, AFM) – rodzaj mikroskopu ze skanującą sondą (ang. scanning probe microscope, SPM). Umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad lub pod powierzchnią próbki.

Analiza obrazu SPM

Czynniki wpływające na tworzenie obrazu

Podstawową 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:

Skaningowy mikroskop pola bliskiego, mikroskop optyczny pola bliskiego, skaningowy mikroskop optyczny bliskiego zasięgu (z ang. NSOM – Non-field Scanning Optical Microscope lub SNOM) – mikroskop, w którym sondą skanującą jest stożek świetlny. Wiązka światła widzialnego padająca na próbkę odbija się od powierzchni lub przechodzi, trafiając do detektora. Jej intensywność bada się we wszystkich możliwych punktach, co daje obraz obiektu.

Nanometr (symbol: nm) – podwielokrotność metra, podstawowej jednostki długości w układzie SI. Jest to jedna miliardowa metra czyli jedna milionowa milimetra. Jeden nanometr równa się zatem 10−9 m. W notacji naukowej można go zapisać jako 1 E-9 m oznaczający 0,000 000 001 × 1 m. Rzadko stosowana jest również stara nazwa milimikron

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. 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. 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

Artefakty

Te wszystkie czynniki wpływają na to, że na obrazach SPM pojawiają się tzw. artefakty (artifact) czyli obiekty, które w rzeczywistości nie istnieją, fragmenty obrazu które "wyglądają" (niekoniecznie w sensie optycznym!) w rzeczywistości inaczej.

Przesunięcie fazowe jest to różnica pomiędzy wartościami fazy dwóch okresowych ruchów drgających (np. fali lub dowolnego innego okresowego przebiegu czasowego). Ponieważ faza fali zazwyczaj podawana jest w radianach lub w stopniach kątowych również i przesunięcie fazowe wyrażone jest w tych samych jednostkach. W niektórych przypadkach przesunięcie fazowe może być wyrażone również w jednostkach czasu lub częściach okresu.

Skaningowy mikroskop tunelowy (STM od ang. Scanning Tunneling Microscope) – rodzaj SPM, mikroskopu ze skanującą sondą (ang. Scanning Probe Microscope) – umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni materiałów przewodzących ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu. Uzyskanie obrazu powierzchni jest możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska tunelowego, od którego przyrząd ten wziął swoją nazwę. W rzeczywistości STM nie rejestruje fizycznej topografii próbki, ale dokonuje pomiaru obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych blisko powierzchni Fermiego. Ten sam skrót używany jest do określenia gałęzi mikroskopii – STM (ang. Scanning Tunneling Microscopy).

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. 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.

Mikroskop (gr. μικρός mikros - "mały" i σκοπέω skopeo - "patrzę, obserwuję") – urządzenie służące do obserwacji małych obiektów, zwykle niewidocznych gołym okiem. Mikroskop pozwala spojrzeć w głąb mikroświata.

Rozszerzalność cieplna (rozszerzalność termiczna) – właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu się ich długości (rozszerzalność liniowa) lub objętości (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury.

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).

Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

PDM (ang.) Pulse-Density Modulation (pl. modulacja gęstością impulsów) – rodzaj modulacji cyfrowej sygnału analogowego. W modulacji PDM nie są zapamiętywane wartości sygnału w poszczególnych próbkach (jak ma to miejsce w PWM czy PCM), lecz gęstość impulsów reprezentuje jego amplitudę.

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.

Histereza – w naukach przyrodniczych, zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej – opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Zjawisko odkrył i nazwał James Alfred Ewing w roku 1890. Termin ten zapożyczony został także przez nauki społeczne.

Magnetyzacja (namagnesowanie) jest właściwością materiałów (m.in. magnesów), która opisuje pole magnetyczne wytwarzane przez materiał. Przez magnetyzację rozumie się także wielkość fizyczną określającą wytwarzane przez materiał pole magnetyczne, definiuje się ją przez określenie momentów magnetycznych wytworzonych w jednostce objętości. Głównymi składnikami magnetyzacji są orbitalne i spinowe momenty magnetyczne elektronów.

Korekta obrazu

Aby rozwiązać te i inne problemy stosuje się wiele metod:

usuwanie szumów poprzez wygładzanie – np. gaussowskie, FFT, falki (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. 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

Zdolność rozdzielcza - w optyce przydatność określonego przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza, tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama. Jednym z kryteriów określania zdolności rozdzielczej jest kryterium Rayleigha.

Moduł Dowodzenia/Serwisowy CSM - statek kosmiczny wybudowany w ramach Program Apollo NASA przez North American Aviation. Moduł ten był kompromisem dwóch różnych jednostek: Modułu Dowodzenia i Modułu Serwisowego. Pierwszy z nich zawierał pomieszczenia dla załogi i systemy sterowania. Drugi składał się ze zbiorników na materiały (tlen, woda, hel), ogniw paliwowych i głównego systemu napędowego. Całkowita długość obu modułów wynosiła 11,0 metrów z średnicą maksymalną 3,9 metra. Masa modułu CSM misji Apollo 11 wynosiła 28 801 kg, była to masa startowa włączając paliwo i materiały jednorazowego użytku, z czego moduł dowodzenia ważył 5557 kg a moduł serwisowy 23 244 kg.