コースワーク：走査型プローブ顕微鏡。 走査型プローブ顕微鏡走査型プローブ顕微鏡の現状と発展

序章

現在、科学的および技術的方向性であるナノテクノロジーは急速に発展しており、基礎研究と応用研究の両方を幅広くカバーしています。 これは、通信、バイオテクノロジー、マイクロエレクトロニクス、エネルギーなどの多様な分野の問題を解決できる根本的に新しい技術です。 今日、100以上の若い企業が、今後2〜3年で市場に参入するナノテクノロジー製品を開発しています。

ナノテクノロジーは21世紀の最先端技術となり、経済や社会の社会的領域の発展に貢献し、新たな産業革命の前提条件となる可能性があります。 過去200年間で、産業革命の進展は、地球の資源の約80％を犠牲にして達成されました。 ナノテクノロジーは、資源消費量を大幅に削減し、環境に圧力をかけることはありません。たとえば、コンピューターが人々の生活に欠かせないものになっているため、ナノテクノロジーは人類の生活の中で主導的な役割を果たします。

ナノテクノロジーの進歩は、研究の実験的方法の開発によって刺激されました。その中で最も有益なのは、走査型プローブ顕微鏡法の方法であり、その発明と分布は、特に1986年のノーベル賞受賞者に負っています-ハインリッヒローラー教授と博士。ゲルト・ビーニッヒ。

世界は、原子を視覚化するためのそのような単純な方法の発見に、そしてそれらを操作する能力でさえも魅了されました。 多くの研究グループが自家製のデバイスを設計し、この方向で実験を始めました。 その結果、多くの便利なデバイススキームが生まれ、横力顕微鏡、磁気力顕微鏡、磁気、静電、電磁気の相互作用を記録する顕微鏡など、プローブと表面の相互作用の結果を視覚化するさまざまな方法が提案されました。 近接場光学顕微鏡法は集中的に開発されてきました。 プローブ表面システムでの方向性のある制御された作用のための方法が開発されました。たとえば、ナノリソグラフィー-電気的、磁気的影響、塑性変形、およびプローブ表面システムの光の影響下で表面に変化が起こります。 さまざまな表面特性を視覚化するための特別なコーティングと構造を備えた、指定された幾何学的パラメータを備えたプローブを製造するための技術が開発されました。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、固体表面の形態と局所特性を高い空間分解能で研究するための強力な最新の方法の1つです。 過去10年間で、走査型プローブ顕微鏡は、限られた数の研究グループだけが利用できるエキゾチックな技術から、表面特性を研究するために広く使用され、成功裏に使用されているツールに進化しました。 現在、表面物理学と薄膜技術の分野での研究は、SPM法を使用せずに完了することは事実上ありません。 走査型プローブ顕微鏡の開発は、ナノテクノロジーの新しい方法、つまりナノメートルスケールの構造を作成するための技術の開発の基礎としても役立ちました。

1.歴史的背景

小さな物体を観察するために、オランダ人のアンソニー・ファン・レーウェンフックは17世紀に顕微鏡を発明し、微生物の世界を発見しました。 彼の顕微鏡は不完全で、150倍から300倍の倍率を示しました。 しかし、彼の信奉者たちはこの光学装置を改良し、生物学、地質学、物理学における多くの発見の基礎を築きました。 しかし、19世紀の終わり（1872年）に、ドイツの眼鏡技師Ernst Karl Abbeは、光の回折により、顕微鏡の解像度（つまり、オブジェクトがまだ1つに統合されていない場合のオブジェクト間の最小距離）を示しました。画像）は、光の波長（0.4〜0.8 µm）によって制限されます。 したがって、彼はより高度な顕微鏡を作ろうとした眼鏡技師の多くの努力を節約しましたが、1500倍を超える倍率の機器を入手するという希望を失った生物学者や地質学者を失望させました。

電子顕微鏡の作成の歴史は、科学技術の分野を独自に開発することで、受け取った情報を交換し、取り組みに参加することで、科学研究のための新しい強力なツールを作成できることを示す素晴らしい例です。 古典物理学の頂点は電磁場の理論であり、光の伝播、電場と磁場の出現、電磁波の伝播としてのこれらの場での荷電粒子の動きを説明しました。 波動光学は、回折の現象、画像形成のメカニズム、および光学顕微鏡の解像度を決定する要因の遊びを明らかにしました。 理論物理学と実験物理学の分野での成功は、その特定の特性を備えた電子の発見によるものです。 これらの別々の、一見独立した開発は、電子光学の基礎の作成につながりました。その最も重要なアプリケーションの1つは、1930年代のEMの発明でした。 この可能性の直接的なヒントは、1924年にルイ・ド・ブロイによって提唱され、1927年に米国のK.デイヴィソンとL.ガーマー、英国のJ.トムソンによって実験的に確認された電子の波動性の仮説と見なすことができます。 このように、波動光学の法則に従ってEMを構築することを可能にするアナロジーが提案されました。 H.ブッシュは、電場と磁場を使用して電子画像を形成できることを発見しました。 20世紀の最初の20年間 必要な技術的前提条件も作成されました。 陰極線オシロスコープに取り組んでいる産業研究所は、真空技術、高電圧と電流の安定したソース、および優れた電子エミッタを提供しました。

R. Rudenbergは、1931年に透過型電子顕微鏡の特許を申請し、1932年にM.KnollとE.Ruskaは、磁気レンズを使用して電子を集束させる最初の顕微鏡を製造しました。 この装置は、最新の光透過型電子顕微鏡（OTEM）の前身でした。 （Ruskaは、1986年のノーベル物理学賞を受賞したことで報われました。）1938年、RuskaとB. von Borrisは、ドイツのSiemens-Halske向けにプロトタイプの産業用OPEMを構築しました。 この機器は最終的に100nmの解像度を達成することを可能にしました。 数年後、A。PrebusとJ. Hillerは、トロント大学（カナダ）で最初の高解像度OPEMを構築しました。

OPEMの幅広い可能性はすぐに明らかになりました。 その工業生産は、ドイツのSiemens-Halskeと米国のRCACorporationによって同時に開始されました。 1940年代後半に、他の企業がそのようなデバイスの製造を開始しました。

現在の形式のSEMは、1952年にCharlesOtleyによって発明されました。 確かに、そのようなデバイスの暫定バージョンは、1930年代にドイツのノールによって、1940年代にRCAコーポレーションの従業員とともにZworykinによって構築されましたが、Otleyデバイスのみが多くの技術的改善の基礎として機能しました。 1960年代半ばに、SEMの工業用バージョンが生産に導入されました。 三次元画像と電子出力信号を備えたこのようなかなり使いやすいデバイスの消費者の輪は、爆発の速度とともに拡大しました。 現在、3大陸に数十の工業用SEMメーカーがあり、世界中の研究所で数万のそのようなデバイスが使用されています。1960年代に、より厚いサンプルを研究するために超高電圧顕微鏡が開発されました。 1970年に350万ボルトの電圧が作動しました。RTMは1979年にチューリッヒでG.BinnigとG.Rohrerによって発明されました。この非常にシンプルなデバイスは表面の原子分解能を提供します。BinnigとRohrer（Ruskaと同時に）はノーベル賞を受賞しました。 RTMの作成のため。

走査型プローブ顕微鏡は、1986年にRohrerとBinnigによって発明されました。 STMは、その発明以来、物理学、化学、生物学の基礎研究から特定の技術的応用まで、ほぼすべての自然科学分野をカバーするさまざまな専門分野の科学者によって広く使用されてきました。 STMの動作原理は非常に単純であり、潜在的な可能性は非常に大きいため、近い将来でも科学技術への影響を予測することは不可能です。

後で判明したように、チッププローブと表面（機械的、磁気的）とのほとんどすべての相互作用は、適切な機器とコンピュータープログラムの助けを借りて表面の画像に変換することができます。

走査型プローブ顕微鏡の設置は、図に示すいくつかの機能ブロックで構成されています。 1.これは、まず、プローブを制御するためのピエゾマニピュレーター、トンネル電流-電圧コンバーター、およびサンプル供給用のステッピングモーターを備えた顕微鏡自体です。 アナログ-デジタルおよびデジタル-アナログコンバーターと高電圧増幅器のブロック。 ステッピングモーターコントロールユニット; フィードバック信号を計算する信号プロセッサを備えたボード。 情報を収集し、ユーザーインターフェイスを提供するコンピューター。 構造的には、DACおよびADCユニットはステッピングモーターコントロールユニットと同じハウジングに取り付けられています。 アナログ・デバイセズのシグナルプロセッサ（DSP-デジタルシグナルプロセッサ）ADSP 2171を搭載したボードは、パーソナルコンピュータのISA拡張スロットに取り付けられています。

顕微鏡の機械システムの概観を図1に示します。 2.機械システムには、ピエゾマニピュレーターを備えたベースと、走査型トンネルおよび原子間力顕微鏡モードで操作するためのギアボックスと2つの取り外し可能な測定ヘッドを備えたステッピングモーター上のスムーズなサンプル供給システムが含まれます。 顕微鏡は、追加の地震および音響フィルターを使用せずに、従来の試験面で安定した原子分解能を得ることができます。

2.走査型プローブ顕微鏡の動作原理

走査型プローブ顕微鏡では、表面のマイクロレリーフとその局所特性の研究は、針の形で特別に準備されたプローブを使用して実行されます。 このようなプローブの動作部分（先端）は、サイズが約10ナノメートルです。 プローブとプローブ顕微鏡のサンプル表面との間の特徴的な距離は、大きさの順に0.1〜10nmです。 プローブ顕微鏡の操作は、プローブと表面の間のさまざまなタイプの相互作用に基づいています。 したがって、トンネル顕微鏡の動作は、金属針と導電性サンプルの間を流れるトンネル電流の現象に基づいています。 さまざまなタイプの力の相互作用が、原子間力、磁力、および電気力顕微鏡の動作の根底にあります。 さまざまなプローブ顕微鏡に固有の共通の特徴を考えてみましょう。 プローブと表面の相互作用を何らかのパラメータPで特徴付けます。パラメータPがプローブとサンプルの距離に十分に鋭く1対1で依存している場合は、このパラメータを使用してフィードバックを整理できます。プローブとサンプル間の距離を制御するシステム（FS）。 イチジクに 図３は、ＳＰＭフィードバック編成の一般原理を概略的に示している。

フィードバックシステムは、パラメータРの値を、オペレータが指定した値に等しい定数に維持します。 プローブと表面の距離が変化すると、パラメータPが変化します。OSシステムでは、値ΔP= P --Pに比例する差信号が生成され、目的の値に増幅されて、の作動要素に供給されます。 IE。 作動要素は、差信号がゼロになるまでプローブを表面に近づけるか、遠ざけることによって、この差信号を処理します。 このようにして、プローブとサンプルの距離を非常に正確に維持することができます。 プローブがサンプル表面に沿って移動すると、表面トポグラフィーにより相互作用パラメータPが変化します。 OSシステムはこれらの変更を処理するため、プローブがX、Y平面内を移動すると、作動要素の信号は表面のトポグラフィーに比例することがわかります。 SPM画像を取得するために、サンプルをスキャンする特別に編成されたプロセスが実行されます。 スキャンするとき、プローブは最初に特定のラインに沿ってサンプル上を移動し（ラインスキャン）、表面トポグラフィーに比例する作動要素の信号の値がコンピューターのメモリに記録されます。 その後、プローブは開始点に戻り、次のスキャンライン（フレームスキャン）に進み、プロセスが再度繰り返されます。 スキャン中にこのように記録されたフィードバック信号はコンピュータによって処理され、次に表面トポグラフィのSPM画像がコンピュータグラフィックスを使用して構築されます。 表面トポグラフィーの研究に加えて、プローブ顕微鏡は、機械的、電気的、磁気的、光学的などのさまざまな表面特性を研究することを可能にします。

3.プローブ顕微鏡の走査要素（スキャナー）

3.1スキャン要素

プローブ顕微鏡を操作するには、プローブとサンプルの作動距離を制御し、プローブをサンプル平面内で高精度（オングストロームの何分の1かのレベル）で移動させる必要があります。 この問題は、特別なマニピュレーター（スキャン要素（スキャナー））の助けを借りて解決されます。 プローブ顕微鏡の走査要素は、圧電性、圧電性を備えた材料でできています。 圧電素子は、外部電界で寸法を変化させます。 結晶の逆圧電効果の方程式は次のように記述されます。

ここで、uはひずみテンソル、Eは電界の成分、dは圧電係数テンソルの成分です。 圧電係数テンソルの形は、結晶対称性のタイプによって決まります。

さまざまな技術的用途では、圧電セラミック材料で作られたトランスデューサが広く使用されています。 圧電セラミックは、結晶性強誘電体から粉末を焼結することによって得られる分極した多結晶材料です。 セラミックの分極は次のように行われます。 セラミックはキュリー温度（ほとんどの圧電セラミックでは、この温度は300°C未満）を超えて加熱され、次に強い（約3 kV / cm）電界でゆっくりと冷却されます。 冷却後、圧電セラミックは分極を誘発し、その寸法を変更する能力を獲得します（分極ベクトルと外部電界ベクトルの相互方向に応じて増加または減少します）。

管状圧電素子は、走査型プローブ顕微鏡法で広く使用されています（図4）。 それらは、比較的小さな制御電圧で物体の十分に大きな変位を得るのを可能にします。 管状の圧電素子は、圧電セラミック材料で作られた中空の薄肉シリンダーです。 通常、薄い金属層の形の電極は、チューブの外面と内面に堆積されますが、チューブの端はコーティングされていません。

内部電極と外部電極の間の電位差の影響下で、チューブはその縦方向の寸法を変更します。 この場合、ラジアル電界の作用下での縦方向の変形は次のように書くことができます。

ここで、lは変形していない状態のチューブの長さです。 ピエゾチューブの絶対伸びは

ここで、hはピエゾチューブの壁の厚さ、Vは内部電極と外部電極の間の電位差です。 したがって、同じ電圧Vでは、チューブの伸びは大きくなり、長さが長くなり、壁の厚さが薄くなります。

3本のチューブを1つのノードに接続することで、顕微鏡プローブを相互に垂直な3方向に正確に動かすことができます。 このような走査素子は三脚と呼ばれます。

このようなスキャナーの欠点は、製造の複雑さと設計の強い非対称性です。 今日まで、走査型プローブ顕微鏡法では、単一の管状要素に基づくスキャナーが最も広く使用されています。 管状スキャナーの概観と電極のレイアウトを図1に示します。 5.チューブの材料は、偏光ベクトルの半径方向を持っています。

内部電極は通常固体です。 スキャナーの外部電極は、シリンダーの母線に沿って4つのセクションに分割されています。 外側電極の反対側の部分（内側側に対して）に逆相電圧を印加すると、電界方向が分極方向と一致する場所で管部分が収縮し、反対方向に向けられる場所で伸びが発生します。 これにより、チューブが適切な方向に曲がります。 したがって、スキャンはX、Y平面で実行されます。すべての外部セクションに対する内部電極の電位の変化は、Z軸に沿ったチューブの伸長または収縮につながります。したがって、3つを編成することが可能です。 -単一のピエゾチューブに基づく座標スキャナー。 実際のスキャン要素は、より複雑な設計になっていることがよくありますが、その動作原理は同じです。

バイモルフ圧電素子をベースにしたスキャナーも広く使用されています。 バイモルフは、それぞれの偏光ベクトルが反対方向を向くように接着された2枚の圧電プレートです（図6）。 図に示すように、バイモルフ電極に電圧を印加した場合。 6の場合、プレートの1つが膨張し、もう1つが収縮します。これにより、要素全体が曲がります。 バイモルフ要素の実際の設計では、内部共通電極と外部電極の間に電位差が生じ、一方の要素では電界が分極ベクトルの方向と一致し、もう一方の要素では反対方向になります。

電場の作用下でのバイモルフ曲げは、バイモルフピエゾスキャナーの動作の基礎です。 1つの構造に3つのバイモルフ要素を組み合わせることにより、バイモルフ要素に三脚を実装することができます。

バイモルフ要素の外部電極が4つのセクターに分割されている場合、プローブの動きをZ軸に沿って、1つのバイモルフ要素のX、Y平面で整理することができます（図7）。

実際、外部電極のセクションの反対のペアに逆相電圧を印加することにより、プローブがX、Y平面で移動するようにバイモルフを曲げることができます（図7（a、b））。 また、外部電極のすべてのセクションに対して内部電極の電位を変更することにより、プローブをZ方向に移動してバイモルフを曲げることができます（図7（c、d））。

3.2圧電セラミックの非線形性

結晶に勝る多くの技術的利点にもかかわらず、圧電セラミックには、走査要素の動作に悪影響を与えるいくつかの欠点があります。 そのような欠点の1つは、圧電特性の非線形性です。 イチジクに 図８を参照すると、例として、Ｚ方向のピエゾチューブの変位の、印加された場の大きさへの依存性が示されている。 一般的なケース（特に高い制御フィールド）では、圧電セラミックは、フィールド（または制御電圧）に対する変形の非線形依存性によって特徴付けられます。

したがって、圧電セラミックの変形は、外部電場の複雑な関数です。

小さな制御フィールドの場合、この依存関係は次の形式で表すことができます。

u = d * E +α* E * E +…

ここで、dとαは圧電効果の線形および2次モジュールです。

非線形効果が現れ始めるフィールドEの典型的な値は、100 V / mmのオーダーです。 したがって、スキャン要素を正しく動作させるために、通常、制御フィールドはセラミックの直線性領域で使用されます（E< Е) .

走査型プローブ電子顕微鏡

3.3ピエゾセラミッククリープとピエゾセラミックヒステリシス

圧電セラミックのもう1つの欠点は、いわゆるクリープ（クリープ-クリープ）です。これは、制御電界の大きさの変化に対する応答の遅延です。

クリープは、SPM画像のこの効果に関連する幾何学的歪みを引き起こします。 局所測定のためにスキャナーを特定のポイントに持ってきたとき、およびスキャンプロセスの初期段階で、クリープは特に強くなります。 セラミッククリープの影響を減らすために、これらのプロセスでは時間遅延が適用され、スキャナーの遅延を部分的に補償することができます。

圧電セラミックのもう1つの欠点は、電界の変化方向（ヒステリシス）に対する伸びの依存性があいまいであることです。

これは、同じ制御電圧で、運動の方向に応じて、圧電セラミックが軌道の異なる点にあるという事実につながります。 圧電セラミックのヒステリシスによるSPM画像の歪みを排除するために、依存関係のブランチの1つでのみサンプルをスキャンするときに情報が記録されます。

4.プローブとサンプルを正確に動かすための装置

4.1機械式ギアボックス

走査型プローブ顕微鏡法における重要な技術的問題の1つは、顕微鏡の作業ギャップを形成し、調査する表面の領域を選択するために、プローブとサンプルを正確に動かす必要があることです。 この問題を解決するために、オブジェクトを高精度で移動させるさまざまなタイプのデバイスが使用されています。 さまざまな機械式ギアボックスが広く使用されており、最初のムーバーの粗い動きは、変位するオブジェクトの細かい動きに対応します。 変位を減らす方法は異なる場合があります。 レバーのアームの長さの違いにより、可動量の低減が行われるレバー装置が広く使用されています。 レバーギアボックスのスキームを図1に示します。 9.9。

メカニカルレバーにより、係数で変位を低減することができます

したがって、アームＬとアームｌの比が大きいほど、プローブおよびサンプルに接近するプロセスをより正確に制御することが可能である。

また、顕微鏡の設計では、直列に接続された2つの弾性要素の剛性係数の違いにより変位の低減が達成される機械式ギアボックスが広く使用されています（図10）。 この設計は、剛性のあるベース、ばね、および弾性梁で構成されています。 ばねkと弾性梁Kの剛性は、次の条件が満たされるように選択されます。k< K .

減少係数は、弾性要素の剛性係数の比率に等しくなります。

したがって、ばね剛性に対するビーム剛性の比率が大きいほど、顕微鏡の作動要素の変位をより正確に制御することができます。

4.2ステッピングモーター

ステッピングモーター（SHED）は、電気インパルスを個別の機械的動作に変換する電気機械装置です。 ステッピングモーターの重要な利点は、ローターの位置が入力電流パルスに明確に依存することです。そのため、ローターの回転角は制御パルスの数によって決まります。 SHEDでは、トルクは固定子と回転子の極によって生成される磁束によって生成されます。磁束は相互に適切に配置されています。

最も単純な設計は永久磁石モーターです。 それらは、巻線を備えた固定子と永久磁石を備えた回転子で構成されています。 イチジクに 図１１は、ステッピングモーターの簡略化された設計を示している。

回転子の交互の極は直線的な形状をしており、モーターの軸に平行です。 図に示すモーターには、3対の回転子極と2対の固定子極があります。 モーターには2つの独立した巻線があり、それぞれが固定子の2つの反対の極に巻かれています。 示されているモーターのステップサイズは30度です。 巻線の1つで電流がオンになると、回転子は、回転子と固定子の反対の極が互いに反対になる位置をとる傾向があります。 連続回転させるには、巻線を交互にオンにする必要があります。

実際には、より複雑な設計を持ち、ローターの1回転あたり100〜400ステップを提供するステッピングモーターが使用されます。 このようなエンジンをねじ山接続と組み合わせると、ねじ山ピッチが約0.1 mmになり、物体の位置決め精度が約0.25〜1ミクロンになります。 精度を上げるために、追加の機械式ギアボックスが使用されます。 電気制御の可能性により、プローブおよび走査型プローブ顕微鏡のサンプルに接近するための自動システムでSHEDを効果的に使用することが可能になります。

4.3ピエゾステッピングモーター

外部振動からデバイスを適切に分離するための要件、および真空状態でプローブ顕微鏡を操作する必要性は、プローブとサンプルを移動するための純粋な機械的デバイスの使用に深刻な制限を課します。 この点で、物体の動きを遠隔制御できる圧電トランスデューサに基づくデバイスは、プローブ顕微鏡で広く使用されています。

ステッパー慣性圧電モーターの設計の1つを図1に示します。 12.このデバイスには、圧電チューブ（2）が固定されているベース（1）が含まれています。 チューブの外面と内面には電極（3）が付いています。 チューブの端には、分割されたスプリング（4）が固定されています。これは、別々の弾力性のある花びらを持つシリンダーです。 オブジェクトホルダー（5）は、バネに取り付けられています。これは、表面が研磨されたかなり重いシリンダーです。 移動するオブジェクトは、スプリングまたはユニオンナットを使用してホルダーに取り付けることができます。これにより、デバイスは空間内の任意の方向で動作できます。

デバイスは次のように動作します。 オブジェクトホルダーをZ軸の方向に動かすには、鋸歯状のパルス電圧をピエゾチューブの電極に印加します（図13）。

のこぎり波電圧の緩やかなエッジでは、電圧の極性に応じてチューブがスムーズに伸びたり縮んだりし、その端がスプリングとオブジェクトホルダーとともに次の距離だけ変位します。

のこぎり波電圧が解放された瞬間に、チューブは加速度aで元の位置に戻ります。加速度aは、最初は最大値です。

ここで、ωはチューブの縦振動の共振周波数です。 条件Fの場合< ma (m – масса держателя объекта, F - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг К Δl относительно исходного положения. Коэффициент К определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе .

5.外部の影響からのプローブ顕微鏡の保護

5.1防振

デバイスを外部振動から保護するために、さまざまなタイプの防振システムが使用されています。 従来、それらはパッシブとアクティブに分けることができます。 パッシブ防振システムの背後にある主な考え方は次のとおりです。 機械システムの強制振動の振幅は、加振力の周波数とシステムの固有共振周波数の差が大きくなると急速に減少します（振動システムの典型的な振幅-周波数特性（AFC）を図14）。

したがって、周波数ω>ωの外部の影響は、振動システムに実質的に目立った影響を与えません。 したがって、プローブ顕微鏡の測定ヘッドを防振プラットフォームまたは弾性サスペンションに配置すると（図15）、防振システムの共振周波数に近い周波数の外部振動のみが顕微鏡本体。 SPMヘッドの固有振動数は10〜100 kHzであるため、防振システムの共振周波数を十分に低く（5〜10 Hz程度）選択することで、外部振動からデバイスを効果的に保護することができます。 自然共振周波数での振動を減衰させるために、粘性摩擦を伴う散逸要素が防振システムに導入されます。

したがって、効果的な保護を提供するために、防振システムの共振周波数を可能な限り低くする必要がある。 ただし、実際には非常に低い周波数を実現することは困難です。

SPMヘッドを保護するために、外部振動を抑制するアクティブシステムがうまく使用されています。 このようなデバイスは、負帰還を備えた電気機械システムであり、空間内の防振プラットフォームの安定した位置を保証します（図16）。

5.2音響ノイズに対する保護

プローブ顕微鏡の構造要素のもう1つの振動源は、さまざまな性質の音響ノイズです。

音響干渉の特徴は、音波がSPMヘッドの構造要素に直接影響を及ぼし、調査中のサンプルの表面に対してプローブの振動を引き起こすことです。 SPMを音響干渉から保護するために、さまざまな保護キャップを使用して、顕微鏡の作業ギャップの領域での音響干渉のレベルを大幅に低減します。 音響干渉に対する最も効果的な保護は、プローブ顕微鏡の測定ヘッドを真空チャンバー内に配置することです（図17）。

5.3表面上のプローブの位置の熱ドリフトの安定化

SPMの重要な問題の1つは、調査中のサンプルの表面上のプローブの位置の安定化の問題です。 プローブ位置の不安定性の主な原因は、動作中のプローブ顕微鏡の構造要素の周囲温度または加熱の変化です。 固体の温度が変化すると、熱弾性変形が発生します。 このような変形は、プローブ顕微鏡の操作に非常に大きな影響を及ぼします。 熱ドリフトを低減するために、SPM測定ヘッドの温度制御が使用されるか、熱補償要素がヘッドの設計に導入されます。 熱補償の考え方は次のとおりです。 すべてのSPM設計は、異なる熱膨張係数を持つ要素のセットとして表すことができます（図18（a））。

熱ドリフトを補償するために、異なる膨張係数の補償要素がSPM測定ヘッドの設計に導入され、構造のさまざまなアームの熱膨張の合計がゼロに等しいという条件が満たされます。

ΔL= ∑ΔL = ΔT∑αl0

Z軸に沿ったプローブ位置の熱ドリフトを低減する最も簡単な方法は、主要な構造要素と同じ材料で同じ特性寸法の補償要素をSPM設計に導入することです（図18（b））。 この設計の温度が変化すると、プローブのZ方向の変位は最小限になります。 X、Y平面でのプローブの位置を安定させるために、顕微鏡の測定ヘッドは軸対称構造の形で作られています。

6.SPM画像の形成と処理

6.1スキャンプロセス

走査型プローブ顕微鏡での表面走査のプロセスは、テレビのブラウン管のスクリーンを横切る電子ビームの動きに似ています。 プローブはラインに沿って移動し（ライン）、最初は順方向に移動し、次に反対方向に移動し（ラインスキャン）、次に次のラインに移動します（フレームスキャン）（図19）。 プローブの動きは、デジタル-アナログコンバーターによって生成された鋸歯状の電圧の作用の下で、スキャナーの助けを借りて小さなステップで実行されます。 表面地形に関する情報の登録は、原則としてストレートパスで行われます。

走査型プローブ顕微鏡を使用して得られた情報は、SPMフレーム（整数a（行列）の2次元配列）として保存されます。 これらの数値の物理的な意味は、スキャンプロセス中にデジタル化された値によって決まります。 インデックスのペアijの各値は、スキャンフィールド内の表面の特定のポイントに対応します。 サーフェスポイントの座標は、対応するインデックスに、情報が記録されたポイント間の距離を掛けるだけで計算されます。

原則として、SPMフレームは、サイズが2の正方行列です（主に256x256および512x512要素）。 SPMフレームの視覚化は、主に3次元（3D）および2次元の明るさ（2D）の画像の形式で、コンピューターグラフィックスを使用して実行されます。 3D視覚化では、表面の画像は、ピクセルまたは線を使用して軸測投影法の視点で構築されます。 これに加えて、表面レリーフのさまざまな高さに対応するピクセルを強調表示するさまざまな方法が使用されます。 3D画像を色付けする最も効果的な方法は、表面上の空間のある点にある点源による表面照明の状態をシミュレートすることです（図20）。 この場合、レリーフの小規模な凹凸を強調することができます。 また、コンピューター処理とグラフィックスによって、3DSPM画像のスケーリングと回転が実装されます。 2Dレンダリングでは、サーフェス上の各ポイントに色が割り当てられます。 最も広く使用されているのはグラデーションパレットで、画像の色付けは表面のポイントの高さに応じて特定の色のトーンで行われます。

局所的なSPM測定は、原則として、さまざまなパラメータに関する調査中の量の依存性の登録に関連付けられています。 たとえば、これらは、プローブと表面の接触を通る電流の大きさの印加電圧への依存性、プローブと表面の間の力の相互作用のさまざまなパラメータのプローブとサンプルの距離への依存性などです。情報は、ベクトル配列または2 x Nマトリックスの形式で保存されます。それらを視覚化するために、顕微鏡ソフトウェアは、関数グラフを表示するための一連の標準ツールを提供します。

6.2画像の作成と処理の方法

走査型プローブ顕微鏡を使用して物体の特性を研究する場合、科学的研究の主な結果は、原則として、これらの物体の表面の3次元画像です。 画像の解釈の妥当性は、専門家の資格によって異なります。 同時に、画像を処理および構築する際には、画像を分析する際に注意する必要のある多くの従来の手法が使用されます。 走査型プローブ顕微鏡は、コンピューター技術の集中的な開発の時に登場しました。 そのため、3次元画像を記録する際には、コンピューター用に開発されたデジタル情報の保存方法を使用しました。 これにより、画像の分析と処理に大きな利便性がもたらされましたが、電子顕微鏡法に固有の写真品質を犠牲にする必要がありました。 プローブ顕微鏡を使用して得られた情報は、整数の2次元マトリックスの形式でコンピューターに表示されます。 このマトリックスの各数値は、スキャンモードに応じて、トンネル電流の値、たわみの値、またはより複雑な関数の値になります。 このマトリックスを人に見せると、その人は研究中の表面について首尾一貫した考えを得ることができなくなります。 したがって、最初の問題は、数値を読み取り可能な形式に変換することです。 これは次の方法で行われます。 元の行列の数値は特定の範囲内にあり、最小値と最大値があります。 この整数の範囲には、カラーパレットが割り当てられています。 したがって、行列の各値は、長方形の画像上の特定の色の点にマッピングされます。 この値を含む行と列がポイントの座標になります。 その結果、たとえば、地理的な地図のように、表面の高さがカラーで伝えられた画像が得られます。 しかし、地図上では通常、数十色しか使用されておらず、私たちの写真では数百、数千の色が使用されています。 見やすくするために、高さが近いポイントは同じ色で送信する必要があります。 初期値の範囲が可能な色の数よりも大きいことが判明する可能性があり、原則として常にそうです。 この場合、情報が失われ、人間の目の能力が制限されているため、色の数を増やすことはできません。 情報の追加処理が必要であり、タスクに応じて処理が異なる必要があります。 全体像を見る必要がある人もいれば、詳細を見たい人もいます。 これにはさまざまな方法が使用されます。

6.3一定の傾きの減算

プローブ顕微鏡で撮影された表面画像は、一般的な傾きを持つ傾向があります。 これはいくつかの理由による可能性があります。 まず、プローブに対するサンプルの位置が不正確であるために、傾斜が現れる場合があります。 第二に、それは温度ドリフトと関連している可能性があり、それはサンプルに対するプローブの変位につながります。 第三に、それはピエゾスキャナーの動きの非線形性が原因である可能性があります。 SPMフレームの使用可能なスペースの多くは傾斜の表示に費やされるため、小さな画像の詳細は見えなくなります。 この欠点を解消するために、一定の傾きを減算する操作が実行されます。 これを行うために、最初の段階で、近似平面は最小二乗法によって見つけられます

表面トポグラフィーZ = f（x、y）からの偏差が最小であるР（х、y）の場合、この平面はSPM画像から差し引かれます。 勾配の性質に応じて、さまざまな方法で減算を実行すると便利です。

SPM画像の傾きがプローブサンプルに対するサンプルの傾きによるものである場合は、平面の法線とZ軸の間の角度に対応する角度で平面を回転させることをお勧めします。 この場合、表面の座標Z = f（x、y）は、空間回転の変換に従って変換されます。 ただし、この変換を使用すると、多値関数Z = f（x、y）の形式で表面の画像を取得できます。 傾斜が熱ドリフトによるものである場合、傾斜を差し引く手順は、SPM画像のZ座標から平面のZ座標を差し引くことになります。

その結果、値の範囲が狭い配列になり、画像の細部がより多くの色で反映され、より見やすくなります。

6.4非理想的なスキャナーに関連する歪みの排除

スキャナーのプロパティが不完全であると、SPM画像に特定の歪みが多数含まれることになります。 スキャナーの不均一な前進および後進運動（ヒステリシス）、圧電セラミックのクリープおよび非線形性などのスキャナーの欠陥のいくつかは、ハードウェアおよび最適なスキャンモードの選択によって補償されます。 ただし、これにもかかわらず、SPMイメージには、ハードウェアレベルで除去するのが難しい歪みが含まれています。 特に、サンプルの平面内でのスキャナーの動きは、表面上のプローブの位置に影響を与えるため、SPM画像は、実際のレリーフと2次（および多くの場合はそれ以上）の表面の重ね合わせです。

この種の歪みを排除するために、最小二乗法を使用して、元の関数Z = f（x、y）からの偏差が最小である近似2次表面Р（x、y）を見つけます。この表面は次のようになります。元のSPM画像から差し引かれます：

別のタイプの歪みは、X、Y平面でのスキャナーの動きの非線形性と非直交性に関連しており、これにより、表面のSPM画像のさまざまな部分で幾何学的比率の歪みが発生します。 このような歪みを排除するために、SPM画像を補正する手順は、特定のスキャナーでよく知られているレリーフを使用してテスト構造をスキャンするときに作成される補正係数のファイルを使用して実行されます。

6.5SPM画像のフィルタリング

機器のノイズ（主に高感度入力アンプのノイズ）、スキャン中のプローブとサンプルの接触の不安定性、外部の音響ノイズと振動は、SPM画像に有用な情報とともにノイズ成分が含まれているという事実につながります。 SPM画像のノイズの一部はソフトウェアで除去できます。

6.6メディアンフィルタリング

SPMフレームの高周波ランダムノイズを除去する良い結果は、メディアンフィルタリングによって得られます。 これは非線形画像処理法であり、その本質は次のように説明できます。 nxnポイントで構成される作業フィルターウィンドウが選択されます（明確にするために、3 x 3ウィンドウ、つまり9ポイントを含みます（図24））。

フィルタリングの過程で、このウィンドウはフレームを横切ってポイントからポイントへと移動し、次の手順が実行されます。 このウィンドウのポイントでのSPM画像の振幅値は昇順で配置され、並べ替えられた行の中央の値はウィンドウの中央ポイントに配置されます。 次に、ウィンドウが次のポイントに移動し、並べ替え手順が繰り返されます。 したがって、このような並べ替えの強力なランダムな外れ値とディップは、常に並べ替えられた配列の端になり、最終的な（フィルタリングされた）画像には含まれません。 この処理では、フィルタリングされていない領域がフレームの端に残り、最終的な画像で破棄されます。

6.7SPM画像からサーフェスを復元する方法

走査型プローブ顕微鏡法のすべての方法に固有の欠点の1つは、使用されるプローブの動作部分のサイズが有限であることです。 これは、プローブの動作部分の特徴的な寸法に匹敵するレリーフの不規則性を備えた表面をスキャンするときに、顕微鏡の空間分解能の大幅な低下とSPM画像の大幅な歪みにつながります。

実際、SPMで取得された画像は、プローブと調査中の表面の「畳み込み」です。 プローブ形状と表面レリーフの「畳み込み」のプロセスは、図1の1次元の場合に示されています。 25。

部分的に、この問題は、プローブの特定の形状を考慮に入れて、SPMデータのコンピューター処理に基づいてSPM画像を再構成するための最近開発された方法によって解決することができます。 表面再構成の最も効果的な方法は、数値デコンボリューション法です。これは、（よく知られている表面トポグラフィーを使用した）構造をスキャンするときに実験的に得られたプローブの形状を使用します。

サンプル表面の完全な復元は、2つの条件が満たされた場合にのみ可能であることに注意してください。スキャン中にプローブが表面のすべてのポイントに接触し、各瞬間にプローブが表面の1つのポイントにのみ接触しました。 ただし、スキャン中にプローブが表面の特定の領域に到達できない場合（たとえば、サンプルにレリーフのオーバーハングセクションがある場合）、レリーフの部分的な復元のみが発生します。 さらに、スキャン中にプローブが接触する表面ポイントの数が多いほど、表面をより確実に再構築できます。

実際には、SPM画像と実験的に決定されたプローブの形状は、離散値の2次元配列であり、その導関数は十分に定義されていない量です。 したがって、実際には離散関数の導関数を計算する代わりに、SPM画像の数値デコンボリューションでは、一定の平均高さでスキャンするときに、プローブと表面の間の最小距離の条件が使用されます。

この場合、表面に対するプローブの所与の位置についてのプローブ点と対応する表面点との間の最小距離は、所与の点での表面レリーフの高さと見なすことができる。 その物理的意味では、この条件は導関数が等しい条件と同等ですが、より適切な方法でプローブと表面の接触点を検索できるため、レリーフの再構築にかかる時間が大幅に短縮されます。

プローブの動作部分の形状を校正および決定するために、表面レリーフの既知のパラメータを備えた特別なテスト構造が使用されます。 最も一般的な試験構造の種類と原子間力顕微鏡を使用して得られたそれらの特徴的な画像を図1に示します。 26と図。 27。

とがったスケーリンググリッドはプローブチップの適切な位置合わせを可能にし、長方形のグリッドは側面の形状を変えるのに役立ちます。 これらの格子をスキャンした結果を組み合わせることにより、プローブの動作部分の形状を完全に復元することが可能です。

7.現代のSPM

1）走査型プローブ顕微鏡SM-300

間隙空間の形態的特徴と構造を研究するために設計されました。 SM-300（図28）には光学測位顕微鏡が組み込まれているため、関心のある領域を際限なく検索する必要がありません。 わずかに増加したサンプルのカラー光学画像がコンピューターモニターに表示されます。 光学画像の十字線は、電子ビームの位置に対応しています。 十字線を使用すると、ラスター分析の対象領域を定義するためにクイックポジショニングを行うことができます。

米。 28. SPMSM-300電子顕微鏡。 光学測位ユニットには別のコンピューターが装備されており、走査型顕微鏡からのハードウェアの独立性を保証します。

SM-300の機能

4nmの解像度を保証

独自の光学測位顕微鏡（オプション）

・直感的なWindows®ソフトウェア

完全にコンピューター制御された走査型顕微鏡とイメージング

デジタル信号処理を備えた標準TV出力

低真空システムのコンピューター制御（オプション）

すべての研究は、適用軸の同じ位置（12 mm）で実行されます。

低真空モードと高真空モードでの元素X線微量分析（オプション）

通常の部屋の照明条件で作業する能力

予備準備なしの非導電性サンプルの調査

低真空モードで5.5nmの分解能

スイッチングモードのソフトウェア制御

選択可能なチャンバー真空範囲1.3〜260 Pa

コンピューターのモニターに画像を表示する

シリアルV後方散乱ロビンソンセンサー

2）INCA Energy + Oxford微量分析システムを備えたSupra50VP高解像度走査型プローブ顕微鏡。

このデバイス（図29）は、ナノテクノロジーおよびバイオテクノロジーの分野で、材料科学のすべての分野での研究を目的としています。 この機器は、大きなサンプルサイズを処理し、準備なしで非導電性サンプルの可変圧力操作をサポートします。 米。 29. SPMSupra50VP

パラメーター：

加速電圧100V-30 kV（電界放出陰極）

最大。 x900000までの倍率

超高分解能-1nmまで（20 kVで）

2〜133Paの可変圧力の真空モード

加速電圧-0.1〜30 kV

5自由度の電動ステージ

Ka（Mn）ラインでのEDX検出器の分解能129 eV、最大100,000パルス/秒のカウントレート

3）「GEMINI」カラムと電界放出を備えたLEO SUPRA 25近代化顕微鏡（図30）。

–ナノ分析研究用に設計

–微量分析のためにEDXシステムとWDXシステムの両方に接続できます

–解像度20kVで1.5nm、1kVで2nm。

結論

過去数年間、プローブ顕微鏡の使用により、物理学、化学、生物学のさまざまな分野で独自の科学的結果を達成することが可能になりました。

最初の走査型プローブ顕微鏡が定性的研究の指標であった場合、最新の走査型プローブ顕微鏡は、最大50の異なる研究方法を統合するデバイスです。 プローブ-サンプルシステムで0.1％の精度で指定された変位を実行し、プローブの形状係数を計算し、十分に大きなサイズ（走査面で最大200 µm、高さ15〜20 µm）の精度測定を実行できます。同時に、分子内分解能を提供します。

走査型プローブ顕微鏡は、世界市場での科学研究のための最も要求の厳しいクラスの機器の1つになっています。 さまざまなアプリケーションに特化した新しい機器の設計が絶えず作成されています。

ナノテクノロジーのダイナミックな発展には、研究技術の能力のますます拡大が必要です。 世界中のハイテク企業は、ラマン分光法、発光分光法、元素分析用のX線分光法、高解像度光学顕微鏡法、電子顕微鏡法などの分析方法のグループ全体を組み合わせた研究および技術ナノコンプレックスの作成に取り組んでいます。集束イオンビーム。 システムは強力な知的能力を獲得します。画像を認識して分類し、必要なコントラストを強調し、結果をモデル化する能力を備え、スーパーコンピューターを使用して計算能力を提供します。

開発された技術には強力な可能性がありますが、その使用の最終的な目標は科学的な結果を得ることです。 この手法の機能を習得すること自体が非常に複雑な作業であり、これらのデバイスやシステムを効果的に使用できる高度な資格を持つ専門家のトレーニングが必要です。

参考文献

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7.生物学的物体の研究のための走査型プローブ顕微鏡の応用

7.生体物体の研究のための走査型プローブ顕微鏡の応用1

7.1。 仕事の目標2

7.2。 先生への情報3

7.4。 ガイドライン31

7.5。 安全性32

7.6。 タスク32

7.7。 セキュリティの質問32

7.8。 文学32

実験室の仕事はニジニノヴゴロド州立大学によって開発されました。 N.I. ロバチェフスキー

7.1。作業の目標

一部の構造のサイズと形状が主に生理学的特性を決定するため、生物学的構造の形態学的パラメーターの研究は生物学者にとって重要なタスクです。 形態学的データを機能的特徴と比較すると、人体または動物の体の生理学的バランスを維持する上での生細胞の関与に関する完全な情報を得ることができます。

以前は、生物学者と医師は、光学顕微鏡と電子顕微鏡でのみ準備を研究する機会がありました。 これらの研究は、固定され、染色され、スパッタリングによって得られた薄い金属コーティングで細胞の形態のいくらかの画像を与えた。 生物の形態や様々な要因による変化を調べることはできませんでしたが、とても魅力的でした。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、細胞、細菌、生体分子、およびDNAの研究において、ネイティブのものに可能な限り近い条件下での新しい可能性を切り開きました。 SPMを使用すると、特別な固定剤や染料を使用せずに、空気中、または液体媒体中でさえ、生物学的オブジェクトを研究できます。

現在、SPMは、基礎科学研究と応用ハイテク開発の両方で、さまざまな分野で使用されています。 国の多くの研究機関は、プローブ顕微鏡装置を備えています。 この点で、高度な資格を持つスペシャリストの需要は絶えず高まっています。 この要件を満たすために、NT-MDT（ゼレノグラード、ロシア）は、走査型プローブ顕微鏡法のための専門の教育および科学研究所を開発しました。 NanoEducator.

SPMManoEducator学生が実験室での作業を行うために特別に設計されています。 このデバイスは、学生の聴衆を対象としています。コンピューターによって完全に制御され、シンプルで直感的なインターフェイス、アニメーションサポート、技術の段階的な開発、複雑な設定の欠如、安価な消耗品が含まれます。

この実験室での作業では、走査型プローブ顕微鏡について学び、その基本に精通し、教育の設計と原理を研究します。 SPMManoEducator、研究用の生物学的製剤を準備する方法を学び、乳酸菌の複合体の最初のSPM画像を取得し、処理の基本と測定結果の提示を学びます。

7.2教師向け情報1

実験室での作業はいくつかの段階で行われます。

1.サンプル準備は、各学生が個別に行います。

2.最初の画像の取得は、教師の監督下で1つのデバイスで実行され、その後、各生徒が自分のサンプルを個別に調べます。

3.各学生による実験データの処理は個別に行われます。

研究用サンプル：カバーガラス上の乳酸菌。

作業を開始する前に、調査中のサンプルの表面の画像を取得するために、最も特徴的な振幅-周波数特性（単一対称最大）を持つプローブを選択する必要があります。

ラボレポートには以下を含める必要があります。

1.理論的な部分（質問を制御するための回答）。

2.実験部分の結果（研究の説明、得られた結果、および導き出された結論）。

1.生物学的オブジェクトの形態を研究するための方法。

2.走査型プローブ顕微鏡：

SPM設計;

SPMの種類：STM、AFM;

SPMデータ形式、SPMデータの視覚化。

3. SPM研究用のサンプルの準備：

細菌細胞の形態と構造;

SPMを使用して形態を研究するための準備の準備。

4. SPNManoEducatorの設計および制御プログラムに精通している。

5.SPMイメージを取得します。

6.受信した画像の処理と分析。 SPM画像の定量的特性評価。

生物学的対象の形態を研究するための方法

細胞の特徴的な直径は1020µm、バクテリア-0.5から35µmで、これらの値は肉眼で見える最小の粒子の5分の1です。 したがって、細胞の最初の研究は、光学顕微鏡の出現後にのみ可能になりました。 17世紀の終わりに。 アントニオ・ファン・レーウェンフックが最初の光学顕微鏡を製作しましたが、それ以前は、病原性微生物や細菌の存在を疑うことはありませんでした[参照。 7-1]。

光学顕微鏡

細胞の研究が難しいのは、細胞が無色透明であるためです。そのため、細胞の基本構造の発見は、染料を実際に導入した後にのみ行われました。 染料は十分な画像コントラストを提供した。 光学顕微鏡を使用すると、互いに0.2 µm離れている物体を区別できます。 光学顕微鏡でまだ識別できる最小の物体は、バクテリアとミトコンドリアです。 小さな細胞要素の画像は、光の波の性質によって引き起こされる効果によって歪められます。

長期的な調製物を調製するために、細胞を固定して保存するために、細胞を固定剤で処理します。 さらに、固定により、細胞の色素へのアクセス性が向上します。 細胞高分子は、架橋によって一緒に保持され、特定の位置に安定化および固定されます。 ほとんどの場合、アルデヒドとアルコールは固定剤として機能します（たとえば、グルタルアルデヒドまたはホルムアルデヒドはタンパク質の遊離アミノ基と共有結合を形成し、隣接する分子を架橋します）。 固定後、組織は通常ミクロトームで非常に薄い切片（厚さ1〜10 µm）に切断され、スライドガラス上に配置されます。 この調製方法では、細胞や高分子の構造が損傷する可能性があるため、瞬間冷凍が好ましい方法です。 凍結組織は、冷蔵室に置かれたミクロトームで切断されます。 セクショニング後、細胞は染色されます。 基本的に、この目的には有機染料が使用されます（マラカイトグリーン、ブラックスーダンなど）。 それぞれが細胞成分に対して一定の親和性を持っていることを特徴としています。たとえば、ヘマトキシリンは負に帯電した分子に対して親和性があるため、細胞内のDNAを検出することができます。 細胞内に少量の分子が存在する場合は、蛍光顕微鏡を使用するのが最も便利です。

蛍光顕微鏡

蛍光色素は、ある波長の光を吸収し、別のより長い波長の光を放出します。 このような物質に、染料が吸収する光の波長と一致する波長の光を照射し、フィルターを使用して、染料が発する光に対応する波長の光を透過させると、蛍光分子を検出できます。暗いフィールドで光ることによって。 放出される光の強度が高いことは、そのような分子の特徴です。 細胞を染色するための蛍光色素の使用には、特殊な蛍光顕微鏡の使用が含まれます。このような顕微鏡は、従来の光学顕微鏡に似ていますが、強力なイルミネーターからの光が2セットのフィルターを通過します。1つはイルミネーターの放射の一部を停止します。サンプルの前とサンプルから受け取った光をフィルタリングするための他の。 最初のフィルターは、特定の蛍光色素を励起する波長の光のみを透過するように選択されています。 同時に、2番目のフィルターはこの入射光を遮断し、色素が蛍光を発するときに色素が放出する波長の光を許可します。

蛍光顕微鏡は、蛍光色素に共有結合した後に蛍光を発する特定のタンパク質やその他の分子を特定するためによく使用されます。 この目的のために、通常2つの染料が使用されます- フルオレセイン、水色の光で励起した後、強い黄緑色の蛍光を発し、 ローダミン、黄緑色の光で励起した後、暗赤色の蛍光を発します。 フルオレセインとローダミンの両方を染色に使用することにより、さまざまな分子の分布を得ることができます。

暗視野顕微鏡

細胞構造の詳細を確認する最も簡単な方法は、細胞のさまざまな構成要素によって散乱された光を観察することです。 暗視野顕微鏡では、照明装置からの光線は側面から向けられ、散乱光線のみが顕微鏡の対物レンズに入ります。 したがって、セルは暗視野で照らされたオブジェクトのように見えます。 暗視野顕微鏡の主な利点の1つは、分裂および移動中の細胞の動きを観察できることです。 細胞の動きは非常に遅く、リアルタイムで観察するのが難しい傾向があります。 この場合、フレームごとの（タイムラプス）マイクロフィルムまたはビデオ録画が使用されます。 この場合、連続するフレームは時間的に分離されますが、記録が通常の速度で再生されると、実際のイベントの画像が加速されます。

近年、ビデオカメラおよび関連する画像技術により、光学顕微鏡の能力が大幅に向上しています。 それらの応用のおかげで、人類生理学の特殊性によって引き起こされる困難を克服することが可能でした。 彼らはそれです：

1.通常の状態では、目は非常に弱い光を記録しません。

2.目は、明るい背景に対する光の強度の小さな違いを検出できません。

これらの問題の最初のものは、超高感度ビデオカメラを顕微鏡に取り付けることによって克服されました。 これにより、明るい光に長時間さらされることを除いて、低照度で細胞を長時間観察することが可能になりました。 イメージングシステムは、生細胞内の蛍光分子を研究するために特に重要です。 画像はビデオカメラで電子信号の形で生成されるため、適切に数値信号に変換してコンピュータに送信し、追加の処理を行って隠された情報を抽出することができます。

コンピュータ干渉顕微鏡で達成可能な高コントラストにより、個々の微小管など、直径が光の波長の10分の1（0.025 µm）未満の非常に小さな物体でも観察できます。 個々の微小管は、蛍光顕微鏡を使用して見ることもできます。 ただし、どちらの場合も回折効果は避けられず、画像が大きく変化します。 この場合、微小管の直径は過大評価されており（0.2μm）、個々の微小管をいくつかの微小管の束から区別することは不可能です。 この問題を解決するには、可視光の波長をはるかに超えて分解能の限界がシフトしている電子顕微鏡が必要です。

電子顕微鏡法

波長と分解能限界の関係は、電子についても保持されます。 ただし、電子顕微鏡の場合、分解能の限界は回折限界よりはるかに低くなります。 電子の波長は、速度が上がるにつれて短くなります。 電圧が100,000Vの電子顕微鏡では、電子の波長は0.004nmです。 理論によれば、そのような顕微鏡の解像度は限界で0.002nmです。 しかし、実際には、電子レンズの開口数が小さいため、最新の電子顕微鏡の解像度はせいぜい0.1nmです。 サンプル準備の難しさと放射線による損傷は、通常の解像度を大幅に低下させます。これは、生物学的オブジェクトの場合、2 nm（光学顕微鏡の約100倍）です。

の電子源 透過型電子顕微鏡（TEM）は、高さ約2メートルの円柱の上部にある陰極フィラメントです。 空気分子との衝突中に電子が散乱するのを防ぐために、カラム内に真空が作成されます。 陰極フィラメントから放出された電子は、近くの陽極によって加速され、小さな穴を通って入り、カラムの底を通過する電子ビームを形成します。 光学顕微鏡で光のビームを集束させるガラスレンズのように、ある距離の柱に沿って電子ビームを集束させるリング磁石があります。 サンプルは、電子ビームの経路で、カラム内のエアロックを介して配置されます。 サンプルを通過する瞬間の電子の一部は、この領域の物質の密度に応じて散乱され、残りの電子は集束されて画像を形成します（光学顕微鏡での画像の形成と同様）。写真乾板または蛍光スクリーン上。

電子顕微鏡の最大の欠点の1つは、生物学的サンプルを特別な処理にかけなければならないことです。 最初に、それらは最初にグルタルアルデヒドで固定され、次に脂質とタンパク質の二重層に結合して安定化するオスミウム酸で固定されます。 第二に、電子は透過力が低いため、超薄切片を作成する必要があります。このために、サンプルを脱水して樹脂を含浸させます。 第三に、コントラストを高めるために、サンプルはオスミウム、ウラン、鉛などの重金属の塩で処理されます。

表面の3次元画像を取得するために使用されます 走査型電子顕微鏡（SEM）、サンプルの表面によって散乱または放出される電子が使用される場合。 この場合のサンプルは、固定され、乾燥され、重金属の薄膜で覆われ、次に細い電子ビームでスキャンされます。 この場合、表面照射中に散乱される電子の数が推定されます。 得られた値は、2番目のビームの強度を制御するために使用され、最初のビームと同期して移動し、モニター画面に画像を形成します。 このメソッドの分解能は約10nmであり、細胞内小器官の研究には適用できません。 この方法で研究されたサンプルの厚さは、電子の透過力またはそれらのエネルギーによって決定されます。

これらすべての方法の主で重大な欠点は、サンプル準備の期間、複雑さ、および高コストです。

走査型プローブ顕微鏡

走査型プローブ顕微鏡（SPM）では、電子ビームや光放射の代わりに、サンプルの表面をスキャンする先の尖ったプローブである針が使用されます。 比喩的に言えば、サンプルを光学顕微鏡または電子顕微鏡で検査すると、SPMで感じられると言えます。 その結果、真空、空気、液体など、さまざまな媒体にある物体の3次元画像を取得することができます。

生物学研究に適合したSPMの特別な設計により、光学的観察と同時に、異なる液体媒体中の生細胞と空気中の固定製剤の両方をスキャンすることが可能になります。

走査型プローブ顕微鏡

走査型プローブ顕微鏡の名前は、その動作原理を反映しています。つまり、サンプルの表面をスキャンし、プローブと表面の間の相互作用の程度をポイントごとに読み取ります。 スキャン領域のサイズとその中のポイント数NX NYを設定できます。 指定するポイントが多いほど、表面画像の解像度が高くなります。 信号読み取りポイント間の距離は、スキャンステップと呼ばれます。 スキャンステップは、調査した表面の詳細よりも少なくする必要があります。 スキャン中のプローブの移動（図7-1を参照）は、順方向と逆方向（高速スキャンの方向）に直線的に実行され、次のラインへの遷移は垂直方向（低速スキャンの方向）。

米。 71.スキャンプロセスの概略図
（信号の読み取りはスキャナーの直接コースで実行されます）

読み取り信号の性質に応じて、走査型顕微鏡の名前と目的は異なります。

原子間力顕微鏡（AFM）、プローブ原子とサンプル原子間の原子間相互作用の力が読み取られます。

トンネル顕微鏡（STM）、導電性サンプルと導電性プローブの間を流れるトンネル電流を読み取ります。

磁気力顕微鏡（MFM）、磁性材料でコーティングされたプローブと磁気特性を検出するサンプルとの間の相互作用の力が読み取られます。

静電力顕微鏡（ESM）を使用すると、サンプル表面の電位分布の画像を取得できます。 プローブが使用され、その先端は薄い導電性フィルム（金または白金）で覆われています。

SPM設計

SPMは、次の主要コンポーネントで構成されています（図7-2）：プローブ、プローブをテストサンプルの表面上でX、Y、Zに移動する圧電アクチュエータ、フィードバック回路、およびスキャンプロセスを制御するコンピュータ。画像取得。

図72.走査型プローブ顕微鏡のスキーム

プローブセンサー -準備をスキャンするパワープローブ顕微鏡のコンポーネント。 プローブセンサーには、長方形（I字型）または三角形（V字型）タイプのカンチレバー（スプリングコンソール）が含まれ（図7-3）、その端に尖ったプローブがあります（図7-3）。 、通常は円錐形またはピラミッド形です。 カンチレバーのもう一方の端は、基板に結合されています（いわゆるチップを使用）。 プローブセンサーは、シリコンまたは窒化シリコンでできています。 カンチレバーの主な特徴は力の定数（剛性定数）であり、0.01 N / mから1020N/ mまで変化します。 生物学的物体を研究するために、0.010.06N/ mの硬度を持つ「ソフト」プローブが使用されます。

米。 73.ピラミッド型AFMプローブの画像
電子顕微鏡で得られた：
a-I型、b-V型、c-カンチレバー先端のピラミッド

圧電アクチュエータ またはスキャナー-超短距離でのプローブに対するサンプルまたはサンプル自体上のプローブの制御された動き用。 圧電アクチュエータは、電圧が印加されると寸法が変化する圧電材料を使用しています。 電界の作用下で幾何学的パラメータを変更するプロセスは、逆圧電効果と呼ばれます。 最も一般的なピエゾ材料はチタン酸ジルコン酸鉛です。

スキャナーは、x、y（サンプルの側面）およびz（垂直）の3つの座標に沿った動きを提供する圧電セラミック構造です。 スキャナーにはいくつかの種類があり、その中で最も一般的なものは三脚とチューブです（図7-4）。

米。 7 4.スキャナーの設計：a）–三脚、b）–管状

三脚スキャナーでは、3つの座標での動きは、直交構造を形成する3つの独立した圧電セラミックロッドによって提供されます。

チューブスキャナーでは、中空の圧電チューブがXZ平面とZY平面で曲がり、チューブの動きを制御する電極に適切な電圧が印加されると、Z軸に沿って伸縮します。 XY平面での動きを制御する電極はチューブの外面に配置され、Zでの動きを制御するために、X電極とY電極に等しい電圧が印加されます。

フィードバック回路 -スキャン中にプローブがサンプル表面から一定の距離に保たれるSPM要素のセット（図7-5）。 スキャンプロセス中、プローブはサンプル表面の異なるレリーフの領域に配置できますが、プローブとサンプルの距離Zは変化し、それに応じてプローブとサンプルの相互作用の値が変化します。

米。 75.走査型プローブ顕微鏡のフィードバックスキーム

プローブが表面に近づくと、プローブとサンプルの相互作用力が増加し、記録デバイスの信号も増加します V(t), これは 電圧の単位で表されます。 コンパレータは信号を比較します V(t) 基準電圧で V 基本修正信号を生成します V corr。 補正信号 V corrがスキャナーに送られ、プローブがサンプルから引き込まれます。 基準電圧-プローブがサンプルから所定の距離にあるときの記録装置の信号に対応する電圧。 スキャン中にこの指定されたプローブとサンプルの距離を維持し、フィードバックシステムは指定されたプローブとサンプルの相互作用力を維持します。

米。 76.フィードバックシステムによるプローブとサンプルの相互作用の一定の力を維持するプロセスにおけるプローブの相対的な動きの軌跡

図について 図７－６は、一定のプローブ－サンプル相互作用力を維持しながら、サンプルに対するプローブの軌道を示している。 プローブが中心窩より上にある場合、電圧がスキャナーに印加され、スキャナーが長くなり、プローブが下がります。

プローブとサンプルの距離の変化（プローブとサンプルの相互作用）に対するフィードバックループの応答速度は、フィードバックループ定数によって決まります。 K。 値 K特定のSPMの設計上の特徴（スキャナー、電子機器の設計と特性）、SPMの動作モード（スキャン領域のサイズ、スキャン速度など）、および調査中の表面の特徴（レリーフの特徴のスケール）によって異なります。 、材料の硬度など）。

SPMの種類

走査型トンネル顕微鏡

STMでは、記録装置（図7-7）が金属プローブ間を流れるトンネル電流を測定します。トンネル電流は、サンプル表面の電位とその表面のトポグラフィーによって異なります。 プローブは鋭く鋭利な針であり、その先端の半径は数ナノメートルに達する可能性があります。 プローブの材質としては、通常、硬度と耐薬品性に​​優れたタングステンや白金などの金属が使用されます。

米。 77.トンネルプローブセンサーのスキーム

導電性プローブと導電性サンプルの間に電圧が印加されます。 プローブの先端がサンプルから約10Aの距離にある場合、電圧の符号に応じて、サンプルからの電子がギャップを通ってプローブにトンネルし始めます。その逆も同様です（図7-8）。

米。 78.プローブチップとサンプルの相互作用の概略図

結果として生じるトンネル電流は、記録装置によって測定されます。 その大きさ 私 Tトンネル接点に印加される電圧に比例します V針からサンプルまでの距離に指数関数的に依存します d.

したがって、プローブの先端からサンプルまでの距離のわずかな変化 dトンネル電流の指数関数的に大きな変化に対応します 私 T（電圧を想定 V一定に保たれます）。 このため、トンネルプローブセンサーの感度は、0.1 nm未満の高さの変化を記録するのに十分であり、その結果、固体の表面上の原子の画像を取得するのに十分です。

原子間力顕微鏡

原子間力相互作用の最も一般的なプローブセンサーは、その端にプローブが配置されたスプリングカンチレバー（英語のカンチレバーから-コンソール）です。 サンプルとプローブの間の力の相互作用によるカンチレバーの曲がりの量（図7-9）は、光学レジストレーションスキームを使用して測定されます。

力センサーの動作原理は、プローブの原子とサンプルの原子の間に作用する原子力の使用に基づいています。 プローブサンプルの力が変化すると、カンチレバーの曲がり量が変化し、その変化が光学レジストレーションシステムによって測定されます。 このように、原子間力センサーは高感度の尖ったプローブであり、個々の原子間の相互作用の力を記録することができます。

小さな曲がりの場合、プローブとサンプルの力の比率 Fカンチレバーチップのたわみ バツフックの法則によって決定されます：

どこ k カンチレバーの力定数（剛性定数）です。

たとえば、定数のカンチレバーが使用されている場合 k約1N / mの場合、約0.1ナノニュートンのプローブとサンプルの相互作用力の作用下で、カンチレバーのたわみは約0.1nmになります。

このような小さな変位を測定するために、通常、半導体レーザーと4セクションフォトダイオードで構成される光学変位センサーが使用されます（図7-9）。 カンチレバーを曲げると、カンチレバーから反射されたレーザービームが光検出器の中心に対してシフトします。 したがって、カンチレバーの曲がりは、光検出器の上半分（T）と下半分（B）の照明の相対的な変化から決定できます。

図79.力センサーのスキーム

相互作用のチップサンプルの力の距離のチップサンプルへの依存性

プローブがサンプルに近づくと、引力（ファンデルワールス力）が存在するため、最初にプローブが表面に引き付けられます。 プローブがサンプルにさらに近づくと、プローブの端にある原子の電子殻とサンプルの表面にある原子が重なり始め、反発力が発生します。 距離がさらに短くなると、反発力が支配的になります。

一般的に、原子間相互作用の強さの依存性 F原子間の距離から R次のようになります：

.

定数 aと bおよび指数 mと n原子の種類と化学結合の種類によって異なります。 ファンデルワールス力の場合 m= 7および n = 3。 定性的に、依存性F（R）を図1に示します。 7-10。

米。 710.原子間の相互作用力の距離依存性

SPM-データ形式、SPM-データの視覚化

光学顕微鏡での研究中に得られた表面形態に関するデータは、表面積の拡大画像として提示されます。 SPMで取得された情報は、整数Aijの2次元配列として書き込まれます。 各値ijについて スキャンフィールド内の表面上の特定のポイントに対応します。 この数字の配列のグラフィック表現は、SPMスキャン画像と呼ばれます。

スキャンされた画像は、2次元（2D）または3次元（3D）のいずれかになります。 2D視覚化では、サーフェスの各ポイントZ = f(x、y）は、表面のポイントの高さに応じて特定の色調が割り当てられます（図7-11a）。 3D視覚化では、表面画像Z = f(x、y）は、特定の方法で計算されたピクセルまたはレリーフラインの助けを借りて、軸測投影法の視点で構築されます。 3D画像を色付けする最も効果的な方法は、表面上の空間の特定のポイントにある点源による表面照明の状態をシミュレートすることです（図7-11b）。 この場合、レリーフの個々の小さな特徴を強調することができます。

米。 7 11.ヒトの血液リンパ球：
a）2D画像、b）側面照明付きの3D画像

SPM研究のためのサンプルの準備

細菌細胞の形態と構造

バクテリアは単細胞微生物であり、その機能的活動の多様性を決定する多様な形状と複雑な構造を持っています。 バクテリアは、球形（球形）、円筒形（棒状）、回旋状、繊維状の4つの主要な形状によって特徴付けられます[参照。 7-2]。

球菌 （球菌）-分裂面と個々の個体の位置に応じて、それらは微小球菌（別々に横たわっている球菌）、双球菌（対の球菌）、連鎖球菌（球菌の鎖）、ブドウ球菌（ブドウ球菌の外観を有する）に分けられます）、テトラコッカス（4つの球菌の形成）およびサルシン（8または16の球菌のパッケージ）。

棒状- バクテリアは、単一細胞、ディプロバクテリアまたはストレプトバクテリアの形で存在します。

コレクション- ビブリオ、スピリルム、スピロヘータ。 ビブリオ属は、わずかに湾曲した棒、スピリルムの外観を持っています-いくつかのらせん状のカールを持つ複雑な形状。

バクテリアのサイズは0.1から10µmの範囲です。 細菌細胞の組成には、莢膜、細胞壁、細胞膜および細胞質が含まれる。 細胞質には、ヌクレオチド、リボソーム、および封入体が含まれています。 一部の細菌はべん毛と絨毛を備えています。 多くのバクテリアが胞子を形成します。 細胞の最初の横方向のサイズを超えて、胞子はそれに紡錘形を与えます。

光学顕微鏡で細菌の形態を研究するために、アニリン染料で染色された天然（生体）調製物または固定塗抹標本がそれらから調製されます。 べん毛、細胞壁、ヌクレオチド、およびさまざまな細胞質封入体を検出するための特別な染色方法があります。

細菌細胞の形態のSPM研究では、調製物の染色は必要ありません。 SPMは、バクテリアの形状とサイズを高解像度で決定することを可能にします。 準備を注意深く準備し、曲率半径の小さいプローブを使用することで、べん毛を検出できます。 同時に、細菌の細胞壁の剛性が高いため、一部の動物細胞で行われるように、細胞内構造を「プローブ」することは不可能です。

形態のSPM研究のための準備の準備

SPMを初めて使用する場合は、複雑な準備を必要としない生物学的準備を選択することをお勧めします。 ザウアークラウトブラインまたは発酵乳製品からの簡単にアクセスでき、非病原性の乳酸菌が非常に適しています。

空気中のSPM研究では、研究対象物を基板の表面、たとえばカバーガラスにしっかりと固定する必要があります。 さらに、懸濁液中の細菌の密度は、基板への堆積中に細胞が互いにくっつかないようにする必要があります。また、1つのフレームでスキャン中に複数のオブジェクトを取得できるように、細胞間の距離が大きすぎないようにする必要があります。 これらの条件は、サンプル前処理モードが正しく選択されている場合に満たされます。 バクテリアを含む溶液を1滴基板に塗布すると、バクテリアが徐々に沈殿して付着します。 この場合、溶液中の細胞の濃度と沈降時間を主なパラメーターとして考慮する必要があります。 懸濁液中の細菌の濃度は、光学濁度標準によって決定されます。

私たちの場合、1つのパラメーターのみが役割を果たします-インキュベーション時間。 液滴がガラス上に長く保持されるほど、細菌細胞の密度が高くなります。 同時に、一滴の液体が乾き始めると、溶液の沈殿した成分によって調製物がひどく汚染されます。 細菌細胞（塩水）を含む溶液を1滴カバーガラスに塗布し、5〜60分間インキュベートします（溶液の組成によって異なります）。 次に、滴が乾くのを待たずに、蒸留水で完全に洗浄します（ピンセットで調製物をガラスに数回浸します）。 乾燥後、SPMで測定する準備が整います。

例えば、乳酸菌の調製物はザワークラウトブラインから調製された。 カバースリップ上のブラインドロップの曝露時間は、5分、20分、および1時間に選択されました（ドロップはすでに乾き始めていました）。 SPM-フレームを図に示します。 7 -12、図。 7-13、
米。 7-14。

図から、このソリューションの最適なインキュベーション時間は510分であることがわかります。 基板の表面に液滴を保持する時間が長くなると、細菌細胞が付着します。 一滴の溶液が乾き始めた場合、溶液の成分がガラス上に堆積し、洗い流すことができません。

米。 7 12.カバーガラス上の乳酸菌の画像、
SPMを使用して取得。

米。 7 13.カバーガラス上の乳酸菌の画像、
SPMを使用して取得。 溶液のインキュベーション時間20分

米。 7 14.カバーガラス上の乳酸菌の画像、
SPMを使用して取得。 溶液のインキュベーション時間1時間

選択した製剤の1つ（図7-12）で、乳酸菌とは何か、この場合はどのような形態が特徴的であるかを検討しました。 （図7-15）

米。 7 15.AFM-カバーガラス上の乳酸菌の画像。
溶液のインキュベーション時間5分

米。 7 16.AFM-カバーガラス上の乳酸菌の連鎖の画像。
溶液のインキュベーション時間5分

ブラインは棒状のバクテリアの形と鎖状の配列が特徴です。

米。 717.教育用SPMNanoEducatorの制御プログラムのウィンドウ。
ツールバー

教育用SPMNanoEducatorプログラムのツールを使用して、細菌細胞のサイズを決定しました。 それらは約0.5×1.6µmの範囲でした
最大0.8×3.5µm。

得られた結果は、バクテリアの決定因子であるBergey [Lit。 7-3]。

乳酸菌は乳酸桿菌（Lactobacillus）に属しています。 細胞は棒状で、通常は規則的な形をしています。 スティックは長く、時にはほとんど球形で、通常は短い鎖になっています。 寸法0.5-1.2X1.0-10ミクロン。 論争は形成されません。 まれに、べん毛が豊富なために可動性があります。 環境中に広く分布しており、特に動植物由来の食品に見られます。 乳酸菌は消化管の正常な微生物叢の一部です。 ザワークラウトは、ビタミンの含有量に加えて、腸内細菌叢の改善に役立つことを誰もが知っています。

走査型プローブ顕微鏡の設計 NanoEducator

図について 7-18は測定ヘッドの外観を示しています SPMManoEducator作業で使用されるデバイスの主な要素が示されています。

米。 718.測定ヘッドSPMNanoEducatorの外観
1ベース、2サンプルホルダー、3相互作用センサー、4センサー固定ネジ、
手動アプローチ用の5ネジ、水平面でサンプルを使用してスキャナーを移動するための6ネジ、ビデオカメラ付きの7保護カバー

図について 7-19に測定ヘッドの設計を示します。 ベース１には、サンプルホルダー７と、ステッピングモーターに基づいてサンプルをプローブ２に運ぶための機構を備えたスキャナー８がある。 教育では SPMManoEducatorサンプルはスキャナーに固定され、サンプルは固定プローブに対してスキャンされます。 力相互作用センサー4に固定されたプローブ6は、手動アプローチネジ3を使用してサンプルにアプローチすることもできます。サンプル上の調査サイトの予備選択は、ネジ9を使用して実行されます。

米。 7 19. SPM NanoEducatorの構築：1 –ベース、2 –アプローチメカニズム、
3 –手動アプローチネジ、4 –相互作用センサー、5 –センサー固定ネジ、6 –プローブ、
7-サンプルホルダー、8-スキャナー、9、10-サンプルと一緒にスキャナーを移動するためのネジ

トレーニング SPMManoEducatorケーブルで接続された測定ヘッド、SPMコントローラー、および制御コンピューターで構成されます。 顕微鏡にはビデオカメラが装備されています。 プリアンプで変換された後の相互作用センサーからの信号は、SPMコントローラーに入ります。 作業管理 SPMManoEducator SPMコントローラーを介してコンピューターから実行されます。

力の相互作用センサーとプローブ

デバイス内 NanoEducatorセンサーは、長さのある圧電セラミックチューブの形で作られています l= 7 mm、直径 d= 1.2mmおよび壁の厚さ h\ u003d 0.25 mm、一端をしっかりと固定。 導電性電極がチューブの内面に堆積されます。 2つの電気的に絶縁された半円筒形の電極がチューブの外面に配置されています。 チューブの自由端に取り付けられているのは、直径のタングステンワイヤーです。
100 µm（図7-20）。

米。 7 20.NanoEducatorのユニバーサルセンサーの設計

プローブとして使用されるワイヤの自由端は電気化学的に研磨され、曲率半径は0.20.05µmです。 プローブは、機器の接地された本体に接続されたチューブの内部電極と電気的に接触しています。

圧電管に2つの外部電極が存在することにより、圧電管の一部（図7-21によると上部）を力相互作用センサー（機械的振動のセンサー）として使用し、他の部分を使用することができます。ピエゾバイブレーターとして使用されます。 交流電圧は、パワーセンサーの共振周波数に等しい周波数でピエゾバイブレーターに供給されます。 チップとサンプルの距離が大きい場合の振動振幅は最大です。 図からわかるように。 7-22、振動プロセス中に、プローブはその強制的な機械的振動の振幅に等しい量A o（マイクロメートルの何分の1か）だけ平衡位置からずれますが、交流電圧はの2番目の部分に現れますプローブの変位に比例するピエゾチューブ（振動センサー）。これは機器によって測定されます。

プローブがサンプルの表面に近づくと、振動中にプローブがサンプルに接触し始めます。 これにより、センサー振動の振幅周波数特性（AFC）が、表面から遠く離れて測定されたAFCと比較して左にシフトします（図7-22）。 ピエゾチューブの駆動振動の周波数は一定に保たれ、自由状態の振動周波数оに等しいため、プローブが表面に近づくと、その振動の振幅は減少し、Aに等しくなります。この振動の振幅が記録されます。ピエゾチューブの2番目の部分から。

米。 721.圧電管の動作原理
力の相互作用センサーとして

米。 722.力センサーの発振周波数を変更する
サンプル表面に近づくとき

スキャナー

デバイスで使用されるマイクロムーブメントを整理する方法 NanoEducatorは、周囲に固定された金属膜の使用に基づいており、その表面に圧電プレートが接着されています（図7-23a）。 制御電圧の作用下で圧電プレートの寸法が変化すると、膜が曲がります。 このような膜を立方体の3つの垂直な側面に配置し、それらの中心を金属プッシャーで接続することにより、3座標スキャナーを取得できます（図7-23b）。

米。 7 23. NanoEducatorスキャナーの動作原理（a）と設計（b）

立方体２の面に固定された各圧電素子１は、電圧が印加されると、それに取り付けられたプッシャー３を、３つの相互に垂直な方向（Ｘ、Ｙ、またはＺ）のいずれかに動かすことができる。この図では、3つのプッシャーすべてが1つのポイントで接続されています。4ある程度の概算では、このポイントは3つの座標X、Y、Zに沿って移動すると想定できます。 サンプルホルダー6を備えたラック5は同じポイントに取り付けられているため、サンプルは3つの独立した電圧源の作用下で3つの座標に沿って移動します。 電化製品で NanoEducatorサンプルの最大変位は約5070µmで、これが最大スキャン領域を決定します。

サンプルへのプローブの自動アプローチのメカニズム（フィードバックキャプチャ）

Z軸に沿ったスキャナーの移動範囲は約10µmです。したがって、スキャンする前に、この距離でプローブをサンプルに近づける必要があります。 この目的のために、アプローチメカニズムが設計されており、そのスキームは図1に示されています。 7-19。 ステッピングモーター1は、電気インパルスが加えられると、送りねじ2を回転させ、プローブ4とともにバー3を動かし、スキャナー6に取り付けられたサンプル5に近づけたり遠ざけたりします。1ステップの値は次のとおりです。約2μm。

米。 724.プローブをサンプル表面に接近させるメカニズムのスキーム

アプローチ機構のステップは、スキャン中に必要なプローブとサンプルの距離の値を大幅に超えるため、プローブの変形を防ぐために、ステッピングモーターの同時動作とZに沿ったスキャナーの移動を伴ってアプローチが実行されます。次のアルゴリズムに従った軸：

1.フィードバックシステムがオフになり、スキャナーが「収縮」します。つまり、サンプルを最下部の位置まで下げます。

2.プローブアプローチメカニズムは、1つのステップを踏んで停止します。

3.フィードバックシステムがオンになり、プローブとサンプルの相互作用が分析されている間、スキャナーがサンプルをスムーズに持ち上げます。

4.相互作用がない場合、プロセスはポイント1から繰り返されます。

スキャナーが引き上げられている間にゼロ以外の信号が表示された場合、フィードバックシステムはスキャナーの上方への移動を停止し、所定のレベルで相互作用の量を固定します。 プローブの接近が停止し、スキャンプロセスがデバイスで発生する力の相互作用の大きさ NanoEducatorパラメータによって特徴付けられる 振幅抑制（振幅抑制) :

A = Ao。 （1-振幅抑制）

SPM画像の取得

プログラムを呼び出した後 NanoEducatorメインプログラムウィンドウがコンピュータ画面に表示されます（図7-20）。 メニュー項目から作業を開始する必要があります ファイルそしてその中で 開けるまた 新しいまたはツールバーの対応するボタン（、）。

チームの選択 ファイル 新しい SPM測定への移行、およびコマンドの選択を意味します ファイル 開ける以前に受信したデータの表示と処理への移行を意味します。 このプログラムを使用すると、測定と並行してデータを表示および処理できます。

米。 7 25.NanoEducatorのメインウィンドウ

コマンド実行後 ファイル 新しい画面にダイアログボックスが表示され、現在の測定結果がデフォルトで保存される作業フォルダを選択または作成できます。 測定の過程で、取得されたすべてのデータは、名前の付いたファイルに順番に記録されます ScanData + i.spm、ここでインデックス 私プログラムが開始されるとゼロにリセットされ、新しい測定ごとに増分されます。 ファイル ScanData + i.spm測定開始前に設定された作業フォルダに配置されます。 測定中に別の作業フォルダを選択することが可能です。 これを行うには、ボタンを押します , メインプログラムウィンドウのツールバーにあり、メニュー項目を選択します 作業フォルダを変更する.

現在の測定結果を保存するには、ボタンを押します 名前を付けて保存表示されるダイアログボックスの[スキャン]ウィンドウで、フォルダを選択し、ファイル名を指定します。 ScanData + i.spm測定中の一時的なデータ保存ファイルとして機能する、は、指定したファイル名に名前が変更されます。 デフォルトでは、ファイルは測定開始前に割り当てられた作業フォルダに保存されます。 測定結果を保存する操作を行わない場合は、次にプログラムを起動したときに、結果が一時ファイルに記録されます。 ScanData + i.spm、（作業ディレクトリが変更されない限り）順次上書きされます。 作業フォルダ内の測定結果の一時ファイルの存在について、プログラムを終了する前と開始した後に警告が発行されます。 測定を開始する前に作業フォルダを変更すると、前の実験の結果を削除から保護できます。 デフォルト名 ScanData作業フォルダ選択画面で指定することで変更できます。 ボタンを押すと、作業フォルダを選択するためのウィンドウが呼び出されます。 , メインプログラムウィンドウのツールバーにあります。 測定結果をウィンドウに保存することもできます スキャンブラウザ、必要なファイルを1つずつ選択し、選択したフォルダに保存します。

NanoEducatorで得られた結果をASCIIおよびNova（NTMDT）形式にエクスポートすることができます。これは、NTMDT Nova、画像分析、およびその他のプログラムによってインポートできます。 スキャン画像、それらの断面のデータ、分光測定の結果はASCII形式にエクスポートされます。 データをエクスポートするには、ボタンをクリックします 輸出メインアプリケーションウィンドウのツールバーにあるか、またはを選択します 輸出メニュー項目で ファイルこのウィンドウで、適切なエクスポート形式を選択します。 処理および分析用のデータは、事前に起動された画像分析プログラムにすぐに送信できます。

ダイアログウィンドウを閉じると、画面に計測器のコントロールパネルが表示されます。
（図7-26）。

米。 726.計器制御盤

計測器のコントロールパネルの左側には、SPM構成を選択するためのボタンがあります。

SSM–走査力顕微鏡（SFM）

STM–走査型トンネル顕微鏡（STM）。

トレーニングSPNManoEducatorで測定を実行するには、次の操作を実行します。

1.サンプルのインストール

注意！ サンプルを挿入する前に、プローブを損傷しないように、プローブと一緒にセンサーを取り外す必要があります。

サンプルを修正するには、次の2つの方法があります。

磁気テーブル上（この場合、サンプルは磁気基板に接続する必要があります）。

両面粘着テープに。

注意！ 両面テープにサンプルを貼り付けるには、ホルダーをラックから外し（スキャナーを傷つけないように）、少し止まるまでねじ込みます。

磁気マウントの場合、サンプルホルダーを緩めることなくサンプルを交換できます。

2.プローブの取り付け

注意！ サンプルを置いた後は、必ずプローブと一緒にセンサーを取り付けてください。

目的のプローブセンサーを選択した後（ベースの金属エッジでプローブを保持します）（図7-27を参照）、測定ヘッドカバーのプローブプローブ固定ネジ2を緩め、プローブが止まるまでホルダーソケットに挿入します。 、固定ネジを時計回りに軽く止まるまでネジ止めします。

米。 727.プローブの取り付け

3.スキャン場所の選択

サンプルの調査場所を選択するときは、デバイスの下部にある2座標テーブルを移動するためのネジを使用してください。

4.サンプルへのプローブの予備的アプローチ

予備的なアプローチ操作は、各測定に必須ではありません。その実装の必要性は、サンプルとプローブの先端の間の距離によって異なります。 プローブの先端とサンプル表面との距離が0.51mmを超える場合は、予備アプローチ操作を実行することが望ましいです。 プローブとサンプルの間の距離が離れている場合のサンプルへの自動アプローチを使用する場合、アプローチプロセスには非常に長い時間がかかります。

手ねじを使用して、プローブとサンプル表面の間の距離を視覚的に制御しながら、プローブを下げます。

5.共振曲線を作成し、動作周波数を設定します

この操作は、必然的に各測定の開始時に実行され、実行されるまで、以降の測定ステップへの移行はブロックされます。 さらに、測定プロセス中に、この操作を再実行する必要がある状況が発生する場合があります（たとえば、接触が失われた場合）。

計測器のコントロールパネルのボタンを押すと、共振検索ウィンドウが呼び出されます。 この操作を実行するには、ジェネレータによって設定された強制振動の周波数が変化したときのプローブ振動の振幅を測定する必要があります。 これを行うには、ボタンを押します 走る（図7-28）。

米。 7 28.共振検索操作ウィンドウと動作周波数設定：
a）-自動モード、b）-手動モード

モードで 自動発振器周波数は、プローブ振動の最大振幅が観測された周波数に自動的に等しく設定されます。 与えられた周波数範囲でのプローブ振動の振幅の変化を示すグラフ（図7-28a）により、共振ピークの形状を観察することができます。 共振ピークが十分に発音されていない場合、または共振周波数での振幅が小さい場合（ 1V未満）、測定パラメータを変更し、共振周波数を再決定する必要があります。

このモードは マニュアル。 ウィンドウでこのモードを選択した場合 共振周波数の決定追加のパネルが表示されます
（図7-28b）。これにより、次のパラメータを調整できます。

プローブスイング電圧ジェネレータによって与えられます。 この値を最小（ゼロまで）に設定し、50mV以下に設定することをお勧めします。

振幅ゲイン（ 振幅ゲイン）。 プローブの発振振幅が不十分な場合（<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент 振幅ゲイン.

共振探索動作を開始するには、ボタンを押します 始める.

モード マニュアルグラフ上の緑色のカーソルをマウスで動かすことにより、選択した周波数を手動で変更できます。また、選択した周波数周辺の狭い範囲の値での振動振幅の変化の性質を明確にすることができます（これを行うには、スイッチを設定する必要があります 手動モード所定の位置に その通りボタンを押します 始める).

6.インタラクションキャプチャ

相互作用をキャプチャするために、プローブとサンプルの制御されたアプローチの手順は、自動化されたアプローチメカニズムを使用して実行されます。 この手順のコントロールウィンドウは、機器のコントロールパネルのボタンを押すことで呼び出されます。 CCMを使用する場合、このボタンは、検索操作を実行し、共振周波数を設定した後に使用可能になります。 窓 CCM、リード（図7-29）には、プローブアプローチコントロールと、手順の進行状況を分析できるパラメータ表示が含まれています。

米。 729.プローブアプローチウィンドウ

ウィンドウ内 供給ユーザーは、次の値を監視できます。

スキャナー拡張（ スキャナーZ）単位として、可能な最大値を基準にしたZ軸に沿って。 スキャナーの相対的な伸びの値は、スキャナーが現在配置されている領域に対応する色で左側のインジケーターの充填レベルによって特徴付けられます：緑-作業領域、青-作業領域の外側、赤-スキャナーサンプル表面に近づきすぎているため、プローブが変形する可能性があります。 後者の場合、プログラムは警告音を発します。

プローブの振動振幅力の相互作用がない場合の振動の振幅と比較して、1と見なされます。 プローブ振動の相対振幅の値は、ブルゴーニュでの充填レベルによって右側のインジケーターに表示されます。 インジケーターの水平マーク プローブの振動振幅スキャナーの状態の分析が実行されるレベルと、作業位置への自動出力を示します。

ステップ数（ Wagi）指定された方向に渡されます：アプローチ-アプローチ、撤回-除去。

プローブを下げるプロセスを開始する前に、次のことを行う必要があります。

アプローチパラメータが正しく設定されているかどうかを確認します。

フィードバックゲイン OSゲイン値に設定 3 ,

パラメータを確認してください 抑制振幅（力）値は約0.2です（図7-29を参照）。 それ以外の場合は、ボタンを押します 力とウィンドウで 相互作用パラメータの設定（図7-30）設定値 抑制振幅同等 0.2. より繊細なアプローチの場合、パラメータ値 抑制振幅多分少ないです .

パラメータウィンドウで設定が正しいか確認してください パラメーター、ページ アプローチパラメータ.

相互作用があるかどうかは、左側のインジケーターで判断できます スキャナーZ。 スキャナーの完全な拡張（インジケーター全体 スキャナーZ青で着色）、および完全に陰影のあるバーガンディインジケーター プローブの振動振幅（図7-29）は相互作用がないことを示します。 共振の探索と動作周波数の設定を行った後、プローブの自由振動の振幅を1とします。

アプローチ前またはアプローチ中にスキャナーが完全に伸ばされていない場合、またはプログラムが次のメッセージを表示する場合：「エラー！ プローブがサンプルに近すぎます。 アプローチパラメータまたは物理ノードを確認してください。 安全な場所に移動したい」、進入手順を一時停止することをお勧めします。

a。 オプションの1つを変更します。

相互作用の量を増やす、パラメータ 抑制振幅、 また

値を増やす OSゲイン、 また

アプローチステップ間の遅延時間を増やす（パラメータ 積分時間ページ上 アプローチパラメータ窓 パラメーター).

b。 プローブの先端とサンプルの間の距離を大きくします（これを行うには、段落で説明されている手順に従って、操作を実行します 共振、その後、手順に戻ります 供給.

米。 730.プローブとサンプル間の相互作用の値を設定するためのウィンドウ

インタラクションをキャプチャした後、メッセージ「 リード完了」.

一歩近づける必要がある場合は、ボタンを押してください。 この場合、最初にステップが実行され、次にインタラクションをキャプチャするための基準がチェックされます。 移動を停止するには、ボタンを押します。 撤回操作を実行するには、ボタンを押してすばやく撤回する必要があります

または、ボタンを押してゆっくりと撤回します。 必要に応じて、1ステップ後退し、ボタンを押します。 この場合、最初にステップが実行され、次にインタラクションをキャプチャするための基準がチェックされます。

7.スキャン

進入手順を完了した後（ 供給）およびインタラクションキャプチャ、スキャンが利用可能になります（機器のコントロールパネルウィンドウのボタン）。

このボタンを押すと（スキャンウィンドウのビューが図7-31に表示されます）、ユーザーは直接測定に進み、測定結果を取得します。

スキャンプロセスを実行する前に、スキャンパラメータを設定する必要があります。 これらのオプションは、ウィンドウのトップバーの右側にグループ化されています。 走査.

プログラムを開始して初めて、デフォルトでインストールされます。

スキャンエリア - 領域 （バツnm *Ynm）：5000 * 5000nm;

ポイントの量軸に沿った測定-X、Y： NX=100, ニューヨーク=100;

スキャンパス - 方向スキャン方向を定義します。 このプログラムでは、高速スキャン軸の方向（XまたはY）を選択できます。 プログラムが起動すると、インストールされます 方向

スキャンパラメータを設定したら、ボタンをクリックする必要があります 申し込みパラメータとボタンの入力を確認します 始めるスキャンを開始します。

米。 7 31.プロセスを管理し、CCMスキャンの結果を表示するためのウィンドウ

7.4。ガイドライン

ユーザーマニュアルを読む[参照。 7-4]。

7.5。安全性

デバイスは220Vの電圧で駆動されます。NanoEducator走査型プローブ顕微鏡は、最大1000Vの電圧の民生用電気設備のPTEおよびPTBに従って操作する必要があります。

7.6タスク

1.SPM研究用に独自の生物学的サンプルを準備します。

2.NanoEducatorの一般的な設計を練習します。

3.NanoEducator制御プログラムに精通します。

4.教師の監督下で最初のSPM画像を取得します。

5.結果の画像を処理して分析します。 あなたの溶液にはどのような形のバクテリアが典型的ですか？ 細菌細胞の形と大きさを決定するものは何ですか？

6.バージーのバクテリアキーを取り、そこに記載されている結果と比較します。

7.7。制御の質問

1.生物学的対象を研究するための方法は何ですか？

2.走査型プローブ顕微鏡とは何ですか？ その根底にある原則は何ですか？

3.SPMの主要コンポーネントとその目的に名前を付けます。

4.圧電効果とは何ですか？SPMでどのように適用されるか。 スキャナーのさまざまな設計について説明してください。

5.NanoEducatorの一般的な設計について説明してください。

6.力相互作用センサーとその動作原理を説明します。

7.NanoEducatorでプローブをサンプルに近づけるメカニズムを説明します。 プローブとサンプル間の相互作用の強さを決定するパラメータを説明します。

8.スキャンの原理とフィードバックシステムの動作を説明します。 スキャンオプションを選択するための基準について教えてください。

7.8文学

点灯。 7 1. Paul deKruy。 微生物ハンター。 M.テラ。 2001年。

点灯。 72.微生物学の実践的な演習へのガイド。 エゴロフN.S.の編集下 モスクワ：ナウカ、1995年。

点灯。 7 3. Holt J.、Krieg N.、P。Sneath、J。Staley、S。Williams //バクテリアの決定因子バージー。 M。：Mir、1997.Vol。No.2。C.574。

点灯。 74.機器ユーザーマニュアル NanoEducator.オブジェクト。 ニジニノヴゴロド。 科学教育センター...

コース「生物学における走査型プローブ顕微鏡」に関する講義ノート講義計画

概要

... 走査調査顕微鏡学生物学における」講義の計画：はじめに、SPMの歴史。境界 アプリケーション...そしてナノ構造、 リサーチ生物学的オブジェクト：ノーベル賞受賞者..。 にとってリサーチ特定のサンプル：B 走査調査顕微鏡学にとって ...

電子顕微鏡に関するxxiiiロシア会議の予備プログラム6月1日火曜日の朝1000 – 1400会議の開会紹介スピーチ

プログラム

B.P. Karadzhyan、Yu.L。 Ivanova、Yu.F。 Ivlev、V.I。 ポペンコ 応用調査と共焦点 走査顕微鏡学にとってリサーチナノ分散グラフトを使用した修復プロセス..

機能性材料の組成と構造を研究するための第1回全ロシア科学会議の方法

書類

マルチエレメント オブジェクト非参照... Lyakhov N.Z. リサーチナノコンポジット 生物学的にアクティブ...アリエブV.Sh. 応用方法 調査顕微鏡にとってリサーチ効果... 走査熱量測定と熱刺激電流 にとってリサーチ ...

ナノオブジェクトの観察と移動を可能にした最初のデバイスは、走査型プローブ顕微鏡でした。原子間力顕微鏡と、同様の原理で動作する走査型トンネル顕微鏡です。 原子間力顕微鏡（AFM）は、これらの研究で1986年にノーベル賞を受賞したG.BinnigとG.Rohrerによって開発されました。 個々の原子の間に生じる引力と斥力を感じることができる原子間力顕微鏡の作成により、最終的に、ナノオブジェクトを「感じて見る」ことが可能になりました。

図9.走査型プローブ顕微鏡の動作原理（http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#から取得）。 点線はレーザービームの経路を示しています。 本文中の他の説明。

AFMの基礎（図9を参照）は、通常シリコンでできており、薄いプレートコンソール（英語の単語「カンチレバー」からカンチレバーと呼ばれます-コンソール、ビーム）を表すプローブです。 カンチレバーの端（長さ»500 µm、幅»50 µm、厚さ»1 µm）には、非常に鋭いスパイク（長さ»10 µm、曲率半径1〜10 nm）があり、1つのグループまたはより多くの原子（図10を参照）。

図10.低倍率（上）と高倍率で撮影された同じプローブの電子顕微鏡写真。

マイクロプローブがサンプル表面に沿って移動すると、スパイクの先端が上下し、蓄音機の針が蓄音機のレコードの上をスライドするのと同じように、表面のマイクロレリーフの輪郭を描きます。 カンチレバーの突き出た端（スパイクの上、図9を参照）には、レーザービームが当たって反射するミラー領域があります。 スパイクが表面の凹凸で下降および上昇すると、反射ビームが偏向され、この偏向が光検出器によって記録され、スパイクが近くの原子に引き付けられる力が圧電センサーによって記録されます。

光検出器および圧電センサーからのデータは、例えば、マイクロプローブとサンプル表面との間の相互作用力の一定値を提供することができるフィードバックシステムで使用される。 その結果、サンプル表面の3次元レリーフをリアルタイムで構築することが可能です。 AFM法の分解能は、水平方向に約0.1〜1 nm、垂直方向に0.01nmです。 走査型プローブ顕微鏡を用いて得られた大腸菌の画像を図1に示します。 十一。

図11.大腸菌（ 大腸菌）。 画像は、走査型プローブ顕微鏡を使用して取得されました。 細菌の長さは1.9µm、幅は1 µmです。 べん毛と繊毛の厚さはそれぞれ30nmと20nmです。

走査型プローブ顕微鏡の別のグループは、いわゆる量子力学的「トンネル効果」を使用して表面トポグラフィーを構築します。 トンネル効果の本質は、鋭い金属針と約1 nmの距離にある表面との間の電流がこの距離に依存し始めることです。距離が小さいほど、電流は大きくなります。 針と表面の間に10Vの電圧が印加された場合、この「トンネル」電流は10pAから10nAになる可能性があります。 この電流を測定して一定に保つことにより、針と表面の間の距離も一定に保つことができます。 これにより、3次元の表面プロファイルを作成できます（図12を参照）。 原子間力顕微鏡とは異なり、走査型トンネル顕微鏡は金属または半導体の表面しか研究できません。

図12.調査中の表面の原子の層の上に一定の距離（矢印を参照）で配置された走査型トンネル顕微鏡の針。

走査型トンネル顕微鏡を使用して、原子をオペレーターが選択したポイントに移動することもできます。 たとえば、顕微鏡の先端とサンプルの表面の間の電圧を、この表面を研究するために必要な電圧よりもいくらか高くすると、それに最も近いサンプル原子がイオンに変わり、針に「ジャンプ」します。 その後、針を少し動かして電圧を変えることで、逃げ出した原子をサンプルの表面に「ジャンプ」させることができます。 したがって、原子を操作してナノ構造を作成することが可能です。 ナノメートルのオーダーの寸法を有する表面上の構造。 1990年に、IBMの従業員は、35個のキセノン原子からニッケルプレートに会社名を追加することでこれが可能であることを示しました（図13を参照）。

図13。1990年に走査型プローブ顕微鏡を使用してこの会社の従業員によって作成されたIBMの名前であるニッケルプレート上の35個のキセノン原子で構成されています。

プローブ顕微鏡を使用すると、原子を動かすだけでなく、自己組織化の前提条件を作成することもできます。 たとえば、金属プレート上にチオールイオンを含む水滴がある場合、顕微鏡プローブはこれらの分子のそのような配向を促進し、2つの炭化水素テールがプレートから離れます。 その結果、金属板に付着したチオール分子の単分子層を形成することが可能です（図14を参照）。 金属表面に分子の単分子層を作成するこの方法は、「ペンナノリソグラフィー」と呼ばれます。

図14.左上-金属板の上にある走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー（灰色の鋼）。 右側は、カンチレバープローブの下の領域（左の図で白丸で囲まれている）の拡大画像です。これは、プローブの先端にある単分子層に紫色の炭化水素テールが並んでいるチオール分子を概略的に示しています。 Scientific American、2001年、9月、p。 44。

走査型プローブ顕微鏡

表面特性の研究において最も若く、同時に有望な方向性は、走査型プローブ顕微鏡法です。 プローブ顕微鏡の記録分解能は0.1nm未満です。 彼らは、表面とそれをスキャンする顕微鏡の先端（プローブ）との間の相互作用を測定し、コンピューター画面に3次元画像を表示することができます。

プローブ顕微鏡法は、原子や分子を見るだけでなく、それらに影響を与えることもできます。 この場合、特に重要なことは、物体は必ずしも真空（電子顕微鏡では通常）だけでなく、さまざまな気体や液体でも研究できるということです。

プローブ走査型トンネル顕微鏡は、1981年にIBM ResearchCenterの従業員であるG.BinningとH.Rohrer（USA）によって発明されました。 5年後、彼らは本発明に対してノーベル賞を受賞しました。

BinningとRohrerは、10nm未満の表面積を研究するためのデバイスの設計を試みました。 その結果は、予想をはるかに超えていました。科学者は、直径がわずか約1ナノメートルの個々の原子を見ることができました。 走査型トンネル顕微鏡の動作は、トンネル効果と呼ばれる量子力学的現象に基づいています。 非常に薄い金属チップ（負に帯電したプローブ）をサンプルに近づけます。これも金属で、正に帯電しています。 その瞬間、それらの間の距離がいくつかの原子間距離に達すると、電子はそれを自由に通過し始めます-「トンネル」：電流がギャップを流れます。

顕微鏡の操作にとって非常に重要なのは、トンネル電流がチップとサンプル表面の間の距離に大きく依存することです。 ギャップをわずか0.1nm減らすと、電流は約10倍になります。 したがって、原子のサイズが不規則であっても、電流の大きさに顕著な変動が生じます。

画像を取得するために、プローブが表面をスキャンし、電子システムが電流を読み取ります。 この値がどのように変化するかに応じて、チップは下降または上昇します。 したがって、システムは電流の値を一定に維持し、先端の動きの軌道は表面の起伏に従い、丘やくぼみの周りで曲がります。

先端は、電圧の影響下で変化する可能性のある材料で作られたマニピュレーターであるピエゾスキャナーを動かします。 ピエゾスキャナーは、ほとんどの場合、伸びたり曲がったりする複数の電極を備えたチューブの形をとり、1000分の1ナノメートルの精度でプローブをさまざまな方向に動かします。

先端の動きに関する情報は、画面上にポイントごとに作成された表面の画像に変換されます。 わかりやすくするために、さまざまな高さのセクションはさまざまな色で描かれています。

理想的には、プローブの先端の端に1つの不動の原子があるはずです。 針先に突起が複数ある場合は、画像が2倍または3倍になることがあります。 欠陥をなくすために、針は酸でエッチングされ、希望の形になります。

トンネル顕微鏡の助けを借りて、多くの発見がなされました。 たとえば、彼らは、結晶の表面の原子が内部とは異なって配置され、しばしば複雑な構造を形成することを発見しました。

トンネル顕微鏡の助けを借りて、導電性の物体だけを研究することができます。 しかし、導電性材料の表面に配置されたときに、フィルムの形の薄い誘電体を観察することも可能になります。 そして、この効果はまだ完全には説明されていませんが、それにもかかわらず、多くの有機フィルムや生物学的オブジェクト（タンパク質、ウイルス）の研究にうまく使用されています。

顕微鏡の可能性は素晴らしいです。 顕微鏡の針の助けを借りて、図面は金属板にも適用されます。 これを行うために、個々の原子は「筆記」材料として使用されます-それらは表面に堆積されるか、表面から除去されます。 したがって、1991年に、IBMの従業員は、ニッケル板の表面に自社の名前であるIBMという名前でキセノン原子を書き込みました。 文字「I」はわずか9個の原子で構成され、文字「B」と「M」はそれぞれ13個の原子で構成されていました。

走査型プローブ顕微鏡の開発における次のステップは、1986年にBinning、Kveit、およびGerberによって行われました。 彼らは原子間力顕微鏡を作成しました。 トンネル顕微鏡でトンネル電流がプローブとサンプルの間の距離に急激に依存することが決定的な役割を果たす場合、原子間力顕微鏡の場合、物体の相互作用力のそれらの間の距離への依存は次のようになります。決定的な重要性。

原子間力顕微鏡のプローブは、小型の弾性プレートであるカンチレバーです。 さらに、その一方の端は固定されており、もう一方の端では、プローブチップが固体材料（シリコンまたは窒化ケイ素）から形成されています。 プローブを動かすと、その原子とサンプルの凹凸のある表面との間の相互作用の力によってプレートが曲がります。 このようなプローブの動きを実現することにより、たわみが一定である場合に、表面プロファイルの画像を得ることが可能である。 接触モードと呼ばれるこの顕微鏡の動作モードにより、ナノメートルの何分の1かの分解能で、レリーフだけでなく、調査対象の物体の摩擦力、弾性、および粘度も測定できます。

サンプルと接触してスキャンすると、サンプルの変形と破壊につながることがよくあります。 表面へのプローブの衝撃は、例えば、マイクロ回路の製造に役立つ可能性があります。 ただし、プローブはポリマー薄膜を簡単に破壊したり、細菌を損傷したりして、細菌を死に至らしめる可能性があります。 これを回避するために、カンチレバーは表面近くで共振振動を起こし、表面との相互作用によって引き起こされる振動の振幅、周波数、または位相の変化が記録されます。 この方法により、生きている微生物の研究が可能になります。振動する針が、軽いマッサージのように細菌に害を及ぼすことなく作用し、その動き、成長、分裂を観察することができます。

1987年、I。MartinとK. Vikrama-singh（USA）は、磁化されたマイクロニードルをプロービングチップとして使用することを提案しました。 結果は磁気力顕微鏡でした。

このような顕微鏡を使用すると、最大10nmのサイズの材料内の個々の磁性領域（ドメイン）を確認できます。 また、針と永久磁石の磁場を利用してフィルム表面にドメインを形成することにより、情報の超高密度記録にも使用されます。 このような記録は、最新の磁気および光ディスクよりも数百倍も密度が高くなっています。

IBM、日立、ジレット、ポラロイド、オリンパス、ジョイル、デジタルインスツルメンツなどの巨人が担当するマイクロメカニックスの世界市場には、ロシアの場所もありました。 モスクワ近郊のゼレノグラードからの小さな会社MDTの声がどんどん大きく聞こえます。

「人間の髪の毛の10分の1の大きさの、遠くの先祖が描いた岩の絵をプレートにコピーしましょう」と、最高技術責任者のDenisShabratov氏は述べています。 -コンピュータは「ブラシ」、つまりプローブを制御します。長さ15ミクロン、直径100分の1ミクロンの針です。 針は「帆布」に沿って動き、触れるところに原子の大きさの塗抹標本が現れます。 徐々に、鹿がディスプレイ画面に表示され、続いてライダーが表示されます。

MDTは、国内で唯一のプローブ顕微鏡とプローブのメーカーです。 彼女は4人の世界的リーダーの1人です。 同社の製品は、米国、日本、ヨーロッパで購入されています。

そしてそれはすべて、危機に瀕しているゼレノグラード研究所の1つの若いエンジニアであるDenisShabratovとArkadyGologanovが、生き方を考えてマイクロメカニックスを選んだという事実から始まりました。 彼らは、理由がないわけではないが、それを最も有望な方向だと考えた。

「強力な競合他社と競争しなければならないような複合施設はありませんでした」とGologanov氏は振り返ります。 –もちろん、私たちの機器は輸入されたものより劣っていますが、一方で、それは人を狡猾にし、自分の頭脳を使うことを余儀なくさせます。 そして、彼らは確かに私たちより悪くはありません。 そして、十分以上に耕す準備ができています。 彼らは昼も夜も働き、休日はありませんでした。 一番大変だったのは、超小型プローブを作ることではなく、売ることでした。 私たちは私たちが世界で最高であることを知っています、私たちはインターネット上でそれについて叫び、ファックスでクライアントを攻撃します、一言で言えば、そのカエルのように私たちの足を蹴ります-注意はゼロです。

顕微鏡製造のリーダーの一人である日本企業のジョイルが非常に複雑な形状の針を探していることを知ったとき、彼らはこれが彼らのチャンスであることに気づきました。 注文には多くの力と神経が必要でしたが、わずかな費用がかかりました。 しかし、お金は主なものではありませんでした-今、彼らは彼らの声の一番上で宣言することができました：有名なジョイルは私たちの顧客です。 同様に、ほぼ1年半の間、MDTは米国国立標準技術研究所向けの特別なプローブを無料で作成しました。 そして、新しいビッグネームがクライアントのリストに登場しました。

「今では注文の流れは、もはやすべての人を満足させることができないようなものです」とShabratovは言います。 -悲しいかな、これはロシアの特異性です。 経験によれば、このような科学集約型の製品を小ロットで生産することは理にかなっていますが、大量生産は、供給の中断がなく、品質が低く、オプションの下請け業者である海外で確立する必要があります。」

走査型プローブ顕微鏡の出現は、コンピューター技術の急速な発展の始まりとうまく一致し、プローブ顕微鏡を使用するための新しい可能性を切り開いた。 1998年に、FemtoScan-001走査型プローブ顕微鏡モデルが先端技術センター（モスクワ）で作成されました。これもインターネット経由で制御されています。 これで、世界中のどこでも、研究者は顕微鏡で作業できるようになり、コンピューターを離れることなく、誰でも小宇宙を「見る」ことができます。

今日、そのような顕微鏡は科学研究でのみ使用されています。 彼らの助けを借りて、遺伝学と医学の最もセンセーショナルな発見がなされ、驚くべき特性を持つ材料が作られます。 ただし、近い将来、主に医療とマイクロエレクトロニクスの分野でブレークスルーが見込まれます。 マイクロロボットが登場し、血管を介して病気の臓器に直接薬を届け、ミニチュアスーパーコンピューターが作成されます。

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28.顕微鏡望遠鏡による宇宙探査が始まったのとほぼ同時に、レンズを使って微小世界の秘密を明らかにする最初の試みがなされました。小さな物体は、たとえ十分に照らされていても、弱すぎるビームを送信することが知られています。目

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