Мақсаты: Студенттерге нанобөлшектерді зерттеу мен визуализациялаудың заманауи әдістерін, атап айтқанда, электрондық және зондтық микроскопияның негізгі қағидалары мен қолдану салаларын түсіндіру.

Дәріс жоспары:

1. Нанобөлшектерді визуализациялау және зерттеу әдістері

2. Жарықтандырғыш электронды микроскоп

3. Сканерлеуші электрондық микроскоп

4. Атомдық күштік микроскоп

1. Нанобөлшектерді визуализациялау және зерттеу әдістері

Соңғы жылдардағы наноғылымның қарқынды дамуы нанообъектілердің құрылымы мен құрылымын анықтау әдістерінің болуының арқасында мүмкін болды. Олардың ішінде электронды микроскопия және сканерлеуші зонд микроскопиясы («наноскопия» деп айту дұрысырақ болар еді) маңызды рөл атқарады.

Кәдімгі оптикалық микроскоп, тіпті ең жақсы сапада болса да, жеке атомдарды ғана емес, сонымен қатар нанобөлшектерді де анықтауға мүмкіндік бермейді. Бұл кескіндерді шығару үшін толқын ұзындығы 400–700 нм болатын көрінетін жарықты пайдалануына байланысты. Толқындық оптикадан белгілі болғандай, толқын ұзындығы бар сәулелену, егер олардың арасындағы қашықтық айтарлықтай аз болса, екі объектіні ажыратуға мүмкіндік бермейді. Сондықтан оптикалық микроскоптың көмегімен өлшемі микрон (яғни, мыңдаған нанометр) болатын тірі жасушаларды көруге болады, бірақ кішірек нысандар көрінбейді. Бұл айтарлықтай қысқа толқын ұзындығы бар сәулеленуді қажет етеді.

Шешім 1930 жылдардың басында неміс инженерлері Э.Руска мен М.Нолл жарықтың орнына электрондар ағынын қолдануды ұсынған кезде табылды, бұл белгілі болғандай толқындық қасиеттерге ие және қозғалыстағы электрон белгілі бір толқын ұзындығына сәйкес келеді, ол оның энергиясына байланысты. 1931 жылы Руска мен Нолл кескіндерді тек 400 есе үлкейте алатын алғашқы электронды микроскопты жасады, бірақ ол қазіргі заманғы аспаптарда қолданылатын барлық принциптерді қамтыды. Электрондық микроскоптар қазір 90 миллион есе үлкейтуге қол жеткізе алады және 0,06 нм кеңістіктік мүмкіндікке қол жеткізе алады, бұл көптеген атомдардың өлшемінен кіші.

Оптикалық және электронды микроскоптардың құрылғылары көп ортақ (10-сурет). Олар сәулелену көзінен, зерттелетін объектіге сәулеленуді фокустау жүйесінен және жазу құрылғысы – детектордан тұрады. Электрондық микроскоп электрон көзі ретінде электронды тапаншаны, электронды сәулені фокустау үшін электромагниттік линзаларды, детектор ретінде люминесцентті экранды пайдаланады.

10. Оптикалық және электронды микроскоптарды салыстыру

Өлшеу әдістемесі бойынша жарықтандырғыш (трансмиссиялық) және сканерлеуші (растрлық) электрондық микроскоптар болып бөлінеді. Олар объект туралы әртүрлі ақпарат береді және жиі бірге қолданылады.

2. Жарықтандырғыш электронды микроскоп

Жарықтандырғыш электронды микроскопта (ПЭМ) электрондар шоғы заттың өте жұқа (<100 нм) қабаты арқылы өтіп, оның ішкі микроқұрылымы туралы ақпарат береді. Микроскоп - бұл ұзын, кең түтіктен тұратын құрылғы - электронды пушка (атқылағыш), конденсатор (электрондық линза) және пайда болатын кескін бейнеленетін люминесцентті (фотоаппаратқа немесе компьютерге қосылған) экраннан тұрады. Электрондық пушканың құрамында электр тоғымен ақ түске дейін қыздырылатын вольфрам жібі бар. Бұл температурада вольфрам атомдары электрондарды шығара бастайды. Пушкадан объектіге дейінгі электрондардың бүкіл жолы жоғары вакуумда өтеді, өйткені электрондар кез келген газды иондайды. Өте қуатты микроскоптарда электрондарды күшті электр өрісінде орналастырылған кремний кристалынан алады. Зерттеу объектісі зат стөлшесіне кесек түрінде емес, пленка немесе жұқа кесінді түрінде қойылады. Микроскоппен жұмыс істегенде объект электрондар шоғырымен жарықтандырылады. Электрондардың бір бөлігі заттың атомдарымен әрекеттесе отырып, люминесцентті экранда объектінің ішкі құрылымының бейнесін құрайтын магниттік линзалар жүйесіне түсіп, ауытқиды. Шашыраған электрондар бейненің контрастылығын реттеуге мүмкіндік беретін диафрагмалардың көмегімен тоқтатылады.

Барлық микрофотографиялар негізінен ақ-қара түсте болады; зерттеушілер жиі оларға бір немесе бірнеше түс береді, дегенмен олар түсті бейне бере алмайды. Электрондар ауаны құрайтын молекулалармен жұтылатындықтан, микроскопта электронды сәуле өтетін кеңістікте вакуум жасалады. Үлгі ауасы арнайы сорғы арқылы шығарылған, яғни вакуумделген, б өлікке орналастырылады. Электрондық микроскоп өте қымбат құрал және ол тек ірі зерттеу зертханаларында ғана қолжетімді.

3. Сканерлеуші электрондық микроскоп

11. Сканерлеуші (растрлық) электронды микроскоп құрылғысы

Сканерлеуші электрондық микроскоптардың (СЭM) жарықтандырғыш микроскоптардан айырмашылығы, үлгінің сыртқы бетінің бейнесі құрылады, магниттік линзалармен 5 нм –ге дейін сығылған электрондық сәулемен сканерлеу арқылы жасалады. Сәуле үлгі бетімен әрекеттескеннен кейін электрондар шашырап, сигналды тіркейін және оны беттің бейнесіне айналдыратын детекторға түседі (11-сурет). Сигналдың қарқындылығы беттің рельефіне, бөлшектердің өлшеміне және химиялық құрамына байланысты. Осының барлығын сканерлеуші электронды микроскоптың көмегімен анықтауға болады (12-сурет).

12. Алтын подложкада тұндырылған мырыш оксиді бетінің суреті (Лукатская М.Р., Напольский К.С. Материалтану факультеті, Мәскеу мемлекеттік университеті). Сурет сканерлеуші электронды микроскоптың көмегімен алынды.

Сканерлеу құрылғыларының басқа да түрлері бар. Алғаш рет 1981 жылы жасалған сканерлеуші туннельдік микроскоптың (СTM) құрамында миниатюралық зонд бар, ол зерттелетін үлгінің бетімен сырғанайтын өте жіңішке алтын инеден тұрады. Бұл иненің жұқалығы сонша, ол бір ғана атомнан тұрады! Дәл осы атом үлгіге шамамен бір нанометр қашықтықта жақындайды. Иненің бетінде шағын оң заряд пайда болады, сондықтан үлгінің бетіндегі электрондар зондқа өтеді. Бұл жағдайда зонд зат бетіне өте жақын болса да, жанаспайды! Бөлшектердің потенциалдық тосқауыл арқылы кедергісіз өтуінің бұл құбылысын туннель эффектісі деп атайды. Зонд 0,01 нм-ге дейін қадам жасауға қабілетті арнайы миниатюралық қозғалтқыштарды пайдаланып үлгінің үстінен жылжып отырып, бетті сканерлейді. Әдетте, зонд тұрақты биіктікте бет бойымен қозғалады, ал туннель тоғының шамасының, яғни, зонд арқылы электрондар ағынының өзгеруі жазылады. Осы жазба зат бетінің кескініне өзгертіледі. Басқа әдісте зондтың ұшы үлгінің беті бойымен туннельдік ток тұрақты болатындай етіп жылжытылады, бұл кезде зондтан бетке дейінгі қашықтықтың өзгеруі жазылады. Зонд ұшының траекториясы үлгінің бетін де көрсетеді.

4. Атомдық күштік микроскоп

Атомдық күштік микроскопта (AСM), СTM-ге ұқсас жобаланған, туннельдік токтың орнына, зондтың үлгі бетінен вандерваальстік итеру күші өлшенеді. Зондтың нанометрлік өлшемдері бар және микросеріппеге – кантилеверге бекітілген (13-сурет).

13. зонд пен типтік консольдың схемалық бейнесі және электронды микросуреті

Зонд ұшының зерттелетін нанообъектімен күш әрекеттесуі кантилевердің иілуіне әкеледі, ол әдетте оптикалық рычаг конструкциясына сәйкес жасалған оптикалық жүйе арқылы анықталады (Cурет 14). Бұл конструкцияда консольдің иілуі шағылысқан лазер сәулесінің нүктесінің төрт секциялы фотодиодта қозғалуына әкеледі. Бұл қозғалыс әртүрлі секциялардың фототоктарының қатынасын өзгертеді, ол электронды схемалар көмегімен өлшенеді.

14. Оптикалық жүйе арқылы кантилевердің иілуін анықтау жүйесінің схемасы

AСM ең қарапайым жұмыс режимі беттік нанорельефті өлшеу болып табылады. Бұл жағдайда үлгі зонд астында берілген траектория бойынша қозғалады және кантилевердің иілуі (және зондтың ұшы мен беттің наноакдандары арасындағы өзара әрекеттесу күші) оптикалық анықтау жүйесі арқылы өлшенеді. AСM кеңістіктік ажыратымдылығы кантилевер өлшеміне және оның ұшының қисықтығына байланысты және, негізінен, СЭM ажыратымды лығынан асып кетуі мүмкін (15-сурет). СЭМнан айырмашылығы, AСM өте жоғары вакуумды қажет етпейді және қарапайым ауада немесе тіпті сұйық ортада жұмыс істей алады, бұл биологиялық объектілерді зерттеуге мүмкіндік береді. AСM кемшіліктері - оларда сканерлеу жылдамдығы СЭM-тан айтарлықтай төмен болуында.

15. Графит бетінің AСM бейнесі (ww.physik.uni-augsburg.de/exp6). Бейне өлшемі (2x2) нм²

AСM көмегімен үлгі бетіндегі атомдардың орналасуын зерттеп қана қоймай, сонымен қатар беттің құрылымын өзгертуге болады. Ол үшін зондтың бетпен физикалық әрекеттесуін қолдануға, зонд арқылы оның электрохимиялық тотығуын индукциялауға немесе беттік атомдардың зондпен әрекеттесуін қолдана отырып, оларды механикалық түрде бір жерден екінші жерге жылжытуға, сол арқылы нанодеңгейдегі процесс - литографияны іске асыруға болады. 2005 жылы Жапония ғалымдары (Sugimoto Y. e.a. Nature Materials, 2005, т. 4, 156–159 б.) ультра жоғары вакуумды AСM пайдалана отырып, германий бетінде тұндырылған қалайы элементінің 120 атомынан тұратын химиялық символының бейнесін жасады (16-сурет). Сурет бөлме температурасында алынған.

16. AСM нанолитографиясының мысалы. Кескін өлшемі (7,7x4,8) нм²