7.Application d'un microscope à sonde à balayage pour l'étude d'objets biologiques

7. Application d'un microscope à sonde à balayage pour l'étude d'objets biologiques 1

7.1. Objectifs du travail 2

7.2. Informations pour le formateur 3

7.4. Lignes directrices 31

7.5. Sécurité 32

7.6. Tâche 32

7.7. Question de test 32

7.8. Littérature 32

Le travail de laboratoire a été développé par l'Université d'État de Nijni Novgorod. N.I. Lobatchevski

7.1 Objectifs du travail

L'étude des paramètres morphologiques des structures biologiques est une tâche importante pour les biologistes, car la taille et la forme de certaines structures déterminent en grande partie leurs propriétés physiologiques. En comparant les données morphologiques aux caractéristiques fonctionnelles, il est possible d'obtenir des informations complètes sur la participation des cellules vivantes au maintien de l'équilibre physiologique de l'organisme humain ou animal.

Auparavant, les biologistes et les médecins avaient la possibilité d'étudier leurs préparations uniquement au microscope optique et électronique. Ces études ont fourni une image de la morphologie des cellules, fixées, colorées et avec de minces revêtements métalliques obtenus par pulvérisation. Il n'était pas possible d'étudier la morphologie des objets vivants, ses changements sous l'influence de divers facteurs, mais c'était très tentant.

La microscopie à sonde à balayage (SPM) a ouvert de nouvelles opportunités dans l'étude des cellules, des bactéries, des molécules biologiques, de l'ADN dans des conditions aussi proches que possible de celles natives. SPM vous permet d'étudier des objets biologiques sans fixateurs ni colorants spéciaux, dans l'air, ou même dans un milieu liquide.

Actuellement, la SPM est utilisée dans une grande variété de disciplines, à la fois dans la recherche scientifique fondamentale et dans les développements de haute technologie appliqués. De nombreux instituts de recherche du pays sont équipés d'équipements de microscopie à sonde. À cet égard, la demande de spécialistes hautement qualifiés ne cesse de croître. Pour le satisfaire, NT-MDT (Zelenograd, Russie) a développé un laboratoire pédagogique et scientifique spécialisé pour la microscopie à sonde à balayage Nanoéducateur.

SPM NanoEducator spécialement conçu pour le travail de laboratoire par les étudiants. Cet appareil s'adresse au public étudiant : il est entièrement piloté par ordinateur, dispose d'une interface simple et intuitive, d'un support d'animation, suppose une maîtrise des techniques pas à pas, l'absence de réglages complexes et de consommables peu coûteux.

Dans ce travail de laboratoire, vous apprendrez la microscopie à sonde à balayage, vous familiariserez avec ses bases, étudierez la conception et les principes de fonctionnement du système éducatif. SPM NanoEducator, apprenez à préparer des préparations biologiques pour la recherche, obtenez votre première image SPM d'un complexe de bactéries lactiques et apprenez les bases du traitement et de la présentation des résultats de mesure.

7.2 Informations pour le formateur 1

Le travail de laboratoire se déroule en plusieurs étapes :

1. La préparation des échantillons est effectuée par chaque étudiant individuellement.

2. L'obtention de la première image s'effectue sur un seul appareil sous la supervision d'un enseignant, puis chaque élève examine son échantillon indépendamment.

3. Le traitement des données expérimentales par chaque étudiant est effectué individuellement.

Échantillon pour la recherche : bactéries lactiques sur une lamelle.

Avant de commencer les travaux, il est nécessaire de sélectionner une sonde ayant la caractéristique amplitude-fréquence la plus caractéristique (maximum symétrique unique), pour obtenir une image de la surface de l'échantillon à l'étude.

Le rapport de laboratoire doit inclure :

1. partie théorique (réponses aux questions de contrôle).

2. résultats de la partie expérimentale (description des études réalisées, des résultats obtenus et des conclusions tirées).

1. Méthodes d'étude de la morphologie des objets biologiques.

2. Microscope à sonde à balayage :

conception GPS ;

Variétés SPM : STM, ASM ;

Format de données SPM, visualisation des données SPM.

3. Préparation des échantillons pour les études SPM :

morphologie et structure des cellules bactériennes;

préparation de préparations pour l'étude de la morphologie à l'aide de SPM.

4. Connaissance du programme de conception et de contrôle du SPM NanoEducator.

5. Obtention d'une image SPM.

6. Traitement et analyse des images obtenues. Caractérisation quantitative des images SPM.

Méthodes d'étude de la morphologie des objets biologiques

Le diamètre cellulaire caractéristique est de 10 20 µm, les bactéries de 0,5 à 3-5 µm, ces valeurs sont 5 fois plus petites que la plus petite particule visible à l'œil nu. Par conséquent, la première étude des cellules n'est devenue possible qu'après l'apparition des microscopes optiques. A la fin du XVIIe siècle. Antonio van Leeuwenhoek a fabriqué le premier microscope optique, avant cela, les gens ne soupçonnaient même pas l'existence de microbes et bactéries pathogènes [Réf. 7 -1].

Microscopie optique

Les difficultés d'étude des cellules sont liées au fait qu'elles sont incolores et transparentes, de sorte que la découverte de leurs structures de base n'a eu lieu qu'après l'introduction des colorants dans la pratique. Les colorants ont fourni un contraste d'image suffisant. À l'aide d'un microscope optique, les objets séparés les uns des autres de 0,2 µm peuvent être distingués, c'est-à-dire les plus petits objets que l'on peut encore distinguer au microscope optique sont les bactéries et les mitochondries. Les images d'éléments cellulaires plus petits sont déformées par les effets causés par la nature ondulatoire de la lumière.

Pour la préparation de préparations durables, les cellules sont traitées avec un agent fixant afin de les immobiliser et de les conserver. De plus, la fixation augmente la disponibilité des colorants pour les cellules car les macromolécules des cellules sont maintenues ensemble par des liaisons croisées, ce qui les stabilise et les fixe dans une certaine position. Le plus souvent, les aldéhydes et les alcools agissent comme des fixateurs (par exemple, le glutaraldéhyde ou le formaldéhyde forment des liaisons covalentes avec les groupes amino libres des protéines et réticulent les molécules adjacentes). Après fixation, les tissus sont généralement découpés en coupes très fines (1 à 10 µm d'épaisseur) au microtome, qui sont ensuite placées sur une lame de verre. Avec cette méthode de préparation, la structure des cellules ou des macromolécules peut être endommagée, c'est pourquoi la congélation rapide est la méthode préférée. Le tissu congelé est découpé avec un microtome installé dans une chambre froide. Après préparation des coupes, les cellules sont colorées. Les colorants organiques sont principalement utilisés à cet effet (vert malachite, noir Soudan, etc.). Chacun d'eux est caractérisé par une certaine affinité pour les composants cellulaires, par exemple, l'hématoxyline a une affinité pour les molécules chargées négativement, elle permet donc de détecter l'ADN dans les cellules. Si une molécule particulière est présente dans la cellule en quantité insignifiante, il est alors plus pratique d'utiliser la microscopie à fluorescence.

Microscopie à fluorescence

Les colorants fluorescents absorbent la lumière à une longueur d'onde et émettent de la lumière à une autre longueur d'onde plus longue. Si une telle substance est irradiée avec une lumière dont la longueur d'onde correspond à la longueur d'onde de la lumière absorbée par le colorant, puis un filtre est utilisé pour l'analyse qui transmet la lumière avec une longueur d'onde correspondant à la lumière émise par le colorant, la molécule fluorescente peut être détectée par brillant dans un champ sombre. La forte intensité de la lumière émise est une caractéristique de ces molécules. L'utilisation de colorants fluorescents pour colorer les cellules implique l'utilisation d'un microscope à fluorescence spécial, qui est similaire à un microscope optique conventionnel, mais la lumière d'un illuminateur puissant passe à travers deux ensembles de filtres - un pour bloquer une partie de la lumière de l'illuminateur devant l'échantillon et l'autre pour filtrer la lumière reçue de l'échantillon. Le premier filtre est sélectionné de manière à ne transmettre que la lumière d'une longueur d'onde qui excite un colorant fluorescent particulier ; en même temps, le deuxième filtre bloque cette lumière incidente et transmet la lumière de la longueur d'onde émise par le colorant lorsqu'il est fluorescent.

La microscopie à fluorescence est souvent utilisée pour identifier des protéines spécifiques ou d'autres molécules qui deviennent fluorescentes après une liaison covalente à des colorants fluorescents. À cette fin, deux colorants sont généralement utilisés - fluorescéine, qui donne une fluorescence jaune-vert intense lors d'une excitation avec une lumière bleu clair, et rhodamine, provoquant une fluorescence rouge foncé après excitation avec une lumière jaune-verte. En utilisant à la fois la fluorescéine et la rhodamine pour la coloration, la distribution de différentes molécules peut être obtenue.

Microscopie à fond noir

Le moyen le plus simple de voir les détails de la structure cellulaire est d'observer la lumière diffusée par les différents composants de la cellule. Dans un microscope à fond noir, les faisceaux de l'illuminateur sont dirigés latéralement et seuls les faisceaux diffusés pénètrent dans l'objectif du microscope. En conséquence, la cellule ressemble à un objet illuminé dans un champ sombre. L'un des principaux avantages de la microscopie à fond noir est la capacité d'observer le mouvement des cellules pendant la division et la migration. Les mouvements cellulaires sont généralement très lents et difficiles à observer en temps réel. Dans ce cas, un microcinéma ou un enregistrement vidéo image par image (time-lapse) est utilisé. Les images consécutives sont séparées dans le temps, mais lorsque l'enregistrement est lu à vitesse normale, l'image des événements réels est accélérée.

Ces dernières années, les caméras vidéo et les technologies de traitement d'images associées ont considérablement augmenté les capacités de la microscopie optique. Grâce à leur application, il a été possible de surmonter les difficultés causées par les particularités de la physiologie humaine. Ils consistent en ce qui suit :

1. Dans des conditions normales, l'œil n'enregistre pas une lumière très faible.

2. L'œil est incapable de détecter de petites différences d'intensité lumineuse sur un fond clair.

Le premier de ces problèmes a été surmonté en fixant des caméras vidéo à ultra-haute sensibilité au microscope. Cela a permis d'observer les cellules pendant longtemps dans des conditions de faible luminosité, excluant une exposition prolongée à une lumière vive. Les systèmes d'imagerie sont particulièrement importants pour étudier les molécules fluorescentes dans les cellules vivantes. Étant donné que l'image est créée par une caméra vidéo sous forme de signaux électroniques, elle peut être convertie de manière appropriée en signaux numériques, envoyée à un ordinateur, puis traitée pour extraire des informations cachées.

Le contraste élevé obtenu avec la microscopie interférentielle informatisée permet d'observer même de très petits objets, tels que des microtubules individuels, dont le diamètre est inférieur au dixième de la longueur d'onde de la lumière (0,025 µm). Des microtubules individuels peuvent également être observés en microscopie à fluorescence. Cependant, dans les deux cas, des effets de diffraction sont inévitables, ce qui altère fortement l'image. Dans ce cas, le diamètre des microtubules est surestimé (0,2 µm), ce qui rend impossible la distinction des microtubules individuels d'un faisceau de plusieurs microtubules. Pour résoudre ce problème, un microscope électronique est nécessaire, dont la limite de résolution est décalée bien au-delà de la longueur d'onde de la lumière visible.

Microscopie électronique

La relation entre la longueur d'onde et la limite de résolution est également préservée pour les électrons. Cependant, pour un microscope électronique, la limite de résolution est nettement inférieure à la limite de diffraction. La longueur d'onde d'un électron diminue avec une augmentation de sa vitesse. Dans un microscope électronique avec une tension de 100 000 V, la longueur d'onde des électrons est de 0,004 nm. Selon la théorie, la résolution d'un tel microscope à la limite est de 0,002 nm. Cependant, en réalité, en raison de la faible valeur des ouvertures numériques des lentilles électroniques, la résolution des microscopes électroniques modernes est au mieux de 0,1 nm. Les difficultés de préparation d'un échantillon, son endommagement par les radiations, réduisent considérablement la résolution normale, qui pour les objets biologiques est de 2 nm (environ 100 fois supérieure à celle d'un microscope optique).

Une source d'électrons dans microscope électronique à transmission (MET) est un filament cathodique situé au sommet d'une colonne cylindrique d'environ deux mètres de haut. Pour éviter la diffusion des électrons lors de la collision avec les molécules d'air, un vide est créé dans la colonne. Les électrons émis par le filament cathodique sont accélérés par l'anode la plus proche et pénètrent à travers un petit trou, formant un faisceau d'électrons qui se déplace vers le bas de la colonne. Le long de la colonne, à une certaine distance, il y a des aimants annulaires qui focalisent le faisceau d'électrons, comme des lentilles en verre qui focalisent le faisceau lumineux dans un microscope optique. L'échantillon est placé à travers un sas dans la colonne, sur le trajet du faisceau d'électrons. Une partie des électrons au moment du passage à travers l'échantillon est diffusée en fonction de la densité de la substance dans cette zone, le reste des électrons est focalisé et forme une image (similaire à la formation d'une image au microscope optique) sur une plaque photographique ou sur un écran phosphorescent.

L'un des plus gros inconvénients de la microscopie électronique est que les échantillons biologiques doivent être traités d'une manière spéciale. D'abord, ils sont fixés d'abord avec du glutaraldéhyde, puis avec de l'acide osmique, qui lie et stabilise la double couche de lipides et de protéines. Deuxièmement, les électrons ont une faible capacité de pénétration, il faut donc faire des coupes ultra-fines, et pour cela les échantillons sont déshydratés et imprégnés de résines. Troisièmement, pour améliorer le contraste, les échantillons sont traités avec des sels de métaux lourds tels que l'osmium, l'uranium et le plomb.

Pour obtenir une image tridimensionnelle de la surface, utilisez microscope électronique à balayage (MEB) où des électrons sont utilisés, diffusés ou émis par la surface de l'échantillon. L'échantillon dans ce cas est fixé, séché et recouvert d'un mince film de métal lourd, puis balayé avec un faisceau d'électrons étroit. Dans ce cas, le nombre d'électrons diffusés lorsque la surface est irradiée est estimé. La valeur obtenue est utilisée pour contrôler l'intensité du deuxième faisceau se déplaçant de manière synchrone avec le premier et formant une image sur l'écran du moniteur. La résolution de la méthode est d'environ 10 nm et elle n'est pas applicable pour l'étude des organites intracellulaires. L'épaisseur des échantillons étudiés par cette méthode est déterminée par la capacité de pénétration des électrons ou leur énergie.

Les inconvénients principaux et significatifs de toutes ces méthodes sont la longueur, la complexité et le coût élevé de la préparation des échantillons.

Microscopie à sonde à balayage

Dans un microscope à sonde à balayage (SPM), au lieu d'un faisceau d'électrons ou d'un rayonnement optique, une sonde pointue, une aiguille, balayant la surface de l'échantillon est utilisée. Au sens figuré, nous pouvons dire que si un échantillon est examiné dans un microscope optique ou électronique, alors dans un SPM, il est ressenti. De ce fait, il est possible d'obtenir des images tridimensionnelles d'objets dans différents supports : vide, air, liquide.

Des conceptions spéciales du SPM, adaptées à la recherche biologique, permettent simultanément avec l'observation optique de scanner à la fois des cellules vivantes dans différents milieux liquides et des préparations fixées dans l'air.

Microscope à sonde à balayage

Le nom du microscope à sonde à balayage reflète le principe de son fonctionnement - balayer la surface de l'échantillon, dans lequel le degré d'interaction de la sonde avec la surface est point à point. La taille de la zone de numérisation et le nombre de points qu'elle contient N X N Y peuvent être définis. Plus le nombre de points définis est élevé, plus la résolution de l'image de surface est élevée. La distance entre les points où le signal est lu est appelée pas de balayage. Le pas de balayage doit être inférieur aux détails de surface étudiés. Le mouvement de la sonde pendant le balayage (voir Fig. 7-1) s'effectue linéairement dans le sens avant et dans le sens opposé (dans le sens du balayage rapide), le passage à la ligne suivante s'effectue dans le sens perpendiculaire ( dans le sens d'un balayage lent).

Riz. 7 1. Schéma de principe du processus de numérisation
(la lecture du signal s'effectue sur la course avant du scanner)

Selon la nature du signal de lecture, les microscopes à balayage ont des noms et des objectifs différents :

microscope à force atomique (AFM), les forces d'interaction interatomique entre les atomes de la sonde et les atomes de l'échantillon sont lues ;

microscope à effet tunnel (STM), lit le courant tunnel circulant entre l'échantillon conducteur et la sonde conductrice ;

un microscope à force magnétique (MFM), lit les forces d'interaction entre une sonde recouverte d'un matériau magnétique et un échantillon qui détecte les propriétés magnétiques ;

un microscope à force électrostatique (EFM) permet d'obtenir une image de la répartition du potentiel électrique sur la surface de l'échantillon. On utilise des sondes dont la pointe est recouverte d'un mince film conducteur (or ou platine).

Conception GPS

Le SPM se compose des principaux composants suivants (Fig. 7-2) : une sonde, des entraînements piézoélectriques pour déplacer la sonde le long de X, Y, Z au-dessus de la surface de l'échantillon à l'étude, un circuit de rétroaction et un ordinateur pour contrôler le balayage. processus et acquisition d'images.

Fig 7 2. Schéma d'un microscope à sonde à balayage

Capteur de sonde - un composant d'un microscope à sonde électrique qui effectue le balayage d'un échantillon. La sonde contient un cantilever (ressort cantilever) de type rectangulaire (en forme de I) ou triangulaire (en forme de V) (Fig. 7 -3), au bout duquel se trouve une sonde pointue (Fig. 7 -3), qui a généralement une forme conique ou pyramidale ... L'autre extrémité du cantilever est connectée au substrat (avec la puce). Les capteurs de sonde sont en silicium ou en nitrure de silicium. La principale caractéristique du cantilever est la constante de force (constante de rigidité), qui varie de 0,01 N/m à 1020 N/m. Pour étudier les objets biologiques, des sondes « molles » d'une dureté de 0,01 0,06 N/m sont utilisées.

Riz. 7 3. Images des capteurs pyramidaux de la sonde AFM
obtenu au microscope électronique :
a - type en forme de I, b - type en forme de V, c - pyramide à l'extrémité du porte-à-faux

Actionneurs piézoélectriques ou scanners - pour un mouvement contrôlé de la sonde sur l'échantillon ou l'échantillon lui-même par rapport à la sonde à des distances ultra-courtes. Les actionneurs piézoélectriques utilisent des matériaux piézocéramiques qui changent de dimension lorsqu'une tension électrique leur est appliquée. Le processus de modification des paramètres géométriques sous l'action d'un champ électrique est appelé effet piézoélectrique inverse. Le matériau généralement utilisé pour l'article piézo est le titanate de zirconate de plomb.

Le scanner est une construction piézocéramique qui permet un mouvement selon trois coordonnées : x, y (dans le plan latéral de l'échantillon) et z (verticalement). Il existe plusieurs types de scanners, dont les plus courants sont tripodes et tubulaires (Fig. 7-4).

Riz. 7 4. Conceptions des scanners : a) - trépied, b) - tubulaire

Dans un scanner tripode, les mouvements le long de trois coordonnées sont assurés par trois tiges piézocéramiques indépendantes qui forment une structure orthogonale.

Dans un scanner tubulaire, un tube piézoélectrique creux se plie dans les plans XZ et ZY et s'allonge ou se contracte le long de l'axe Z lorsque des tensions appropriées sont appliquées aux électrodes qui contrôlent les mouvements du tube. Les électrodes pour contrôler le mouvement dans le plan XY sont situées sur la surface extérieure du tube, pour contrôler le mouvement en Z, des tensions égales sont appliquées aux électrodes X et Y.

Boucle de rétroaction - un ensemble d'éléments SPM, à l'aide desquels la sonde est maintenue à une distance fixe de la surface de l'échantillon pendant le balayage (Fig. 7 -5). Au cours du balayage, la sonde peut être située sur des zones de la surface de l'échantillon avec des reliefs différents, tandis que la distance Z sonde-échantillon changera et la valeur de l'interaction sonde-échantillon changera en conséquence.

Riz. 7 5. Diagramme de rétroaction d'un microscope à sonde à balayage

Lorsque la sonde s'approche de la surface, les forces d'interaction sonde-échantillon augmentent et le signal du dispositif d'enregistrement augmente également. V(t), lequel à exprimé en unités de tension. Le comparateur compare le signal V(t) avec tension de référence V justificatif et génère un signal de correction V correspondant... Signal de correction V correspondant est introduit dans le scanner et la sonde est retirée de l'échantillon. Tension de référence - la tension correspondant au signal du dispositif d'enregistrement lorsque la sonde est à une distance donnée de l'échantillon. En maintenant cette distance sonde-échantillon prédéterminée pendant le balayage, le système de rétroaction maintient une force d'interaction sonde-échantillon prédéterminée.

Riz. 7 6. La trajectoire du mouvement relatif de la sonde dans le processus de maintien de la force constante de l'interaction sonde-échantillon par le système de rétroaction

En figue. 7-6 montrent la trajectoire de la sonde par rapport à l'échantillon tout en maintenant une force d'interaction constante entre la sonde et l'échantillon. Si la sonde est au-dessus de la fosse, une tension est appliquée au scanner, qui étend le scanner, abaissant la sonde.

La vitesse de la réponse de la boucle de rétroaction à un changement de la distance sonde-échantillon (interaction sonde-échantillon) est déterminée par la constante de la boucle de rétroaction K... Les valeurs K dépendent des caractéristiques de conception d'un SPM particulier (conception et caractéristiques du scanner, électronique), du mode de fonctionnement du SPM (taille de la zone de balayage, vitesse de balayage, etc.), ainsi que des caractéristiques de la surface étudiée (échelle des reliefs, dureté du matériau, etc.).

Variétés SPM

Microscope à tunnel à balayage

En STM, un appareil d'enregistrement (Fig. 7-7) mesure le courant tunnel circulant entre la sonde métallique, qui change en fonction du potentiel à la surface de l'échantillon et de la topographie de sa surface. La sonde est une aiguille bien aiguisée, dont le rayon de courbure de la pointe peut atteindre plusieurs nanomètres. Les matériaux de la sonde sont généralement des métaux à haute dureté et résistance chimique : tungstène ou platine.

Riz. 7 7. Schéma de la sonde tunnel

Une tension est appliquée entre la sonde conductrice et l'échantillon conducteur. Lorsque la pointe de la sonde est à une distance d'environ 10 A de l'échantillon, les électrons de l'échantillon commencent à traverser l'espace dans la sonde ou vice versa, selon le signe de la tension (Fig. 7-8).

Riz. 7 8. Représentation schématique de l'interaction de la pointe de la sonde avec l'échantillon

Le courant tunnel résultant est mesuré par un dispositif d'enregistrement. Son ampleur je T proportionnel à la tension appliquée au contact tunnel V et dépend de façon exponentielle de la distance entre l'aiguille et l'échantillon ré.

Ainsi, de petits changements dans la distance entre la pointe de la sonde et l'échantillon ré correspondent à des variations exponentiellement importantes du courant tunnel je T(on suppose que la tension V maintenu constant). De ce fait, la sensibilité de la sonde tunnel est suffisante pour enregistrer des changements de hauteur inférieurs à 0,1 nm, et donc pour obtenir une image des atomes à la surface d'un solide.

Microscope à force atomique

Le capteur de sonde le plus courant pour l'interaction de la force atomique est un cantilever à ressort (de l'anglais cantilever - console) avec une sonde située à son extrémité. L'amplitude de la flexion en porte-à-faux résultant de l'interaction de force entre l'échantillon et la sonde (Fig. 7-9) est mesurée à l'aide du schéma d'enregistrement optique.

Le principe de fonctionnement du capteur de force repose sur l'utilisation de forces atomiques agissant entre les atomes de la sonde et les atomes de l'échantillon. Lorsque la force de l'échantillon de sonde change, l'amplitude de la flexion en porte-à-faux change, et un tel changement est mesuré par le système d'enregistrement optique. Ainsi, le capteur de force atomique est une sonde pointue à haute sensibilité, qui permet d'enregistrer les forces d'interaction entre les atomes individuels.

Aux petits coudes, le rapport entre la force sonde-échantillon F et déviation de la pointe en porte-à-faux X est déterminé par la loi de Hooke :

où k - constante de force (constante de rigidité) du porte-à-faux.

Par exemple, si un cantilever est utilisé avec une constante k de l'ordre de 1 n/m, puis sous l'action de la force d'interaction sonde-échantillon de l'ordre de 0,1 nanonewton, la déflexion du cantilever sera d'environ 0,1 nm.

Pour mesurer ces petits déplacements, un capteur de déplacement optique (Fig. 7-9) est généralement utilisé, composé d'un laser à semi-conducteur et d'une photodiode à quatre sections. Lorsque le cantilever est plié, le faisceau laser réfléchi est déplacé par rapport au centre du photodétecteur. Ainsi, la courbure en porte-à-faux peut être déterminée par le changement relatif de l'éclairage des moitiés supérieure (T) et inférieure (B) du photodétecteur.

Fig. 7 9. Schéma du capteur de force

Dépendance des forces d'interaction sonde-échantillon sur la distance sonde-échantillon

Lorsque la sonde s'approche de l'échantillon, elle est d'abord attirée vers la surface en raison de la présence de forces d'attraction (forces de van der Waals). Au fur et à mesure que la sonde s'approche de l'échantillon, les couches d'électrons des atomes à l'extrémité de la sonde et des atomes à la surface de l'échantillon commencent à se chevaucher, ce qui entraîne l'apparition d'une force de répulsion. Avec une nouvelle diminution de la distance, la force répulsive devient dominante.

En général, la dépendance de la force d'interaction interatomique F de la distance entre les atomes R ressemble à:

.

Constantes une et b et exposants m et m dépendent du type d'atomes et du type de liaisons chimiques. Pour les forces de van der Waals m= 7 et n = 3... La dépendance F (R) est montrée qualitativement dans la Fig. 7-10.

Riz. 7 10 Dépendance de la force d'interaction entre les atomes sur la distance

Format de données SPM, visualisation des données SPM

Les données sur la morphologie de la surface, obtenues par examen au microscope optique, sont présentées sous la forme d'une image agrandie de la surface. Les informations obtenues à l'aide du SPM sont écrites sous la forme d'un tableau bidimensionnel d'entiers A ij. Chaque valeur ij correspond à un point spécifique de la surface dans le champ de balayage. L'affichage graphique de ce tableau de nombres est appelé l'image scannée SPM.

Les images numérisées peuvent être en deux dimensions (2D) ou en trois dimensions (3D). En visualisation 2D, chaque point de la surface Z = F(x, y) une certaine tonalité de couleur est adaptée en fonction de la hauteur du point de surface (Fig. 7 -11 a). En visualisation 3D, l'image de surface Z = F(x, y) est construit en perspective axonométrique à l'aide de pixels ou de lignes de relief spécialement calculés. Le moyen le plus efficace de colorer des images 3D est de simuler des conditions d'éclairage de surface avec une source ponctuelle située à un certain point dans l'espace au-dessus de la surface (Fig. 7-11 b). Dans le même temps, il est possible de souligner les petites caractéristiques individuelles du relief.

Riz. 7 11. Lymphocytes sanguins humains :
a) image 2D, b) image 3D avec éclairage latéral

Préparation d'échantillons pour la recherche GPS

Morphologie et structure des cellules bactériennes

Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires de forme variée et de structure complexe, qui déterminent la diversité de leurs activités fonctionnelles. Les bactéries sont caractérisées par quatre formes principales : sphérique (sphérique), cylindrique (en forme de bâtonnet), frisée et filamenteuse [Réf. 7 -2].

Cocci (bactéries sphériques) - en fonction du plan de division et de l'emplacement des individus, ils sont divisés en microcoques (cocci couchés séparément), diplocoques (cocci appariés), streptocoques (chaînes de cocci), staphylocoques (ressemblant à des grappes de raisin), tétracoques (formations de quatre coques) et sarcins (paquets de 8 ou 16 coques).

En forme de tige - les bactéries sont localisées sous forme de cellules individuelles, diplo- ou streptobactéries.

Serti - vibrions, spirilles et spirochètes. Les vibrions ont la forme de tiges légèrement incurvées, les spirilles - une forme frisée avec plusieurs boucles en spirale.

La taille des bactéries varie de 0,1 à 10 microns. La composition d'une cellule bactérienne comprend une capsule, une paroi cellulaire, une membrane cytoplasmique et un cytoplasme. Le cytoplasme contient un nucléotide, des ribosomes et des inclusions. Certaines bactéries sont équipées de flagelles et de villosités. Un certain nombre de bactéries forment des spores. Dépassant la taille transversale initiale de la cellule, les spores lui donnent une forme fusiforme.

Pour étudier la morphologie des bactéries au microscope optique, on en prépare des préparations natives (intravitales) ou des frottis fixés colorés au colorant à l'aniline. Il existe des méthodes de coloration spéciales pour la détection des flagelles, de la paroi cellulaire, des nucléotides et de diverses inclusions cytoplasmiques.

Pour l'examen SPM de la morphologie des cellules bactériennes, la coloration de la préparation n'est pas requise. SPM permet de déterminer la forme et la taille des bactéries avec un haut degré de résolution. Avec une préparation minutieuse du médicament et l'utilisation d'une sonde avec un petit rayon de courbure, il est possible d'identifier les flagelles. En même temps, en raison de la grande rigidité de la paroi cellulaire bactérienne, il est impossible de "sonder" les structures intracellulaires, comme cela peut être fait sur certaines cellules animales.

Préparation des préparations pour les études de morphologie SPM

Pour la première expérience de travail avec SPM, il est recommandé de choisir un produit biologique qui ne nécessite pas de préparation complexe. Les bactéries lactiques facilement disponibles et non pathogènes de la saumure de choucroute ou des produits laitiers fermentés conviennent parfaitement.

Pour les études SPM dans l'air, il est nécessaire de fixer solidement l'objet à étudier sur la surface du substrat, par exemple, sur une lamelle. De plus, la densité de bactéries dans la suspension doit être telle que les cellules ne collent pas les unes aux autres lorsqu'elles se déposent sur le substrat, et la distance entre elles ne soit pas trop importante pour que plusieurs objets puissent être pris dans une même image lors du balayage. Ces conditions sont remplies si le mode de préparation des échantillons est correctement sélectionné. Si une goutte d'une solution contenant des bactéries est appliquée sur un substrat, leur précipitation et leur adhésion progressives se produiront. Les principaux paramètres dans ce cas doivent être considérés comme la concentration de cellules dans la solution et le temps de sédimentation. La concentration de bactéries dans la suspension est déterminée par l'étalon de turbidité optique.

Dans notre cas, un seul paramètre jouera un rôle - le temps d'incubation. Plus la goutte est conservée longtemps sur le verre, plus la densité de cellules bactériennes sera élevée. Dans le même temps, si une goutte de liquide commence à se dessécher, le médicament sera alors trop fortement contaminé par les composants précipités de la solution. Une goutte d'une solution contenant des cellules bactériennes (saumure) est appliquée sur un couvercle en verre, conservé pendant 5 à 60 minutes (selon la composition de la solution). Puis, sans attendre que la goutte sèche, rincez abondamment à l'eau distillée (en plongeant plusieurs fois le médicament dans un verre avec une pince à épiler). Après séchage, la préparation est prête à être mesurée sur le SPM.

Par exemple, des préparations de bactéries lactiques ont été préparées à partir de saumure de choucroute. Le temps de conservation de la goutte de saumure sur le couvercle en verre a été choisi pour 5 minutes, 20 minutes et 1 heure (la goutte a déjà commencé à sécher). SPM - les trames sont illustrées à la Fig. 7-12, fig. 7 -13,
Riz. 7-14.

On peut voir sur les figures que pour une solution donnée, le temps d'incubation optimal est de 5 à 10 min. Une augmentation du temps de séjour de la goutte à la surface du substrat conduit à l'adhésion des cellules bactériennes. Dans le cas où la goutte de solution commence à se dessécher, on observe une précipitation des composants de la solution sur le verre, qui ne peut pas être lavée.

Riz. 7 12. Images de bactéries lactiques sur une lamelle,
obtenu à l'aide de SPM.

Riz. 7 13. Images de bactéries lactiques sur une lamelle,
obtenu à l'aide de SPM. Temps d'incubation de la solution 20 min

Riz. 7 14. Images de bactéries lactiques sur une lamelle,
obtenu à l'aide de SPM. Temps d'incubation de la solution 1 heure

Sur l'une des préparations sélectionnées (Fig. 7-12), nous avons essayé de considérer ce que sont les bactéries lactiques, quelle forme leur est caractéristique dans ce cas. (Illustration 7-15)

Riz. 7 15. AFM - image de bactéries lactiques sur un couvercle en verre.
Temps d'incubation de la solution 5 min

Riz. 7 16. AFM - image d'une chaîne de bactéries lactiques sur une lamelle.
Temps d'incubation de la solution 5 min

La saumure est caractérisée par une forme bactérienne en forme de bâtonnet et un arrangement en forme de chaîne.

Riz. 7 17. Fenêtre du programme de contrôle du SPM NanoEducator pédagogique.
Barre d'outils

À l'aide des outils du programme éducatif SPM NanoEducator, nous avons déterminé la taille des cellules bactériennes. Ils étaient d'environ 0,5 × 1,6 m
jusqu'à 0,8 × 3,5 m.

Les résultats obtenus sont comparés aux données données dans le déterminant de Bergey des bactéries [Réf. 7 -3].

Les bactéries lactiques sont des lactobacilles (Lactobacillus). Les alvéoles se présentent sous la forme de bâtonnets, généralement de la forme correcte. Les bâtonnets sont longs, parfois presque coccoïdes, généralement en chaînes courtes. Tailles 0,5 - 1,2 X 1,0 - 10 microns. Ne formez pas de litige ; dans de rares cas, ils sont mobiles en raison des flagelles péritrichiaux. Largement répandu dans l'environnement, en particulier dans les aliments d'origine animale et végétale. Les bactéries lactiques font partie de la microflore normale du tube digestif. Tout le monde sait que la choucroute, en plus de sa teneur en vitamines, est utile pour améliorer la microflore intestinale.

Conception de microscope à sonde à balayage Nanoéducateur

En figue. 7-18 montre l'apparence de la tête de mesure SPM NanoEducator et les principaux éléments du dispositif utilisé pendant le fonctionnement sont indiqués.

Riz. 7 18. Vue extérieure de la tête de mesure SPM NanoEducator
1- embase, 2 porte-échantillons, 3 capteurs d'interaction, 4 vis de fixation des capteurs,
5 vis pour l'approche manuelle, 6 vis pour déplacer le scanner avec l'échantillon dans le plan horizontal, 7 couvercles de protection avec une caméra vidéo

En figue. 7-19 montre la conception de la tête de mesure. Sur la base 1 se trouvent un scanner 8 avec un porte-échantillon 7 et un mécanisme pour fournir l'échantillon à la sonde 2 basé sur un moteur pas à pas. Dans la formation SPM NanoEducator l'échantillon est fixé au scanner et l'échantillon est scanné contre la sonde fixe. La sonde 6, fixée sur le capteur d'interaction de force 4, peut également être amenée sur l'échantillon à l'aide de la vis d'approche manuelle 3. La sélection préalable du site de recherche sur l'échantillon est réalisée à l'aide de la vis 9.

Riz. 7 19. Conception de SPM NanoEducator : 1 - base, 2 - mécanisme d'approche,
3 - vis d'alimentation manuelle, 4 - capteur d'interaction, 5 - vis de fixation du capteur, 6 - sonde,
7 - porte-échantillon, 8 - scanner, 9, 10 - vis pour déplacer le scanner avec l'échantillon

Entraînement SPM NanoEducator se compose d'une tête de mesure, d'un contrôleur SPM et d'un ordinateur de contrôle reliés par des câbles. Le microscope est équipé d'une caméra vidéo. Le signal du capteur d'interaction, après conversion dans le préamplificateur, entre dans le contrôleur SPM. Gestion du travail SPM NanoEducator effectuée à partir de l'ordinateur via le contrôleur SPM.

Capteur d'interaction de force et sonde

Dans l'appareil Nanoéducateur le capteur est réalisé sous la forme d'un tube piézo-céramique d'une longueur je= 7 mm, diamètre ré= 1,2 mm et épaisseur de paroi h= 0,25 mm, fixé rigidement à une extrémité. Une électrode conductrice est appliquée sur la surface intérieure du tube. Deux électrodes semi-cylindriques isolées électriquement sont appliquées sur la surface extérieure du tube. Attaché à l'extrémité libre du tube est un fil de tungstène d'un diamètre
100 µm (Fig. 7 -20).

Riz. 7 20. Conception du capteur universel du dispositif NanoEducator

L'extrémité libre du fil utilisé comme sonde est affûtée électrochimiquement, le rayon de courbure est de 0,2 0,05 m. La sonde est en contact électrique avec l'électrode interne du tube, qui est connectée au corps mis à la terre de l'instrument.

La présence de deux électrodes externes sur le tube piézoélectrique permet à une partie du tube piézoélectrique (la partie supérieure, conformément à la Fig. 7-21) d'être utilisée comme capteur d'interaction de force (capteur de vibration mécanique), et l'autre partie peut être utilisé comme un vibrateur piézo. Une tension électrique alternative est fournie au vibrateur piézo avec une fréquence égale à la fréquence de résonance du capteur de puissance. L'amplitude de vibration à une grande distance sonde-échantillon est maximale. Comme on le voit sur la Fig. 7-22, en cours d'oscillations, la sonde s'écarte de la position d'équilibre de la valeur A o, égale à l'amplitude de ses oscillations mécaniques forcées (c'est une fraction de micromètre), tandis qu'une tension électrique alternative apparaît sur le deuxième partie du piézotube (capteur d'oscillation), proportionnelle au déplacement de la sonde, qui est mesurée par l'appareil.

Lorsque la sonde s'approche de la surface de l'échantillon, la sonde commence à toucher l'échantillon pendant l'oscillation. Ceci conduit à un décalage de la caractéristique amplitude-fréquence (AFC) des oscillations du capteur vers la gauche par rapport à l'AFC mesurée loin de la surface (Fig. 7-22). La fréquence des vibrations de forçage du piézotube étant maintenue constante et égale à la fréquence de vibration  o à l'état libre, alors lorsque la sonde se rapproche de la surface, l'amplitude de ses vibrations diminue et devient égale à A. Cette amplitude de vibration est enregistré à partir de la deuxième partie du piézotube.

Riz. 7 21. Principe de fonctionnement d'un tube piézoélectrique
comme capteur d'interaction de force

Riz. 7 22. Modification de la fréquence d'oscillation du capteur de force
à l'approche de la surface de l'échantillon

Scanner

La méthode d'organisation des micromouvements utilisée dans le dispositif Nanoéducateur, basé sur l'utilisation d'une membrane métallique serrée autour du périmètre, à la surface de laquelle une plaque piézoélectrique est collée (Fig. 7 -23 a). La modification des dimensions de la plaque piézoélectrique sous l'action de la tension de commande conduira à une flexion de la membrane. En disposant ces membranes sur trois côtés perpendiculaires du cube et en reliant leurs centres avec des poussoirs métalliques, vous pouvez obtenir un scanner à 3 coordonnées x (Fig. 7 -23 b).

Riz. 7 23. Principe de fonctionnement (a) et conception (b) du scanner du dispositif NanoEducator

Chaque élément piézoélectrique 1, fixé sur les côtés du cube 2, lorsqu'une tension électrique lui est appliquée, peut déplacer le poussoir 3 qui lui est attaché dans l'une des trois directions perpendiculaires entre elles - X, Y ou Z. Comme on peut le voir de la figure, les trois poussoirs sont connectés en un point 4 Avec une certaine approximation, nous pouvons supposer que ce point se déplace le long de trois coordonnées X, Y, Z. Au même point est fixé un support 5 avec un porte-échantillon 6. Ainsi, l'échantillon se déplace selon trois coordonnées sous l'action de trois sources de tension indépendantes. Dans les appareils Nanoéducateur le déplacement maximal de l'échantillon est d'environ 50 à 70 µm, ce qui détermine la zone de balayage maximale.

Mécanisme d'approche automatisée de la sonde sur l'échantillon (capture du retour d'expérience)

La plage de mouvement du scanner le long de l'axe Z est d'environ 10 µm, par conséquent, avant de commencer le balayage, il est nécessaire de rapprocher la sonde de l'échantillon à cette distance. Le mécanisme d'approche est destiné à cela, dont le schéma est illustré à la Fig. 7 -19. Le moteur pas à pas 1, lorsque des impulsions électriques lui sont appliquées, fait tourner la vis d'alimentation 2 et déplace la barre 3 avec la sonde 4, en la rapprochant ou en l'éloignant de l'échantillon 5 monté sur le scanner 6. La valeur d'un pas est environ 2 microns.

Riz. 7 24. Schéma du mécanisme d'approche de la sonde à la surface de l'échantillon

Étant donné que le pas du mécanisme d'approche dépasse de manière significative la valeur de la distance sonde-échantillon requise pendant le balayage, afin d'éviter la déformation de la sonde, son approche est effectuée avec le fonctionnement simultané du moteur pas à pas et les mouvements du scanner le long l'axe Z selon l'algorithme suivant :

1. Le système de rétroaction est désactivé et le scanner « se rétracte », c'est-à-dire qu'il abaisse l'échantillon jusqu'à la position extrême inférieure.

2. Le mécanisme d'approche de la sonde fait un pas et s'arrête.

3. Le système de rétroaction est activé et le scanner soulève progressivement l'échantillon, tandis que l'analyse de la présence d'une interaction sonde-échantillon est effectuée.

4. S'il n'y a pas d'interaction, le processus est répété à partir du point 1.

Si un signal différent de zéro apparaît en tirant le scanner vers le haut, le système de rétroaction arrêtera le mouvement ascendant du scanner et verrouillera la quantité d'interaction au niveau spécifié. L'amplitude de l'interaction de force à laquelle l'approche de la sonde s'arrête et le processus de balayage a lieu dans l'appareil Nanoéducateur caractérisé par le paramètre Suppression d'amplitude (AmplitudeSuppression) :

A = Ao. (1- Suppression d'amplitude)

Acquisition d'images SPM

Après avoir appelé le programme Nanoéducateur la fenêtre principale du programme apparaît sur l'écran de l'ordinateur (Fig. 7-20). Le travail doit être démarré à partir de l'élément de menu Déposer et choisissez dedans Ouvert ou Nouveau ou les boutons correspondants de la barre d'outils (,).

Sélection de l'équipe Déposer Nouveau signifie le passage aux mesures SPM, et le choix de la commande Déposer Ouvert signifie transition vers la visualisation et le traitement des données précédemment reçues. Le programme permet de visualiser et de traiter les données en parallèle avec les mesures.

Riz. 7 25. Fenêtre principale du programme NanoEducator

Après avoir exécuté la commande Déposer Nouveau une boîte de dialogue apparaît à l'écran, qui permet de sélectionner ou de créer un dossier de travail dans lequel seront écrits par défaut les résultats de la mesure en cours. Au cours des mesures, toutes les données obtenues sont enregistrées séquentiellement dans des fichiers portant des noms ScanData + i.spm où index je est remis à zéro au démarrage du programme et incrémenté à chaque nouvelle mesure. Des dossiers ScanData + i.spm sont placés dans le dossier de travail, qui est installé avant de commencer les mesures. Il est possible de sélectionner un dossier de travail différent pendant les mesures. Pour cela, appuyez sur le bouton , situé sur la barre d'outils de la fenêtre principale du programme et sélectionnez l'élément de menu Changer de dossier de travail.

Pour enregistrer les résultats de la mesure en cours, appuyez sur le bouton Enregistrer sous dans la fenêtre Numérisation de la boîte de dialogue qui s'affiche, sélectionnez un dossier et spécifiez un nom de fichier, tandis que le fichier ScanData + i.spm, qui sert de fichier de stockage de données temporaire pendant les mesures, sera renommé avec le nom de fichier que vous avez spécifié. Par défaut, le fichier sera enregistré dans le dossier de travail désigné avant de commencer les mesures. Si vous n'effectuez pas l'opération d'enregistrement des résultats de mesure, la prochaine fois que vous démarrez le programme, les résultats enregistrés dans des fichiers temporaires ScanData + i.spm, sera écrasé de manière séquentielle (sauf si le dossier de travail est modifié). Un avertissement s'affiche sur la présence de fichiers temporaires de résultats de mesure dans le dossier de travail avant la fermeture et après le démarrage du programme. Changer le dossier de travail avant de commencer les mesures vous permet de protéger les résultats de l'expérience précédente de la suppression. Nom standard ScanData peut être modifié en le définissant dans la fenêtre de sélection du dossier de travail. La fenêtre de sélection du dossier de travail est appelée lors de l'appui sur le bouton. , situé sur la barre d'outils de la fenêtre principale du programme. Vous pouvez également enregistrer les résultats de mesure dans la fenêtre Navigateur de numérisation en sélectionnant les fichiers requis un par un et en les sauvegardant dans le dossier sélectionné.

Il est possible d'exporter les résultats obtenus avec l'appareil NanoEducator au format ASCII et au format Nova (firme NTMDT), qui peuvent être importés par le programme NT MDT Nova, Image Analysis et d'autres programmes. Les images des scans, leurs données de section transversale et les résultats des mesures de spectroscopie sont exportés au format ASCII. Pour exporter des données, cliquez sur le bouton Exportation situé dans la barre d'outils de la fenêtre principale du programme, ou sélectionnez Exportation dans l'élément de menu Déposer cette fenêtre et sélectionnez le format d'exportation approprié. Les données pour le traitement et l'analyse peuvent être envoyées directement au programme d'analyse d'images lancé précédemment.

Après avoir fermé la fenêtre de dialogue, le panneau de commande de l'instrument s'affiche.
(Fig. 7-26).

Riz. 7 26. Panneau de commande de l'appareil

Sur le côté gauche du panneau de commande de l'instrument, il y a des boutons pour sélectionner la configuration SPM :

CCM- microscope à balayage à force (SSM)

Label privé- microscope à effet tunnel (STM).

Réaliser des mesures sur la formation SPM NanoEducator consiste à effectuer les opérations suivantes :

1. Installation de l'échantillon

ATTENTION! Avant de placer l'échantillon, il est nécessaire de retirer la sonde avec la sonde afin de ne pas endommager la sonde.

Il y a deux façons de joindre l'échantillon :

sur une platine magnétique (dans ce cas, l'échantillon doit être fixé sur un substrat magnétique) ;

sur du ruban adhésif double face.

ATTENTION! Pour installer l'échantillon sur du ruban adhésif double face, il est nécessaire de dévisser le support du support (afin de ne pas endommager le scanner), puis de le revisser jusqu'à ce qu'il s'arrête légèrement.

Dans le cas d'un support magnétique, l'échantillon peut être remplacé sans dévisser le porte-échantillon.

2. Installation de la sonde

ATTENTION! Installez toujours la sonde avec la sonde après avoir installé l'échantillon.

Après avoir sélectionné la sonde souhaitée (tenir la sonde par les bords métalliques de la base) (voir Fig. 7-27), desserrer la vis de fixation de la sonde 2 sur le couvercle de la tête de mesure, insérer la sonde dans la douille du support jusqu'à ce que il s'arrête, vissez la vis de fixation dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce qu'il s'arrête...

Riz. 7 27. Installation de la sonde

3. Choisir un emplacement de numérisation

Lors du choix d'un site de recherche sur l'échantillon, utilisez les vis pour déplacer la platine à deux axes située au bas de l'instrument.

4. Approche préliminaire de la sonde à l'échantillon

L'opération d'approche préalable n'est pas obligatoire pour chaque mesure, la nécessité de sa mise en œuvre dépend de la valeur de la distance entre l'échantillon et la pointe de la sonde. Il est souhaitable d'effectuer l'opération d'approche préliminaire si la distance entre la pointe de la sonde et la surface de l'échantillon dépasse 0,51 mm. Lors de l'utilisation d'une approche automatisée de la sonde à l'échantillon à partir d'une grande distance entre eux, le processus d'approche prendra très longtemps.

Utilisez la vis d'approche manuelle pour abaisser la sonde, en contrôlant visuellement la distance entre elle et la surface de l'échantillon.

5. Tracer la courbe de résonance et régler la fréquence de fonctionnement

Cette opération est nécessairement effectuée au début de chaque mesure et, jusqu'à ce qu'elle soit effectuée, le passage aux étapes suivantes de mesures est bloqué. De plus, au cours des mesures, surgissent parfois des situations qui nécessitent l'exécution répétée de cette opération (par exemple, en cas de perte de contact).

La fenêtre de recherche de résonance est appelée en appuyant sur le bouton du tableau de bord. Cette opération consiste à mesurer l'amplitude des oscillations de la sonde lorsque la fréquence des oscillations forcées fixée par le générateur change. Pour cela, appuyez sur le bouton COURS(Fig. 7-28).

Riz. 7 28. Fenêtre de recherche de résonance et de réglage de la fréquence de fonctionnement :
a) - mode automatique, b) - mode manuel

Dans le mode Auto la fréquence du générateur est automatiquement réglée égale à la fréquence à laquelle l'amplitude maximale des oscillations de la sonde a été observée. Le graphique montrant l'évolution de l'amplitude d'oscillation de la sonde dans une plage de fréquence donnée (Fig. 7 -28a) permet d'observer la forme du pic de résonance. Si le pic de résonance n'est pas assez prononcé ou si l'amplitude à la fréquence de résonance est faible ( moins de 1V), il est alors nécessaire de modifier les paramètres des mesures et de re-déterminer la fréquence de résonance.

Le mode est prévu pour cela. Manuel... Lorsque ce mode est sélectionné dans la fenêtre Détermination de la fréquence de résonance un panneau supplémentaire apparaît
(Fig. 7 -28b), qui permet de régler les paramètres suivants :

Tension d'oscillation de la sonde réglé par le générateur. Il est recommandé de régler cette valeur au minimum (jusqu'à zéro) et pas plus de 50 mV.

Gain d'amplitude ( Gain d'amplification). Si l'amplitude des oscillations de la sonde est insuffisante (<1 В) рекомендуется увеличить коэффициент Gain d'amplification.

Pour lancer l'opération de recherche de résonance, appuyez sur le bouton Début.

Mode Manuel permet de modifier manuellement la fréquence sélectionnée en déplaçant le curseur vert sur le graphique avec la souris, ainsi que de préciser la nature du changement d'amplitude des oscillations dans une plage de valeurs étroite autour de la fréquence sélectionnée (pour cela , vous devez régler le commutateur Mode manuel en position Exactement et appuyez sur le bouton Début).

6. Capturez l'interaction

Pour capturer l'interaction, une approche contrôlée de la sonde et de l'échantillon est effectuée à l'aide d'un mécanisme d'approche automatisé. La fenêtre de contrôle de cette procédure est appelée en appuyant sur le bouton du tableau de bord. Lorsque vous travaillez avec CCM, ce bouton devient disponible après avoir effectué l'opération de recherche et réglé la fréquence de résonance. Fenêtre SSM, Approvisionnement(Fig. 7 -29) contient les éléments de contrôle pour l'approche de la sonde, ainsi que l'indication des paramètres, qui permettent d'analyser le déroulement de la procédure.

Riz. 7 29. Fenêtre de la procédure d'approche sonde

Dans la fenêtre Mener l'utilisateur a la possibilité d'observer les valeurs suivantes :

allonger le scanner ( ScannerZ) selon l'axe Z par rapport au maximum possible, pris comme unité. L'allongement relatif du scanner est caractérisé par le niveau de remplissage de l'indicateur de gauche avec la couleur correspondant à la zone dans laquelle se trouve actuellement le scanner : vert - la zone de travail, bleu - en dehors de la zone de travail, rouge - le scanner est venu trop près de la surface de l'échantillon, ce qui peut entraîner une déformation de la sonde. Dans ce dernier cas, le programme émet un avertissement sonore ;

amplitude de la sonde par rapport à l'amplitude de ses oscillations en l'absence d'interaction de force, prise comme unité. La valeur de l'amplitude relative des oscillations de la sonde est indiquée sur l'indicateur de droite par son niveau de remplissage en couleur bordeaux. Marque horizontale sur l'indicateur Amplitude de vibration de la sonde indique le niveau, au passage par lequel est effectuée l'analyse de l'état du scanner et sa sortie automatique en position de travail;

nombre d'étapes ( N.-É.Oui), parcouru dans un sens donné : Approche - approche, Retrait - retrait.

Avant de commencer le processus d'abaissement de la sonde, vous devez :

Vérifiez si les paramètres de proximité sont correctement définis :

Gain de rétroaction Gagner le système d'exploitation mettre à valeur 3 ,

Assurez-vous que le paramètre Suppressionamplitude (Force) a une valeur d'environ 0,2 (voir Fig. 7-29). Sinon, appuyez sur le bouton Obliger et dans la fenêtre Réglage des paramètres d'interaction (Fig. 7-30) valeur définie Suppressionamplitudeégal 0.2. Pour une approche plus délicate, le paramétrage Suppressionamplitude peut-être moins .

Vérifier l'exactitude des réglages dans la fenêtre des paramètres Options, page Paramètres d'approche.

S'il y a interaction ou non, vous pouvez déterminer par l'indicateur de gauche ScannerZ... Allongement complet du scanner (l'ensemble de l'indicateur ScannerZ de couleur bleue), ainsi qu'un indicateur complètement bordeaux Amplitude de vibration de la sonde(Fig. 7-29) indiquent un manque d'interaction. Après recherche de résonance et réglage de la fréquence de fonctionnement, l'amplitude des oscillations libres de la sonde est prise comme unité.

Si le scanner n'est pas complètement déployé avant ou pendant l'approche, ou si le programme affiche le message : « Erreur ! La sonde est trop proche de l'échantillon. Vérifiez les paramètres d'approche ou le nœud physique. Vous souhaitez vous déplacer vers un lieu sûr", il est recommandé de mettre en pause la procédure d'approche et :

une. modifier l'un des paramètres :

augmenter la quantité d'interaction, le paramètre Suppressionamplitude ou

augmenter la valeur Gagner le système d'exploitation ou

augmenter le temps de retard entre les étapes d'approche (paramètre Temps d'intégration Sur la page Paramètres d'approche la fenêtre Options).

b. augmenter la distance entre la pointe de la sonde et l'échantillon (pour cela, suivre les étapes décrites au paragraphe et effectuer l'opération Résonance, puis revenir à la procédure Mener.

Riz. 7 30. Fenêtre de réglage de la valeur d'interaction entre la sonde et l'échantillon

Après avoir capturé l'interaction, le message " Approche terminée ".

S'il est nécessaire de s'approcher d'un pas, appuyez sur le bouton . Dans ce cas, l'étape est effectuée en premier, puis les critères de capture de l'interaction sont vérifiés. Pour arrêter le mouvement, appuyez sur le bouton. Pour effectuer l'opération de rétraction, vous devez appuyer sur le bouton de rétraction rapide

ou appuyez sur le bouton pour une rétraction lente. S'il est nécessaire de reculer d'une marche, appuyez sur le bouton . Dans ce cas, l'étape est effectuée en premier, puis les critères de capture de l'interaction sont vérifiés.

7. Scannez

Après avoir terminé la procédure d'approche ( Mener) et capturer l'interaction, le balayage devient disponible (bouton dans la fenêtre du tableau de bord).

En appuyant sur ce bouton (la vue de la fenêtre de numérisation est illustrée à la Fig. 7 -31), l'utilisateur passe directement à la mesure et obtient les résultats de la mesure.

Avant d'effectuer le processus de numérisation, il est nécessaire de définir les paramètres de numérisation. Ces options sont regroupées sur le côté droit du volet supérieur de la fenêtre. Balayage.

La première fois après le démarrage du programme, ils sont installés par défaut :

Zone de numérisation - Région (Xnm *Ouinm): 5000 * 5000 nm ;

Nombre de pointsmesures le long des axes- X, Y : NX=100, New York=100;

Chemin de numérisation - Direction détermine la direction du balayage. Le programme vous permet de sélectionner la direction de l'axe de balayage rapide (X ou Y). Lorsque vous démarrez le programme, il est installé Direction

Après avoir défini les paramètres de numérisation, appuyez sur le bouton Appliquer pour confirmer la saisie du paramètre et le bouton Début pour lancer la numérisation.

Riz. 7 31. Fenêtre de gestion du processus et d'affichage des résultats du scan CCM

7.4 Lignes directrices

Avant de commencer à travailler sur le microscope à sonde à balayage NanoEducator, vous devez étudier le manuel d'utilisation de l'appareil [Réf. 7 -4].

7.5 Précautions de sécurité

Pour alimenter l'appareil, une tension de 220 V est utilisée. Le microscope à sonde à balayage NanoEducator doit être utilisé conformément aux PTE et PTB des installations électriques des consommateurs avec une tension allant jusqu'à 1000 V.

7.6 Affectation

1. Préparez vos propres échantillons biologiques pour les études SPM.

2. Pratiquez la conception générale du NanoEducator.

3. Familiarisez-vous avec le programme de contrôle NanoEducator.

4. Obtenez la première image SPM sous la supervision d'un enseignant.

5. Effectuer le traitement et l'analyse de l'image résultante. Quelles formes de bactéries sont typiques de votre solution ? Qu'est-ce qui détermine la forme et la taille des cellules bactériennes?

6. Prenez le Burgey Bacteria Identifier et comparez les résultats avec ceux qui y sont décrits.

7.7 Questions de contrôle

1. Quelles sont les méthodes d'étude des objets biologiques ?

2. Qu'est-ce que la microscopie à sonde à balayage ? Quel est le principe derrière cela?

3. Nommez les principaux composants de la GPS et leur objectif.

4. Qu'est-ce que l'effet piézoélectrique et comment est-il appliqué dans SPM. Décrivez les différentes conceptions de scanner.

5. Décrivez la conception générale du dispositif NanoEducator.

6. Décrire le capteur d'interaction de force et son principe de fonctionnement.

7. Décrire le mécanisme d'approche de la sonde à l'échantillon dans le dispositif NanoEducator. Expliquez les paramètres qui déterminent la force de l'interaction de la sonde avec l'échantillon.

8. Expliquer le principe du balayage et le fonctionnement du système de rétroaction. Parlez-nous des critères de choix des paramètres de numérisation.

7.8 Littérature

Lit. 7 1. Paul de Cruy. Chasseurs de microbes. M. Terra. 2001.

Lit. 7 2. Guide d'exercices pratiques en microbiologie. Edité par Egorov N.S. Moscou : Nauka, 1995.

Lit. 7 3. Howlt J., Krieg N., P. Snit, J. Staley, S. Williams. // Les clés de Bergey contre les bactéries. M. : Mir, 1997. T. n° 2. S. 574.

Lit. 7 4. Manuel d'utilisation de l'appareil Nanoéducateur.objets... Nijni Novgorod. Centre scientifique et pédagogique...

Notes de cours pour le cours & Microscopie à sonde à balayage en biologie & Plan de cours

Résumé

... Balayagesondemicroscopie en biologie "Plan de cours : Introduction, histoire de la SPM. limites application... et nanostructures, recherchebiologiqueobjets: Lauréats du prix Nobel ... pourrechercheÉchantillon spécifique : B balayagesondemicroscopiepour ...

Programme préliminaire de la xxiii conférence russe sur la microscopie électronique 1er juin mardi matin 10h00 - 14h00 ouverture de la conférence discours d'ouverture

Programme

B.P. Karadzhyan, Yu. L. Ivanova, Yu.F. Ivlev et V.I. Popenko Applicationsonde et confocal balayagemicroscopiepourrecherche procédés de réparation utilisant des greffons nanodispersés ...

1ère conférence scientifique panrusse Méthodes d'investigation de la composition et de la structure des matériaux fonctionnels

Document

MULTI-ÉLÉMENT OBJETS RÉFÉRENCE ... Lyakhov N.Z. RECHERCHE NANOCOMPOSITES BIOLOGIQUEMENT ACTIF ... Aliev V.Sh. APPLICATION MÉTHODE SONDEMICROSCOPIESPOURRECHERCHE EFFET... BALAYAGE CALORIMÉTRIE ET ​​COURANTS THERMOSTIMULÉS POURRECHERCHE ...

Travaux de laboratoire n°1

Obtenir la première image SPM. Traitement et présentation

Résultats de l'expérience

But du travail :étudier les bases de la microscopie à sonde à balayage, la conception et les principes de fonctionnement du dispositif NanoEducator, obtenir la première image SPM, acquérir des compétences en traitement et présenter des résultats expérimentaux.

Appareils et accessoires : appareil NanoEducator, échantillon pour la recherche : échantillon test TGZ3 ou tout autre au choix de l'enseignant.

BRÈVE THÉORIE

Conception générale d'un microscope à sonde à balayage

SPM se compose des principaux composants suivants (Fig. 1-1): 1 - sonde; 2 - échantillon; 3 - moteurs piézoélectriques x, y, z pour un déplacement précis de la sonde sur la surface de l'échantillon à tester ; 4 - générateur de balayage, alimentant en tension les pilotes piézo x et y, assurant le balayage de la sonde dans le plan horizontal; 5 - capteur électronique qui détecte l'ampleur de l'interaction locale entre la sonde et l'échantillon ; 6 - un comparateur qui compare le signal de courant dans le circuit capteur V (t) avec le V S initialement fixé, et, s'il s'en écarte, génère un signal de correction V fb ; 7 - circuit de rétroaction électronique qui contrôle la position de la sonde le long de l'axe z ; 8 - un ordinateur qui contrôle le processus de numérisation et l'acquisition d'images (9).

Riz. 1-1. Disposition générale d'un microscope à sonde à balayage. 1 - sonde; 2 - échantillon; 3 - moteurs piézoélectriques x, y, z; 4 - générateur de balayage de tension sur céramiques piézoélectriques x, y ; 5 - capteur électronique; 6 - comparateur; 7 - circuit de rétroaction électronique; 8 - ordinateur; 9 - image z (x, y)

Types de capteurs. Les deux principales méthodes de microscopie à sonde sont la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique.

Lors de la mesure du courant à effet tunnel dans un capteur à effet tunnel (Fig. 1-2), un convertisseur courant-tension (CT) est utilisé, qui est connecté au chemin de circulation du courant entre la sonde et l'échantillon. Il existe deux options de connexion possibles : avec une sonde mise à la terre, lorsqu'une tension de polarisation est appliquée à l'échantillon par rapport à la sonde mise à la terre, ou avec un échantillon mis à la terre, lorsqu'une tension de polarisation est appliquée à la sonde.

Un capteur d'interaction de force traditionnel est une micropoutre, une console ou un cantilever en silicium (de l'anglais cantilever - console) avec un schéma optique permettant d'enregistrer l'amplitude de la flexion du cantilever résultant de l'interaction de force entre l'échantillon et la sonde située à l'extrémité du en porte-à-faux (Fig. 1-3).

Riz. 1-2. Schéma du capteur tunnel Fig. 1-3. Circuit du capteur de puissance

Distinguer les méthodes de microscopie à force conductrice avec contact, sans contact et contact intermittent ("semi-contact"). L'utilisation de la méthode de contact suppose que la sonde repose contre l'échantillon. Lorsque le porte-à-faux est plié sous l'action des forces de contact, le faisceau laser réfléchi est déplacé par rapport au centre du photodétecteur à quadrant. Ainsi, la déviation du porte-à-faux peut être déterminée par le changement relatif de l'éclairement des moitiés supérieure et inférieure du photodétecteur.

Lors de l'utilisation de la méthode sans contact, la sonde est retirée de la surface et se trouve dans la zone d'action des forces d'attraction à longue portée. Les forces d'attraction et leurs gradients sont plus faibles que les forces de contact répulsives. Par conséquent, une technique de modulation est généralement utilisée pour les détecter. Pour cela, le cantilever oscille verticalement à la fréquence de résonance à l'aide du vibrateur piézo. Loin de la surface, l'amplitude des oscillations du porte-à-faux a une valeur maximale. Au fur et à mesure qu'il se rapproche de la surface, sous l'action du gradient des forces d'attraction, la fréquence de résonance des oscillations du porte-à-faux change, tandis que l'amplitude de ses oscillations diminue. Cette amplitude est enregistrée à l'aide d'un système optique en fonction de l'évolution relative de l'éclairement variable des moitiés supérieure et inférieure du photodétecteur.

Avec la méthode de mesure « semi-contact », une technique de modulation pour mesurer l'interaction des forces est également utilisée. Dans le mode "semi-contact", la sonde touche partiellement la surface, se trouvant alternativement à la fois dans la région d'attraction et dans la région de répulsion.

Moteur piézoélectrique. Scanners. Des moteurs piézoélectriques sont utilisés dans le SPM pour contrôler le mouvement de l'aiguille à des distances ultra-courtes. Leur tâche est de fournir un balayage mécanique de précision de l'échantillon à l'étude par la sonde en déplaçant la sonde par rapport à l'échantillon stationnaire ou en déplaçant l'échantillon par rapport à la sonde stationnaire. Le fonctionnement de la plupart des moteurs piézoélectriques utilisés dans les SPM modernes est basé sur l'utilisation de l'effet piézoélectrique inverse, qui consiste à modifier la taille du matériau piézoélectrique sous l'action d'un champ électrique. La base de la plupart des céramiques piézoélectriques utilisées dans la SPM est la composition de Pb (ZrTi) O 3 (titanate de zirconate de plomb) avec divers additifs.

L'allongement de la piézoplaque fixée à une extrémité est déterminé par l'expression :

où je- longueur de la plaque, h- épaisseur de plaque, U- tension électrique appliquée aux électrodes situées sur les bords de la plaque piézoélectrique, ré 31 - matériau piézomodule.

Les constructions piézocéramiques qui se déplacent le long de trois coordonnées x, y (dans le plan latéral de l'échantillon) et z (vertical) sont appelées "scanners". Il existe plusieurs types de scanners, dont les plus courants sont tripodes et tubulaires (Figure 1-4).

Riz. 1-4. Les principaux modèles de scanners : a) - trépied, b) - tubulaire

Dans un scanner tripode, les mouvements le long de trois coordonnées sont assurés par trois piézocéramiques indépendantes disposées selon une structure orthogonale. Les scanners tubulaires fonctionnent en pliant un tube piézoélectrique creux dans le plan latéral et en allongeant ou en comprimant le tube le long de l'axe Z. Des électrodes qui contrôlent le mouvement du tube dans les directions X et Y sont placées en quatre segments le long de la surface extérieure du tube (Figure 1-4b). Pour plier le tube dans la direction X, une contrainte est appliquée sur la céramique + X pour allonger l'un de ses côtés. Le même principe est utilisé pour définir le mouvement dans la direction Y. Décalages dans les directions X et Y

proportionnel à la tension appliquée et au carré de la longueur du tube. Le mouvement dans la direction Z est généré en appliquant une tension à une électrode au centre du tube. Il en résulte un allongement du tube entier proportionnellement à sa longueur et à la contrainte appliquée.

Le processus de balayage d'une surface dans un SPM (Fig. 1-5) est similaire au mouvement d'un faisceau d'électrons à travers un écran dans un tube cathodique d'un téléviseur. La sonde se déplace le long de la ligne (ligne), d'abord vers l'avant, puis dans la direction opposée (balayage linéaire), puis passe à la ligne suivante (balayage vertical). Le mouvement de la sonde est effectué par le scanner par petites étapes sous l'action de tensions en dents de scie fournies par un générateur de balayage (généralement un convertisseur numérique-analogique). L'enregistrement des informations sur le relief de surface se fait, en règle générale, sur un passage rectiligne.

Riz. 1-5. Représentation schématique du processus de numérisation

Les principaux paramètres à sélectionner avant de lancer un scan sont :

Taille de numérisation ;

Le nombre de points sur la ligne N X et de lignes dans le balayage N Y, qui déterminent le pas de balayage ;

Vitesse de numérisation.

Les paramètres de balayage sont sélectionnés sur la base des données préliminaires (taille des caractéristiques de surface caractéristiques) dont dispose le chercheur sur l'objet d'étude.

Lors du choix de la taille de numérisation, il est nécessaire d'obtenir les informations les plus complètes sur la surface de l'échantillon, c'est-à-dire présentent les traits les plus caractéristiques de sa surface. Par exemple, lors du balayage d'un réseau de diffraction avec une période de 3 µm, il est nécessaire d'afficher au moins plusieurs périodes, c'est-à-dire la taille du scan doit être de 10 à 15 µm. Si l'emplacement des caractéristiques sur la surface de l'objet à l'étude n'est pas uniforme, alors pour une évaluation fiable, il est nécessaire de balayer en plusieurs points distants les uns des autres sur la surface de l'échantillon. En l'absence d'informations sur l'objet de la recherche, en règle générale, d'abord, un balayage est effectué dans une zone proche du maximum disponible pour l'affichage afin d'obtenir une vue d'ensemble de la nature de la surface. Le choix de la taille de balayage pour le balayage répété est effectué sur la base des données obtenues sur le balayage d'enquête.

Le nombre de points de balayage (NX, NY) est choisi de telle sorte que le pas de balayage (la distance entre les points auxquels les informations sur la surface sont lues) soit inférieur à ses caractéristiques, sinon certaines des informations contenues entre les points de balayage des points seront perdus. D'autre part, le choix d'un nombre excessif de points de balayage augmentera le temps d'acquisition du balayage.

La vitesse de balayage détermine la vitesse à laquelle la sonde se déplace entre les points auxquels l'information est lue. Une vitesse excessivement élevée peut entraîner le fait que le système de rétroaction n'aura pas le temps d'éloigner la sonde de la surface, ce qui entraînera une reproduction incorrecte des dimensions verticales, ainsi que des dommages à la sonde et à la surface de l'échantillon. Une vitesse de balayage lente augmentera le temps d'acquisition du balayage.

Système de rétroaction. Pendant le balayage, la sonde peut être située au-dessus des zones de surface avec des propriétés physiques différentes, ce qui modifie l'amplitude et la nature de l'interaction sonde-échantillon. De plus, s'il y a des irrégularités sur la surface de l'échantillon, alors la distance ΔZ entre la sonde et la surface changera pendant le balayage, et l'amplitude de l'interaction locale changera en conséquence.

Pendant le balayage, une valeur constante de l'interaction locale (force ou courant tunnel) est maintenue à l'aide d'un système de rétroaction négative. Lorsque la sonde s'approche de la surface, le signal du capteur augmente (voir Figure 1-1). Le comparateur compare le signal du capteur de courant avec une tension de référence Vs et génère un signal de correction Vfb, qui est utilisé comme signal de commande pour l'entraînement piézo qui éloigne la sonde de la surface de l'échantillon. Le signal permettant d'obtenir une image de la topographie de surface est prélevé sur le canal du lecteur z-piezo.

En figue. 1-6 montre la trajectoire de la sonde par rapport à l'échantillon (courbe 2) et de l'échantillon par rapport à la sonde (courbe 1) tout en maintenant une valeur constante de l'interaction sonde-échantillon. Si la sonde est au-dessus d'un trou ou d'une région où l'interaction est plus faible, alors l'échantillon est levé, sinon l'échantillon est abaissé.

La rétroaction du système de rétroaction à l'apparition du signal de non-concordance V fb = V (t) - V S est déterminée par la constante de boucle de rétroaction K (dans le dispositif NanoEducator - Gagner le système d'exploitation) ou plusieurs de ces constantes. Les valeurs K spécifiques dépendent des caractéristiques de conception d'un SPM particulier (conception et caractéristiques du scanner, électronique), du mode de fonctionnement du SPM (taille de numérisation, vitesse de numérisation, etc.), ainsi que des caractéristiques de la surface sous étude (degré de rugosité, échelle des caractéristiques topographiques, dureté du matériau, etc.) NS.).

Riz. 1-6. La trajectoire du mouvement relatif de la sonde et de l'échantillon dans le processus de maintien d'une interaction locale constante par le système de rétroaction

En général, plus la valeur K est élevée, plus la boucle de rétroaction calcule avec précision les caractéristiques de la surface balayée et plus les données obtenues pendant le balayage sont fiables. Cependant, lorsqu'une certaine valeur critique de K est dépassée, le système de rétroaction présente une tendance à l'auto-excitation, c'est-à-dire du bruit est observé sur la ligne de balayage.

Format des données SPM, méthodes de traitement et présentation des résultats expérimentaux. Les informations obtenues avec un microscope à sonde à balayage sont stockées sous la forme d'une trame SPM - un tableau bidimensionnel d'entiers Z ij (matrice). Chaque valeur du couple d'indices ij correspond à un point spécifique de la surface à l'intérieur du champ de balayage. Les coordonnées des points de surface sont calculées en multipliant simplement l'indice correspondant par la distance entre les points auxquels l'information a été lue. En règle générale, les trames SPM sont des matrices carrées d'une taille de 200x200 ou 300x300 éléments.

Les trames SPM sont visualisées au moyen d'images informatiques, principalement sous la forme d'images de luminosité bidimensionnelle (2D) et tridimensionnelle (3D). Dans la visualisation 2D, chaque point de la surface Z = f (x, y) se voit attribuer un ton d'une certaine couleur en fonction de la hauteur du point de la surface (Fig. 1-7 a). En rendu 3D, l'image de surface Z = f (x, y) est construite en perspective axonométrique à l'aide de pixels ou de lignes. Le moyen le plus efficace de colorer des images 3D est de simuler les conditions d'éclairage de la surface avec une source ponctuelle située à un certain point dans l'espace au-dessus de la surface (Fig. 1-7 b). Dans le même temps, il est possible de souligner les petites caractéristiques individuelles du relief.

Les images SPM, ainsi que des informations utiles, contiennent également de nombreuses informations secondaires qui déforment les données sur la morphologie et les propriétés de la surface. Les images SPM, en règle générale, contiennent une composante constante, qui ne contient pas d'informations utiles sur le relief de la surface, mais reflète la précision de l'approche de l'échantillon au milieu de la plage dynamique du mouvement du scanner le long de l'axe Z. La composante constante est supprimé de la trame SPM par le logiciel.

Riz. 1-7. Modes de présentation graphique des images SPM :

a) - 2D, b) - 3D avec éclairage latéral

Les images de surface obtenues avec des microscopes à sonde sont comme

ont généralement une pente commune. Cela peut être dû à plusieurs raisons. Premièrement, une inclinaison peut apparaître en raison d'un positionnement imprécis de l'échantillon par rapport à la sonde ou d'une non planéité de l'échantillon ; d'autre part, il peut être associé à des dérives en température, qui entraînent le déplacement de la sonde par rapport à l'échantillon ; troisièmement, elle peut être causée par la non-linéarité des déplacements du piézoscanner. Une grande quantité d'espace utilisable dans le cadre SPM est consacrée à l'affichage de l'inclinaison, de sorte que les petits détails de l'image deviennent invisibles. Pour éliminer cet inconvénient, l'opération de soustraction d'une pente constante (nivellement) est effectuée (Fig. 1-8).

Riz. 1-8. Élimination de l'inclinaison constante de l'image SPM

L'imperfection des propriétés du piézoscanner conduit au fait que l'image SPM

contient un certain nombre de distorsions spécifiques. En particulier, étant donné que le mouvement du scanner dans le plan de l'échantillon affecte la position de la sonde au-dessus de la surface (le long de l'axe Z), les images SPM sont une superposition du relief réel et d'une certaine surface de la seconde (et souvent plus ) ordre. Pour éliminer ces distorsions, la méthode des moindres carrés est utilisée pour trouver une surface d'approximation de second ordre qui présente des écarts minimes par rapport à la surface d'origine, puis cette surface est soustraite de l'image SPM d'origine.

Le bruit de l'équipement, l'instabilité du contact sonde-échantillon lors du balayage, les bruits acoustiques externes et les vibrations conduisent au fait que les images SPM, ainsi que les informations utiles, ont une composante de bruit. Le bruit partiel des images SPM peut être supprimé par un logiciel à l'aide de divers filtres.

Conception SPM NanoEducator. En figue. 1-9 montre la vue externe de la tête de mesure SPM NanoEducator et indique les principaux éléments de l'appareil utilisé pendant le fonctionnement. En figue. 1-10 montre la construction de la tête de mesure. Sur la base 1 se trouvent un scanner 7 avec un porte-échantillon 6 et un mécanisme d'approche 2 basé sur un moteur pas à pas. La sonde 5, fixée sur le capteur d'interaction 4, peut également être amenée sur l'échantillon à l'aide de la vis d'approche manuelle 3. La sélection préalable du site de recherche sur l'échantillon est réalisée à l'aide de la vis 8.

Riz. 1-9. Aspect de la tête de mesure NanoEducator : 1 - base, 2 - porte-échantillon, 3 - capteur d'interaction, 4 - vis de fixation du capteur, 5 - vis d'alimentation manuelle, 6 - vis pour déplacer le scanner avec l'échantillon, 7 - couvercle avec une vidéo caméra

Riz. 1-10. Conception SPM NanoEducator : 1 - base, 2 - mécanisme d'alimentation, 3 - vis d'alimentation manuelle, 4 - capteur d'interaction, 5 - vis de fixation du capteur, 6 - sonde, 7 - porte-échantillon, 8 - scanner, 9, 10 - vis de mouvement du scanner avec échantillon

En figue. 1-11 montre un schéma fonctionnel de l'appareil. NanoEducator se compose d'une tête de mesure, d'une unité électronique, de câbles de connexion et d'un ordinateur de contrôle. Le caméscope est présenté comme un appareil distinct connecté à l'ordinateur. Le signal du capteur d'interaction, après conversion dans le préamplificateur, entre dans le contrôleur SPM. Les signaux de commande de l'unité électronique vont à la tête de mesure. L'unité électronique est contrôlée à partir d'un ordinateur via un contrôleur de communication PC.

Riz. 1-11. Schéma fonctionnel de l'appareil. Nanoéducateur

Capteur universel pour l'interaction de courant et de force tunnel. Le dispositif NanoEducator utilise un capteur universel d'interaction de courant tunnel et de force de modulation. Le capteur est réalisé sous la forme d'un tube piézo-céramique d'une longueur je= 7 mm, diamètre ré= 1,2 mm et épaisseur de paroi h= 0,25 mm, fixé rigidement à une extrémité. Une électrode conductrice est appliquée sur la surface intérieure du tube. Deux électrodes semi-cylindriques isolées électriquement sont appliquées sur la surface extérieure du tube. Attaché à l'extrémité libre du tube se trouve un fil de tungstène de 100 µm de diamètre (Figure 1-12). L'extrémité libre du fil utilisé comme sonde est affûtée électrochimiquement, le rayon de courbure est de 0,2-0,05 micron. La sonde est en contact électrique avec l'électrode interne du tube, qui est connectée au corps mis à la terre de l'instrument. Lors de la mesure du courant tunnel, le piézotube joue le rôle d'une console passive rigide. Un déplacement électrique est appliqué à l'échantillon par rapport à la sonde mise à la terre (Figure 1-13). Le convertisseur représenté sur la figure génère une tension électrique Uт, qui fait circuler le courant tunnel I et délivre une tension U proportionnelle à ce courant à l'unité électronique.

Riz. 1-12. La conception de la Fig. 1-13. Le principe d'enregistrement du capteur tunnel du dispositif actuel NanoEducator

En tant que capteur d'interaction de force, une partie du tube piézoélectrique est utilisée comme vibrateur piézoélectrique et l'autre comme capteur de vibration mécanique. Une tension électrique alternative est fournie au vibrateur piézo avec une fréquence égale à la fréquence de résonance du capteur de puissance. L'amplitude de vibration à grande distance de la sonde à l'échantillon est maximale. Comme on le voit sur la Fig. 1-14, en cours d'oscillations, la sonde s'écarte de la position d'équilibre d'une quantité Ao égale à l'amplitude de ses oscillations mécaniques forcées (c'est des fractions de micron), tandis qu'une tension électrique alternative apparaît sur la deuxième partie de l'élément piézoélectrique (capteur d'oscillation), qui est proportionnel au déplacement de la sonde, qui est mesuré par l'appareil.

Lorsque la sonde s'approche de la surface de l'échantillon, la sonde commence à toucher l'échantillon pendant l'oscillation. Ceci conduit à un décalage de la caractéristique amplitude-fréquence (AFC) des oscillations du capteur vers la gauche par rapport à l'AFC mesurée loin de la surface (Fig. 1-14). La fréquence des vibrations de forçage du piézotube étant maintenue constante et égale à 0 à l'état libre, lorsque la sonde se rapproche de la surface, l'amplitude de ses vibrations diminue et devient égale à A. Cette amplitude de vibration est enregistrée à partir de la seconde la moitié du piézotube.

Riz. 1-14. Modification de la fréquence d'oscillation du capteur de force à

approcher de la surface de l'échantillon

Scanner. La méthode d'organisation des micromouvements utilisée dans le dispositif NanoEducator est basée sur l'utilisation d'une membrane métallique serrée autour du périmètre, à la surface de laquelle une plaque piézoélectrique est collée (Fig. 1-15 a). La modification des dimensions de la plaque piézoélectrique sous l'action de la tension de commande conduira à une flexion de la membrane. En plaçant de telles membranes sur trois côtés perpendiculaires du cube et en reliant leurs centres avec des guides métalliques, vous pouvez obtenir un scanner à 3 coordonnées (Fig. 1-15 b).

Chaque élément piézoélectrique 1, fixé sur les côtés du cube 2, peut déplacer le poussoir 3 qui lui est attaché dans l'une des trois directions perpendiculaires entre elles - X, Y ou Z lorsqu'une tension électrique lui est appliquée. Comme on peut le voir sur la figure, les trois poussoirs sont connectés en un point 4. Avec une certaine approximation, nous pouvons supposer que ce point se déplace le long de trois coordonnées X, Y, Z. Un support 5 avec un porte-échantillon 6 est attaché au Ainsi, l'échantillon se déplace selon trois coordonnées sous l'action de trois sources de tension indépendantes. Dans les appareils NanoEducator, le mouvement maximal de l'échantillon est d'environ 50 à 70 microns, ce qui détermine la zone de balayage maximale.

Riz. 1-15. Principe de fonctionnement (a) et conception (b) du scanner du dispositif NanoEducator

Mécanisme d'approche automatisée de la sonde sur l'échantillon (capture du retour d'expérience)... La plage de mouvement du scanner le long de l'axe Z est d'environ 10 µm, par conséquent, avant de commencer le balayage, il est nécessaire de rapprocher la sonde de l'échantillon à cette distance. Le mécanisme d'approche est destiné à cela, dont le schéma est illustré à la Fig. 1-16. Le moteur pas à pas 1, lorsque des impulsions électriques lui sont appliquées, fait tourner la vis d'alimentation 2 et déplace la barre 3 avec la sonde 4, en la rapprochant ou en l'éloignant de l'échantillon 5 monté sur le scanner 6. La valeur d'un pas est environ 2 microns.

Riz. 1-16. Schéma du mécanisme d'approche de la sonde à la surface de l'échantillon

Étant donné que le pas du mécanisme d'approche dépasse de manière significative la valeur de la distance sonde-échantillon requise pendant le balayage, afin d'éviter la déformation de la sonde, son approche est effectuée avec le fonctionnement simultané du moteur pas à pas et les mouvements du scanner le long l'axe Z selon l'algorithme suivant :

Le système de rétroaction est désactivé et le scanner « se rétracte », c'est-à-dire qu'il abaisse l'échantillon jusqu'à la position extrême inférieure :

1. Le mécanisme d'approche de la sonde fait un pas et s'arrête.

2. Le système de rétroaction s'allume et le scanner soulève progressivement l'échantillon, tandis que l'analyse de la présence d'une interaction sonde-échantillon est effectuée.

3. S'il n'y a pas d'interaction, le processus est répété à partir du point 1.

Si un signal différent de zéro apparaît en tirant le scanner vers le haut, le système

La rétroaction arrêtera le mouvement ascendant du scanner et fixera la quantité d'interaction à un niveau donné. L'amplitude de l'interaction de force à laquelle la sonde s'approche s'arrêtera et le processus de balayage aura lieu, dans le dispositif NanoEducator est caractérisé par le paramètre Amplitude d'arrêt(suppression d'amplitude ).

ORDRE D'EXÉCUTION DES TRAVAUX

1.Préparation pour les mesures.

Après avoir appelé le programme NanoEducator, la fenêtre principale apparaît à l'écran. En figue. 1-17 montre un fragment de la fenêtre principale.

Riz. 1-17. Fenêtre principale du programme NanoEducator

Il est recommandé de préparer les mesures à l'aide de la fenêtre Préparation à la numérisation... La fenêtre est ouverte par le bouton sur le panneau de commande principal. Si le contrôleur de l'appareil a été allumé avant le lancement du programme NanoEducator, le contrôleur sera automatiquement sélectionné au démarrage du programme. Sinon, le nom du contrôleur doit être sélectionné dans la liste Sélection du contrôleur... Pour faire fonctionner l'appareil comme un microscope à force atomique, dans le menu Sélection de mode sélectionner la configuration AFM.

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Recherche de scanners piézoélectriques à microdéplacement.

But du travail :étude des principes physiques et techniques de réalisation de micro-déplacements d'objets en microscopie à sonde à balayage, mise en œuvre à l'aide de scanners piézoélectriques

introduction

La microscopie à sonde à balayage (SPM) est l'une des méthodes modernes les plus puissantes pour étudier les propriétés d'une surface solide. À l'heure actuelle, pratiquement aucune recherche dans le domaine de la physique des surfaces et des microtechnologies n'est complète sans l'utilisation des méthodes SPM.

Les principes de la microscopie à sonde à balayage peuvent être utilisés comme base de base pour le développement d'une technologie permettant de créer des structures à l'état solide à l'échelle nanométrique (1 nm = 10 A). Pour la première fois dans la pratique technologique de la création d'objets artificiels, la question de l'utilisation des principes de l'assemblage atomique dans la fabrication de produits industriels se pose. Cette approche ouvre des perspectives pour la mise en œuvre de dispositifs contenant un nombre très limité d'atomes individuels.

Le microscope à effet tunnel (STM), le premier d'une famille de microscopes à sonde, a été inventé en 1981 par les scientifiques suisses G. Binnig et G. Rohrer. Dans leurs travaux, ils ont montré qu'il s'agit d'un moyen assez simple et très efficace pour étudier une surface avec une haute résolution spatiale jusqu'à l'ordre atomique. Cette technique a reçu une réelle reconnaissance après visualisation de la structure atomique de la surface de plusieurs matériaux et, en particulier, de la surface de silicium reconstruite. En 1986, pour la création d'un microscope à tunnel, G. Binnig et G. Poper ont reçu le prix Nobel de physique. Après le microscope à tunnel, le microscope à force atomique (AFM), le microscope à force magnétique (MFM), le microscope à force électrique (EFM), le microscope optique à champ proche (BOM) et bien d'autres appareils aux principes de fonctionnement similaires et appelés microscopes à sonde à balayage.

1. Principes généraux des microscopes à sonde à balayage

Dans les microscopes à sonde à balayage, l'étude du microrelief et des propriétés locales de la surface est réalisée à l'aide de sondes de type aiguille spécialement préparées. Le rayon de courbure de la partie active de telles sondes (pointes) est d'environ dix nanomètres. La distance caractéristique entre la sonde et la surface des échantillons dans les microscopes à sonde par ordre de grandeur est de 0,1 à 10 nm.

Le fonctionnement des microscopes à sonde est basé sur différents types d'interaction physique de la sonde avec les atomes de la surface de l'échantillon. Ainsi, le fonctionnement d'un microscope à effet tunnel repose sur le phénomène de circulation de courant tunnel entre une aiguille métallique et un échantillon conducteur ; divers types d'interaction de force sous-tendent le fonctionnement des microscopes à force atomique, à force magnétique et à force électrique.

Considérons les caractéristiques communes inhérentes à divers microscopes à sonde. Laissez l'interaction de la sonde avec la surface être caractérisée par un paramètre R... S'il existe une dépendance suffisamment nette et univoque du paramètre R de la sonde de distance - échantillon P = P (z), alors ce paramètre peut être utilisé pour organiser un système de rétroaction (OS) qui contrôle la distance entre la sonde et l'échantillon. En figue. 1 montre schématiquement le principe général d'organisation de la rétroaction d'un microscope à sonde à balayage.

Riz. 1. Schéma du système de rétroaction du microscope à sonde

Le système de rétroaction maintient la valeur du paramètre R constante égale à la valeur Ro fixé par l'opérateur. Si la distance sonde - surface change (par exemple, augmente), alors le paramètre change (augmente) R... Dans le système OS, un signal de différence proportionnel à la valeur est formé. P= P - Pô, qui est amplifié à la valeur souhaitée et envoyé à l'élément d'actionnement de l'IE. L'actionneur traite ce signal de différence en rapprochant la sonde de la surface ou en l'éloignant jusqu'à ce que le signal de différence devienne égal à zéro. De cette manière, la distance sonde-échantillon peut être maintenue avec une grande précision. Dans les microscopes à sonde existants, la précision du maintien de la distance sonde-surface atteint ~ 0,01 . Lorsque la sonde se déplace le long de la surface de l'échantillon, le paramètre d'interaction change R en raison du relief superficiel. Le système OS traite ces changements, de sorte que lorsque la sonde se déplace dans le plan X, Y, le signal sur l'actionneur est proportionnel au relief de la surface.

Pour obtenir une image SPM, un processus spécialement organisé de numérisation d'un échantillon est effectué. Lors du balayage, la sonde se déplace d'abord sur l'échantillon le long d'une certaine ligne (balayage linéaire), tandis que la valeur du signal sur l'actionneur, proportionnelle au relief de la surface, est enregistrée dans la mémoire de l'ordinateur. Ensuite, la sonde revient au point de départ et passe à la ligne de balayage suivante (balayage vertical), et le processus est répété à nouveau. Le signal de retour enregistré de cette manière lors du balayage est traité par un ordinateur, puis l'image SPM du relief de surface Z = f (x, y) construit à l'aide de l'infographie. Parallèlement à l'étude du relief de la surface, les microscopes à sonde permettent d'étudier diverses propriétés de surface : mécaniques, électriques, magnétiques, optiques et bien d'autres.

Pour la première fois, l'idée d'obtenir une image à ultra haute résolution de la surface d'un échantillon à l'aide d'une sonde pointue a été avancée en 1966 et mise en œuvre en 1972 par Russell Young, qui était engagé dans la physique des surfaces. La configuration Young est illustrée sur la figure. L'échantillon conducteur étudié est fixé sur un mécanisme d'approche grossière basé sur une microvis différentielle. L'échantillon est appliqué à une aiguille de tungstène pointue attachée à un scanner XYZ de précision entraîné par piézo. Une différence de potentiel appliquée entre la pointe de la sonde et l'échantillon provoque une émission d'électrons, qui est enregistrée par l'instrument. Le mécanisme de rétroaction maintient un courant d'émission constant en modifiant la position de la sonde le long de la coordonnée Z (c'est-à-dire la distance entre la sonde et la surface). L'enregistrement du signal de retour sur un enregistreur ou un oscilloscope permet de restituer le relief de surface.

Bien que la résolution spatiale du dispositif Yang dans le plan de l'échantillon ne dépassât pas la résolution d'un microscope optique classique, l'installation possédait toutes les caractéristiques d'un SPM et permettait de distinguer des couches atomiques sur l'échantillon.

Quelques années plus tard, à la fin des années 70, les physiciens Gerd Binnig et Heinrich Rohrer du laboratoire de recherche IBM à Zurich ont commencé à développer une configuration qui deviendrait plus tard le premier microscope à effet tunnel. Ayant une vaste expérience en microscopie électronique et en étudiant l'effet tunnel, ils ont eu l'idée de créer une configuration similaire au Topografiner de Young.

Mais à la place du courant d'émission, ils ont utilisé le courant à effet tunnel, qui a permis d'augmenter la résolution de l'appareil par des ordres de grandeur. De nombreuses images avec une résolution atomique ont été obtenues, une amélioration supplémentaire de l'appareil a conduit à la création de nombreux autres types de SPM. En 1986, Binnig et Rohrer ont reçu le prix Nobel de physique pour la création d'un microscope à effet tunnel. L'histoire de la création du premier label privé se trouve dans le discours Nobel de Binnig
Avec l'amélioration des installations, les chercheurs ont appris non seulement à mesurer la topographie de la surface, mais aussi à manipuler des atomes individuels ! L'importance de cet événement est comparable au lancement du premier satellite artificiel en orbite terrestre, et, peut-être, c'est la première étape vers la création des technologies les plus importantes du futur.

L'utilisation de l'effet tunnel en STM permet non seulement d'obtenir une ultra-haute résolution, mais impose également un certain nombre de restrictions importantes à l'échantillon à étudier : il doit être conducteur, et il est souhaitable d'effectuer des mesures sous vide poussé. Cela réduit considérablement la plage d'applicabilité de la STM. Par conséquent, les chercheurs ont concentré leurs efforts sur la création de nouveaux types de SPM, dépourvus de ces limitations. En 1986, un article de Binnig, Quat et Gerber a été publié, qui décrit un nouveau type de microscope - le microscope à force atomique (AFM). Ce type de microscope utilise une sonde spéciale - un cantilever - une aiguille pointue en silicium fixée à l'extrémité d'une poutre à ressort. Lorsque cette aiguille s'approche de la surface de l'échantillon à une distance d'une dizaine de nanomètres (si la surface de l'échantillon est préalablement nettoyée d'une couche d'eau), le faisceau commence à dévier vers l'échantillon, car la pointe de l'aiguille interagit avec la surface au moyen des forces de van der Waals. En s'approchant davantage de la surface, l'aiguille est déviée dans la direction opposée en raison de l'action des forces de répulsion électrostatiques. La déviation de la pointe par rapport à la position d'équilibre dans la configuration de Binnig a été détectée à l'aide de la pointe d'un microscope à tunnel.

L'utilisation d'un cantilever a permis d'étudier des échantillons non conducteurs. L'amélioration des systèmes de détection a conduit à la création de microscopes capables de mesurer non seulement dans l'air, mais aussi dans le liquide, ce qui est particulièrement important dans l'étude d'échantillons biologiques. En outre, des méthodes de mesure de l'interaction des forces du porte-à-faux et de l'échantillon ont été développées, à l'aide desquelles il est devenu possible de déterminer les forces d'interaction entre les atomes individuels avec des valeurs caractéristiques au niveau de 10 -9 Newtons.

Depuis le milieu des années 1980, il y a eu une croissance explosive du nombre de publications liées à la microscopie à sonde. De nombreux types de GPS sont apparus, de nombreux appareils disponibles dans le commerce sont apparus, des manuels sur la microscopie à sonde ont été publiés, les bases de la GPS sont étudiées dans les cours de nombreux établissements d'enseignement supérieur.

Microscope à sonde à balayage

La direction la plus récente et en même temps prometteuse dans l'étude des propriétés de surface est la microscopie à sonde à balayage. Les microscopes à sonde ont une résolution record de moins de 0,1 nm. Ils peuvent mesurer l'interaction entre une surface et une pointe microscopique - une sonde - qui la scanne, et afficher une image en trois dimensions sur un écran d'ordinateur.

Les méthodes de microscopie à sonde permettent non seulement de voir les atomes et les molécules, mais aussi d'agir sur eux. Dans le même temps, ce qui est particulièrement important, les objets peuvent être étudiés non pas nécessairement dans le vide (ce qui est habituel pour les microscopes électroniques), mais aussi dans divers gaz et liquides.

La sonde - microscope à effet tunnel a été inventée en 1981 par des employés du Research Center de la firme IBM G. Binning et H. Rohrer (USA). Cinq ans plus tard, ils ont reçu le prix Nobel pour cette invention.

Binning et Rohrer ont tenté de concevoir un instrument pour examiner des surfaces inférieures à 10 nm. Le résultat a dépassé les attentes les plus folles : les scientifiques ont pu voir des atomes individuels, dont la taille n'est que d'environ un nanomètre de diamètre. Le fonctionnement d'un microscope à effet tunnel est basé sur un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel. Une pointe métallique très fine - une sonde chargée négativement - est rapprochée de l'échantillon, également métallique, chargé positivement. À ce moment-là, lorsque la distance entre eux atteint plusieurs distances interatomiques, les électrons commenceront à le traverser librement - "tunnel": un courant traversera l'espace.

La forte dépendance du courant tunnel sur la distance entre la pointe et la surface de l'échantillon est très importante pour le fonctionnement du microscope. Avec une diminution de l'écart de seulement 0,1 nm, le courant augmentera d'environ 10 fois. Par conséquent, même des irrégularités de la taille d'un atome provoquent des fluctuations notables de l'amplitude du courant.

Pour obtenir une image, la sonde balaye la surface et le système électronique lit le courant. Selon la façon dont cette valeur change, la pointe descend ou monte. Ainsi, le système maintient une valeur de courant constante et la trajectoire du mouvement de la pointe suit le relief de la surface, se pliant autour des collines et des dépressions.

La pointe déplace le piézoscanner, qui est un manipulateur fait d'un matériau qui peut changer sous l'influence d'une tension électrique. Un piézoscanner se présente le plus souvent sous la forme d'un tube avec plusieurs électrodes qui s'allonge ou se plie pour déplacer la sonde dans différentes directions au millième de nanomètre près.

Les informations sur le mouvement de la pointe sont converties en une image de la surface, qui est tracée point par point sur l'écran. Les zones de différentes hauteurs sont peintes de différentes couleurs pour plus de clarté.

Idéalement, il devrait y avoir un atome stationnaire à la pointe de la sonde. S'il y a accidentellement plusieurs protubérances au bout de l'aiguille, l'image peut doubler, tripler. Pour éliminer le défaut, l'aiguille est gravée à l'acide, lui donnant la forme souhaitée.

Un certain nombre de découvertes ont été faites à l'aide d'un microscope à tunnel. Par exemple, il a été constaté que les atomes à la surface d'un cristal ne sont pas disposés de la même manière qu'à l'intérieur et forment souvent des structures complexes.

Avec un microscope à tunnel, seuls les objets conducteurs peuvent être étudiés. Cependant, il permet également d'observer des diélectriques de type film mince lorsqu'ils sont placés sur la surface d'un matériau conducteur. Et bien que cet effet n'ait pas encore trouvé d'explication complète, il est néanmoins utilisé avec succès pour étudier de nombreux films organiques et objets biologiques - protéines, virus.

Les possibilités du microscope sont grandes. À l'aide d'une aiguille de microscope, des dessins sont même appliqués sur des plaques de métal. Pour cela, des atomes séparés sont utilisés comme matériau "d'écriture" - ils sont déposés sur la surface ou en sont retirés. Ainsi, en 1991, des employés d'IBM ont écrit le nom de leur entreprise - IBM - avec des atomes de xénon à la surface d'une plaque de nickel. La lettre "I" ne comprenait que 9 atomes et les lettres "B" et "M" - 13 atomes chacune.

L'étape suivante dans le développement de la microscopie à sonde à balayage a été franchie en 1986 par Binning, Quate et Gerber. Ils ont créé un microscope à force atomique. Si dans un microscope à effet tunnel le rôle décisif est joué par la forte dépendance du courant à effet tunnel sur la distance entre la sonde et l'échantillon, alors pour un microscope à force atomique la dépendance de la force d'interaction des corps sur la distance entre eux est de importance décisive.

La sonde du microscope à force atomique est une plaque élastique miniature - un porte-à-faux. De plus, une extrémité de celui-ci est fixe, à l'autre extrémité une pointe de sonde est formée d'un matériau solide - silicium ou nitrure de silicium. Lorsque la sonde est déplacée, les forces d'interaction entre ses atomes et la surface inégale de l'échantillon plieront la plaque. En déplaçant la sonde de manière à ce que la déviation reste constante, une image du profil de surface peut être obtenue. Ce mode de fonctionnement du microscope, appelé contact, permet de mesurer, avec une résolution d'une fraction de nanomètre, non seulement le relief, mais aussi la force de frottement, l'élasticité et la viscosité de l'objet étudié.

Le balayage au contact de l'échantillon conduit assez souvent à sa déformation et sa destruction. L'impact de la sonde sur la surface peut être utile, par exemple, dans la fabrication de microcircuits. Cependant, la sonde peut facilement déchirer un mince film de polymère ou endommager les bactéries, provoquant leur mort. Pour éviter cela, le cantilever est soumis à des vibrations résonantes près de la surface et les changements d'amplitude, de fréquence ou de phase des vibrations provoqués par l'interaction avec la surface sont enregistrés. Cette méthode permet d'étudier les microbes vivants : l'aiguille oscillante agit sur la bactérie comme un massage doux, sans nuire et permet d'observer son mouvement, sa croissance et sa division.

En 1987, I. Martin et K. Vikrama-singh (USA) ont suggéré d'utiliser une micro-aiguille aimantée comme point de sondage. Le résultat est un microscope à force magnétique.

Un tel microscope vous permet de voir des régions magnétiques individuelles dans le matériau - des domaines - jusqu'à une taille de 10 nm. Il est également utilisé pour l'enregistrement d'informations superdenses, en formant des domaines sur la surface du film à l'aide des champs d'une aiguille et d'un aimant permanent. Un tel enregistrement est des centaines de fois plus dense que sur les disques magnétiques et optiques modernes.

Sur le marché mondial de la micromécanique, où sont aux commandes des géants comme IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joil, Digital Instruments, il y a aussi une place pour la Russie. La voix d'une petite entreprise MDT de Zelenograd près de Moscou se fait entendre de plus en plus fort.

«Copions un dessin rupestre réalisé par nos lointains ancêtres sur une plaque 10 fois plus petite qu'un cheveu humain», suggère le technologue en chef Denis Shabratov. - L'ordinateur contrôle la "brosse", la sonde - l'aiguille de 15 microns de long, d'un diamètre de centièmes de micron. L'aiguille se déplace le long de la « toile », et là où elle le touche, un frottis de la taille d'un atome apparaît. Petit à petit, un chevreuil apparaît sur l'écran d'affichage, suivi de cavaliers. »

MDT est le seul fabricant de microscopes à sonde et des sondes elles-mêmes dans le pays. Elle fait partie des quatre leaders mondiaux. Les produits de l'entreprise sont achetés aux États-Unis, au Japon et en Europe.

Et tout a commencé avec le fait que Denis Shabratov et Arkady Gologanov, jeunes ingénieurs d'un des instituts de Zelenograd en crise, pensant vivre, ont choisi la micromécanique. Ils la considéraient non sans raison comme la direction la plus prometteuse.

"Nous n'avons pas complexé que nous devions rivaliser avec des concurrents puissants", se souvient Gologanov. - Bien sûr, nos équipements sont inférieurs à ceux importés, mais, par contre, cela nous rend délicat, utilisez notre cerveau. Et ils ne sont certainement pas pires avec nous. Et il y a plus qu'assez de volonté de labourer. Nous avons travaillé pendant des jours, sept jours par semaine. Le plus difficile n'était même pas de fabriquer une sonde miniature, mais de la vendre. Nous savons que le nôtre est le meilleur du monde, criez sur lui sur Internet, bombardez les clients de fax, en un mot, donnez-nous un coup de pied dans les jambes comme cette grenouille - aucune attention. »

Ayant appris que l'un des leaders dans la production de microscopes, la société japonaise Joil, recherchait des aiguilles de forme très complexe, ils ont compris que c'était leur chance. La commande a coûté beaucoup d'efforts et de nerfs, mais a reçu une somme dérisoire. Mais l'argent n'était pas la chose principale - maintenant ils pouvaient annoncer haut et fort : le célèbre "Joyle" est notre client. De même, depuis près d'un an et demi, MDT fabrique des sondes spéciales gratuites pour le National Institute of Standards and Technology des États-Unis. Et un nouveau grand nom est apparu dans la liste des clients.

"Maintenant, le flux des commandes est tel qu'on ne peut plus satisfaire tout le monde", explique Shabratov. - Hélas, c'est la spécificité de la Russie. L'expérience a montré qu'il est logique pour nous de produire de tels produits à forte intensité scientifique en petits lots, alors que la production de masse devrait être établie à l'étranger, où il n'y a pas de rupture d'approvisionnement, leur faible qualité et la possibilité de sous-traitants. »

L'émergence de la microscopie à sonde à balayage a coïncidé avec succès avec le début du développement rapide de la technologie informatique, qui a ouvert de nouvelles possibilités d'utilisation des microscopes à sonde. En 1998, le Center for Advanced Technologies (Moscou) a créé un modèle de microscope à sonde à balayage "FemtoScan-001", qui est également contrôlé via Internet. Désormais, partout dans le monde, un chercheur pourra travailler avec un microscope, et tous ceux qui le voudront - "regarder" dans le micromonde, sans quitter l'ordinateur.

Aujourd'hui, ces microscopes ne sont utilisés que dans la recherche scientifique. Avec leur aide, les découvertes les plus sensationnelles en génétique et en médecine sont faites, des matériaux aux propriétés étonnantes sont créés. Cependant, une percée est attendue dans un avenir proche, principalement en médecine et en microélectronique. Des micro-robots apparaîtront, délivrant des médicaments directement aux organes malades via des vaisseaux, et des superordinateurs miniatures seront créés.

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