กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกน คูวายต์เซฟ เอ.วี. กล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกน: ประเภทและหลักการทำงาน การลบความเอียงคงที่

อุปกรณ์แรกที่ทำให้สามารถสังเกตวัตถุนาโนและเคลื่อนย้ายพวกมันได้คือกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน - กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและกล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนที่ทำงานบนหลักการที่คล้ายกัน กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ได้รับการพัฒนาโดย G. Binnig และ G. Rohrer ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสำหรับงานวิจัยนี้ในปี 1986 การสร้างกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมซึ่งสามารถสัมผัสได้ถึงแรงดึงดูดและแรงผลักที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมแต่ละอะตอม ทำให้สามารถ "สัมผัสและมองเห็น" วัตถุนาโนได้ในที่สุด

รูปที่ 9 หลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน (นำมาจาก http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#) เส้นประแสดงเส้นทางของลำแสงเลเซอร์ คำอธิบายอื่น ๆ อยู่ในข้อความ

พื้นฐานของ AFM (ดูรูปที่ 9) คือโพรบซึ่งมักทำจากซิลิคอนและเป็นตัวแทนของแผ่นคานยื่นบาง (เรียกว่าคานยื่นจากคำภาษาอังกฤษว่า "คานยื่น" - คอนโซล, คาน) ที่ปลายคานยื่นออกมา (ความยาว » 500 µm, ความกว้าง » 50 µm, ความหนา » 1 µm) มีหนามแหลมคมมาก (ความยาว » 10 µm, รัศมีความโค้งตั้งแต่ 1 ถึง 10 nm) ซึ่งสิ้นสุดในกลุ่มหนึ่ง หรือมากกว่าอะตอม (ดูรูปที่ 10)

รูปที่ 10 ภาพไมโครโฟโต้อิเล็กตรอนของโพรบเดียวกันที่ถ่ายด้วยกำลังขยายต่ำ (บน) และสูง

เมื่อไมโครโพรบเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวของตัวอย่าง ส่วนปลายของเดือยแหลมจะขึ้นและตกลงไป โดยสรุปโครงร่างไมโครรีลีฟของพื้นผิว เช่นเดียวกับที่สไตลัสแผ่นเสียงเลื่อนไปตามแผ่นเสียง ที่ปลายยื่นออกมาของคานยื่นออกมา (เหนือเดือย ดูรูปที่ 9) มีพื้นที่กระจกซึ่งมีลำแสงเลเซอร์ตกและสะท้อนอยู่ เมื่อสไปค์ลดลงและยกขึ้นบนพื้นผิวที่ไม่เรียบ ลำแสงที่สะท้อนกลับจะถูกเบี่ยงเบน และการเบี่ยงเบนนี้จะถูกบันทึกโดยเครื่องตรวจจับแสง และแรงที่สไปค์ถูกดึงดูดไปยังอะตอมใกล้เคียงจะถูกบันทึกโดยเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริก

ข้อมูลจากเครื่องตรวจจับโฟโตอิเล็กทริกและเซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกถูกนำมาใช้ในระบบป้อนกลับที่สามารถให้ค่าคงที่ของแรงโต้ตอบระหว่างไมโครโพรบและพื้นผิวของตัวอย่าง เป็นต้น ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถสร้างปริมาตรนูนของพื้นผิวตัวอย่างได้แบบเรียลไทม์ ความละเอียดของวิธี AFM จะอยู่ที่ประมาณ 0.1-1 นาโนเมตรในแนวนอน และ 0.01 นาโนเมตรในแนวตั้ง รูปภาพของแบคทีเรีย Escherichia coli ที่ได้รับโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนจะแสดงในรูปที่ 1 11.

รูปที่ 11 แบคทีเรีย Escherichia coli ( เอสเชอริเคีย โคไล- ภาพได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน ความยาวของแบคทีเรียคือ 1.9 ไมครอน ความกว้างคือ 1 ไมครอน ความหนาของแฟลเจลลาและซิเลียคือ 30 นาโนเมตรและ 20 นาโนเมตรตามลำดับ

กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนอีกกลุ่มหนึ่งใช้สิ่งที่เรียกว่า "เอฟเฟกต์อุโมงค์" เชิงกลควอนตัมเพื่อสร้างการบรรเทาพื้นผิว สาระสำคัญของเอฟเฟกต์อุโมงค์คือกระแสไฟฟ้าระหว่างเข็มโลหะแหลมคมกับพื้นผิวซึ่งอยู่ที่ระยะประมาณ 1 นาโนเมตรเริ่มขึ้นอยู่กับระยะห่างนี้ - ยิ่งระยะทางน้อยลงเท่าไรกระแสก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากใช้แรงดันไฟฟ้า 10 V ระหว่างเข็มกับพื้นผิว กระแส "อุโมงค์" นี้สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 10 pA ถึง 10 nA ด้วยการวัดกระแสนี้และรักษาให้คงที่ ระยะห่างระหว่างเข็มกับพื้นผิวจึงสามารถรักษาให้คงที่ได้ สิ่งนี้ช่วยให้คุณสร้างโปรไฟล์ปริมาตรของพื้นผิวได้ (ดูรูปที่ 12) กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนแตกต่างจากกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมตรงที่สามารถศึกษาเฉพาะพื้นผิวของโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น

รูปที่ 12 เข็มของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนซึ่งอยู่ในระยะห่างคงที่ (ดูลูกศร) เหนือชั้นอะตอมของพื้นผิวที่กำลังศึกษา

กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนยังสามารถใช้เพื่อย้ายอะตอมไปยังจุดที่ผู้ปฏิบัติงานเลือกไว้ ตัวอย่างเช่น หากแรงดันไฟฟ้าระหว่างเข็มกล้องจุลทรรศน์กับพื้นผิวของตัวอย่างถูกทำให้สูงกว่าที่จำเป็นในการศึกษาพื้นผิวนี้เล็กน้อย อะตอมของตัวอย่างที่อยู่ใกล้ที่สุดจะกลายเป็นไอออนและ "กระโดด" ไปที่เข็ม หลังจากนั้น คุณสามารถบังคับอะตอมที่หลบหนีให้ "กระโดด" กลับไปที่พื้นผิวของตัวอย่างได้โดยการขยับเข็มเล็กน้อยและเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถจัดการอะตอมและสร้างโครงสร้างนาโนได้ เช่น โครงสร้างบนพื้นผิวที่มีขนาดประมาณนาโนเมตร ย้อนกลับไปในปี 1990 พนักงานของ IBM แสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้เป็นไปได้โดยการรวมชื่อบริษัทของตนจากอะตอมซีนอน 35 อะตอมบนแผ่นนิกเกิล (ดูรูปที่ 13)

รูปที่ 13 ชื่อของบริษัท IBM ประกอบด้วยอะตอมซีนอน 35 อะตอมบนแผ่นนิกเกิล สร้างขึ้นโดยพนักงานของบริษัทนี้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนในปี 1990

การใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบ คุณไม่เพียงแต่สามารถเคลื่อนย้ายอะตอมเท่านั้น แต่ยังสร้างข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการจัดองค์กรด้วยตนเองอีกด้วย ตัวอย่างเช่น หากมีหยดน้ำที่มีไทออลไอออนอยู่บนแผ่นโลหะ หัววัดด้วยกล้องจุลทรรศน์จะช่วยปรับทิศทางของโมเลกุลเหล่านี้ โดยให้หางไฮโดรคาร์บอนทั้งสองของมันหันหน้าออกจากแผ่น เป็นผลให้สามารถสร้างโมเลกุลไทออลชั้นเดียวที่เกาะติดกับแผ่นโลหะได้ (ดูรูปที่ 14) วิธีสร้างโมเลกุลชั้นเดียวบนพื้นผิวโลหะนี้เรียกว่า "pen nanolithography"

รูปที่ 14 ซ้ายบน – ยื่นยื่นออกมา (สีเทาเหล็ก) ของกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนเหนือแผ่นโลหะ ทางด้านขวาเป็นภาพขยายของพื้นที่ (แสดงเป็นสีขาวในรูปด้านซ้าย) ใต้ปลายคานยื่น ซึ่งแสดงแผนผังโมเลกุลไทออลโดยมีหางไฮโดรคาร์บอนสีม่วงจัดเรียงเป็นชั้นเดียวที่ปลายของโพรบ ดัดแปลงมาจาก Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกน: ประเภทและหลักการทำงาน

คูวายต์เซฟ อเล็กซานเดอร์ เวียเชสลาโววิช
สถาบันวิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยีดิมิทรอฟกราด สาขามหาวิทยาลัยวิจัยนิวเคลียร์แห่งชาติ "MEPhI"
นักเรียน

การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบ: ประเภทและหลักการทำงาน

คูวายต์เซฟ อเล็กซานเดอร์ เวียเชสลาโววิช
สถาบันวิศวกรรมและเทคโนโลยีดิมิทรอฟกราดแห่งมหาวิทยาลัยนิวเคลียร์วิจัยแห่งชาติ MEPHI
นักเรียน

ในศตวรรษที่ 21 นาโนเทคโนโลยีกำลังได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วโดยเจาะเข้าไปในทุกด้านของชีวิตของเรา แต่จะไม่มีความก้าวหน้าหากไม่มีวิธีการวิจัยเชิงทดลองใหม่ ๆ หนึ่งในข้อมูลที่ให้ข้อมูลมากที่สุดคือวิธีการสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้น และเผยแพร่โดยผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1986 - ศาสตราจารย์ Heinrich Rohrer และ Dr. Gerd Binnig

การปฏิวัติที่แท้จริงเกิดขึ้นในโลกพร้อมกับการถือกำเนิดของวิธีสร้างภาพอะตอม กลุ่มผู้ชื่นชอบเริ่มปรากฏตัวขึ้นโดยสร้างอุปกรณ์ของตนเอง เป็นผลให้ได้รับวิธีแก้ปัญหาที่ประสบความสำเร็จหลายประการในการแสดงภาพผลลัพธ์ของการโต้ตอบของโพรบกับพื้นผิว มีการสร้างเทคโนโลยีสำหรับการผลิตโพรบพร้อมพารามิเตอร์ที่จำเป็น

กล้องจุลทรรศน์โพรบคืออะไร? ประการแรก นี่คือโพรบเอง ซึ่งตรวจสอบพื้นผิวของตัวอย่าง นอกจากนี้ จำเป็นต้องมีระบบสำหรับการเคลื่อนย้ายโพรบที่สัมพันธ์กับตัวอย่างในรูปแบบสองมิติหรือสามมิติ (เคลื่อนที่ไปตามพิกัด X-Y หรือ X-Y-Z) ทั้งหมดนี้เสริมด้วยระบบบันทึกที่บันทึกค่าของฟังก์ชันโดยขึ้นอยู่กับระยะห่างจากโพรบถึงตัวอย่าง ระบบบันทึกจะบันทึกและจดจำค่าตามพิกัดใดพิกัดหนึ่ง

กล้องจุลทรรศน์ชนิดโพรบสแกนประเภทหลักๆ แบ่งได้เป็น 3 กลุ่ม คือ

1. กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน – ออกแบบมาเพื่อวัดการผ่อนปรนของพื้นผิวตัวนำที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง
   ใน STM เข็มโลหะแหลมคมจะถูกส่งผ่านตัวอย่างในระยะห่างที่สั้นมาก เมื่อจ่ายกระแสไฟเล็กน้อยไปที่เข็ม กระแสในอุโมงค์จะปรากฏขึ้นระหว่างเข็มกับตัวอย่าง ซึ่งขนาดจะถูกบันทึกโดยระบบการบันทึก เข็มจะถูกส่งไปทั่วทั้งพื้นผิวของตัวอย่างและบันทึกการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในกระแสของอุโมงค์ เนื่องจากมีการวาดแผนผังการผ่อนปรนของพื้นผิวตัวอย่าง STM เป็นกล้องจุลทรรศน์ชนิดโพรบสแกนประเภทแรก ส่วนชนิดอื่นๆ ได้รับการพัฒนาในภายหลัง
2. กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบสแกน - ใช้เพื่อพล็อตโครงสร้างพื้นผิวของตัวอย่างด้วยความละเอียดอะตอม กล้องจุลทรรศน์นี้แตกต่างจาก STM ตรงที่สามารถใช้ตรวจสอบพื้นผิวทั้งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า เนื่องจากความสามารถไม่เพียงแต่ในการสแกนเท่านั้น แต่ยังควบคุมอะตอมด้วย จึงเรียกว่าแรง
3. กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงระยะใกล้เป็นกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง "ขั้นสูง" ที่ให้ความละเอียดดีกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป การเพิ่มความละเอียดของ BOM ทำได้โดยการจับแสงจากวัตถุที่กำลังศึกษาในระยะทางที่สั้นกว่าความยาวคลื่น หากหัววัดกล้องจุลทรรศน์ติดตั้งอุปกรณ์สำหรับสแกนสนามอวกาศ กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวจะเรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงสแกนระยะใกล้ กล้องจุลทรรศน์นี้ช่วยให้คุณได้ภาพพื้นผิวที่มีความละเอียดสูงมาก

รูปภาพ (รูปที่ 1) แสดงแผนภาพการทำงานที่ง่ายที่สุดของกล้องจุลทรรศน์ชนิดโพรบ

รูปที่ 1 - รูปแบบการทำงานของกล้องจุลทรรศน์โพรบ

การทำงานจะขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวตัวอย่างกับโพรบ ซึ่งอาจเป็นแบบยื่นยื่นออกมา เข็ม หรือโพรบแบบใช้แสง ที่ระยะห่างเล็กน้อยระหว่างโพรบกับวัตถุที่ทำการศึกษา การกระทำของแรงปฏิสัมพันธ์ เช่น การผลัก การดึงดูด ฯลฯ และการปรากฏของผลกระทบ เช่น อุโมงค์อิเล็กตรอน สามารถบันทึกได้โดยใช้วิธีการบันทึก ในการตรวจจับแรงเหล่านี้ จะใช้เซ็นเซอร์ที่มีความไวสูงซึ่งสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยได้ หลอดพีโซหรือเครื่องสแกนระนาบขนานถูกใช้เป็นระบบสแกนพิกัดเพื่อให้ได้ภาพแรสเตอร์

ปัญหาทางเทคนิคหลักในการสร้างกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนได้แก่:

1. รับประกันความสมบูรณ์ทางกล
2. อุปกรณ์ตรวจจับต้องมีความไวสูงสุด
3. ส่วนปลายของโพรบต้องมีขนาดขั้นต่ำ
4. การสร้างระบบกวาด
5. ตรวจสอบความเรียบของโพรบ

เกือบทุกครั้ง ภาพที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบแบบสแกนนั้นยากต่อการถอดรหัสเนื่องจากการบิดเบือนเมื่อได้รับผลลัพธ์ ตามกฎแล้ว จำเป็นต้องมีการประมวลผลทางคณิตศาสตร์เพิ่มเติม สำหรับสิ่งนี้จะใช้ซอฟต์แวร์พิเศษ

ในปัจจุบัน โพรบสแกนและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกนำมาใช้เป็นวิธีการวิจัยเสริม เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเทคนิคหลายประการ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา การใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบทำให้สามารถได้รับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่มีเอกลักษณ์เฉพาะในสาขาฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา กล้องจุลทรรศน์ชนิดแรกเป็นเพียงเครื่องมือ - ตัวชี้วัดที่ช่วยในการวิจัย และตัวอย่างสมัยใหม่ก็เป็นเวิร์กสเตชันที่ครบครัน รวมถึงเทคนิคการวิจัยที่แตกต่างกันถึง 50 วิธี

ภารกิจหลักของเทคโนโลยีขั้นสูงนี้คือการได้รับผลลัพธ์ทางวิทยาศาสตร์ แต่การใช้ความสามารถของอุปกรณ์เหล่านี้ในทางปฏิบัตินั้นจำเป็นต้องมีผู้เชี่ยวชาญที่มีคุณสมบัติสูง

กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกน

ทิศทางที่อายุน้อยที่สุดและในเวลาเดียวกันในการศึกษาคุณสมบัติของพื้นผิวคือการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบ กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบมีความละเอียดบันทึกน้อยกว่า 0.1 นาโนเมตร พวกเขาสามารถวัดปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวกับปลายกล้องจุลทรรศน์ที่เรียกว่าโพรบที่จะสแกนและแสดงภาพสามมิติบนหน้าจอคอมพิวเตอร์

วิธีการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบไม่เพียงแต่ช่วยให้มองเห็นอะตอมและโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่ออะตอมและโมเลกุลอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น สิ่งที่สำคัญอย่างยิ่งคือสามารถศึกษาวัตถุต่างๆ ได้โดยไม่จำเป็นต้องอยู่ในสุญญากาศ (ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน) แต่ยังศึกษาในก๊าซและของเหลวต่างๆ ได้ด้วย

กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนแบบโพรบถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1981 โดยพนักงานของ IBM Research Center G. Binning และ H. Rohrer (สหรัฐอเมริกา) ห้าปีต่อมาพวกเขาได้รับรางวัลโนเบลจากสิ่งประดิษฐ์นี้

Binning และ Rohrer พยายามสร้างอุปกรณ์สำหรับศึกษาพื้นที่ผิวที่มีขนาดน้อยกว่า 10 นาโนเมตร ผลลัพธ์เกินความคาดหมายของเรามาก นักวิทยาศาสตร์สามารถมองเห็นอะตอมแต่ละอะตอมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงประมาณหนึ่งนาโนเมตรได้ การทำงานของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนนั้นขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมที่เรียกว่าเอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์ ปลายโลหะที่บางมากซึ่งเป็นหัววัดที่มีประจุลบ จะถูกนำมาไว้ใกล้กับตัวอย่าง รวมทั้งโลหะด้วย และมีประจุบวก ในขณะที่ระยะห่างระหว่างพวกมันถึงหลายระยะห่างระหว่างอะตอม อิเล็กตรอนจะเริ่มผ่านมันอย่างอิสระ - "อุโมงค์": กระแสจะไหลผ่านช่องว่าง

การที่กระแสไฟในอุโมงค์ขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสในอุโมงค์อย่างมากกับระยะห่างระหว่างปลายกับพื้นผิวของตัวอย่างนั้นมีความสำคัญมากสำหรับการทำงานของกล้องจุลทรรศน์ หากช่องว่างลดลงเพียง 0.1 นาโนเมตร กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นประมาณ 10 เท่า ดังนั้นแม้แต่ความผิดปกติของขนาดของอะตอมก็ทำให้เกิดความผันผวนที่เห็นได้ชัดเจนในค่าปัจจุบัน

เพื่อให้ได้ภาพ โพรบจะสแกนพื้นผิวและระบบอิเล็กทรอนิกส์จะอ่านกระแสไฟฟ้า ส่วนทิปจะลดลงหรือเพิ่มขึ้น ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของค่านี้ ดังนั้น ระบบจะรักษาค่าปัจจุบันให้คงที่ และวิถีการเคลื่อนที่ของส่วนปลายจะเป็นไปตามภูมิประเทศของพื้นผิว เนินรอบเนิน และความกดอากาศ

ส่วนทิปจะเคลื่อน Piezoscanner ซึ่งเป็นอุปกรณ์ควบคุมที่ทำจากวัสดุที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้า เครื่องสแกนแบบเพียโซมักอยู่ในรูปแบบของท่อที่มีอิเล็กโทรดหลายขั้วที่ขยายหรือโค้งงอ โดยเคลื่อนโพรบไปในทิศทางที่ต่างกันด้วยความแม่นยำจนถึงหนึ่งในพันของนาโนเมตร

ข้อมูลเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของส่วนปลายจะถูกแปลงเป็นรูปภาพของพื้นผิว ซึ่งสร้างขึ้นจากจุดต่างๆ บนหน้าจอ พื้นที่ที่มีความสูงต่างกันจะถูกทาสีด้วยสีที่ต่างกันเพื่อความชัดเจน

ตามหลักการแล้ว ควรมีอะตอมที่อยู่นิ่งหนึ่งอะตอมที่ส่วนปลายของโพรบ หากมีส่วนที่ยื่นออกมาหลายส่วนที่ปลายเข็ม ภาพอาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าหรือสามเท่า เพื่อกำจัดข้อบกพร่อง เข็มจะถูกสลักด้วยกรด ทำให้ได้รูปทรงที่ต้องการ

มีการค้นพบหลายอย่างโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ ตัวอย่างเช่น พวกเขาค้นพบว่าอะตอมบนพื้นผิวของคริสตัลมีการจัดเรียงแตกต่างจากภายใน และมักก่อตัวเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อน

เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ คุณจะศึกษาได้เฉพาะวัตถุที่นำกระแสไฟฟ้าเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ยังทำให้สามารถสังเกตไดอิเล็กตริกบาง ๆ ในรูปของฟิล์มได้เมื่อวางลงบนพื้นผิวของวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และถึงแม้ว่าผลกระทบนี้จะยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์ แต่ก็ยังสามารถใช้เพื่อศึกษาภาพยนตร์อินทรีย์และวัตถุทางชีวภาพหลายชนิดได้สำเร็จ - โปรตีน, ไวรัส

ความสามารถของกล้องจุลทรรศน์นั้นยอดเยี่ยมมาก ด้วยความช่วยเหลือของเข็มกล้องจุลทรรศน์ พวกเขายังสามารถใช้ลวดลายบนแผ่นโลหะได้อีกด้วย ในการทำเช่นนี้อะตอมแต่ละตัวจะถูกนำมาใช้เป็นวัสดุ "การเขียน" - พวกมันจะถูกสะสมบนพื้นผิวหรือนำออกจากมัน ดังนั้น ในปี 1991 พนักงานของบริษัท IBM จึงได้เขียนชื่อบริษัทของตน ซึ่งก็คือ IBM โดยมีอะตอมของซีนอนอยู่บนพื้นผิวของแผ่นนิกเกิล ตัวอักษร "I" ประกอบด้วยอะตอมเพียง 9 อะตอม และตัวอักษร "B" และ "M" ประกอบด้วยอะตอมเพียง 13 อะตอม

ขั้นตอนต่อไปในการพัฒนากล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนนั้นเกิดขึ้นในปี 1986 โดย Binning, Kwait และ Gerber พวกเขาสร้างกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมขึ้นมา หากในกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์มีบทบาทชี้ขาดโดยการพึ่งพากระแสในอุโมงค์อย่างแหลมคมกับระยะห่างระหว่างโพรบและตัวอย่างดังนั้นสำหรับกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมมิกการพึ่งพาแรงของปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุกับระยะห่างระหว่างพวกมันเป็นสิ่งที่ชี้ขาด .

หัววัดของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเป็นแผ่นยืดหยุ่นขนาดเล็ก - คานยื่นออกมา นอกจากนี้ ปลายด้านหนึ่งได้รับการแก้ไขแล้ว ในขณะที่ปลายอีกด้านของหัววัดถูกสร้างขึ้นจากวัสดุแข็ง เช่น ซิลิคอนหรือซิลิคอนไนไตรด์ ขณะที่โพรบเคลื่อนที่ แรงอันตรกิริยาระหว่างอะตอมของมันกับพื้นผิวที่ไม่เรียบของตัวอย่างจะทำให้แผ่นโค้งงอ เมื่อโพรบเคลื่อนไหวเช่นนี้แล้ว เมื่อการโก่งตัวคงที่ จึงเป็นไปได้ที่จะได้ภาพโปรไฟล์พื้นผิว โหมดการทำงานของกล้องจุลทรรศน์นี้เรียกว่าการสัมผัสช่วยให้คุณสามารถวัดด้วยความละเอียดเศษส่วนของนาโนเมตรไม่เพียง แต่การผ่อนปรนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงเสียดทาน ความยืดหยุ่น และความหนืดของวัตถุที่กำลังศึกษาอยู่ด้วย

การสแกนโดยสัมผัสกับตัวอย่างมักจะทำให้ตัวอย่างเสียรูปและเสียหาย การกระแทกของโพรบบนพื้นผิวอาจมีประโยชน์ เช่น ในการผลิตไมโครวงจร อย่างไรก็ตาม หัววัดสามารถฉีกฟิล์มโพลีเมอร์บางๆ ได้ง่ายหรือทำให้แบคทีเรียเสียหายจนทำให้ฟิล์มตายได้ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ คานยื่นจะถูกตั้งค่าเป็นการสั่นสะเทือนแบบเรโซแนนซ์ใกล้พื้นผิว และการเปลี่ยนแปลงในแอมพลิจูด ความถี่ หรือเฟสของการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการโต้ตอบกับพื้นผิวจะถูกบันทึก วิธีนี้ช่วยให้คุณศึกษาจุลินทรีย์ที่มีชีวิตได้ โดยเข็มที่สั่นจะทำหน้าที่กับแบคทีเรียเหมือนกับการนวดเบาๆ โดยไม่ก่อให้เกิดอันตราย และช่วยให้คุณสังเกตการเคลื่อนไหว การเจริญเติบโต และการแบ่งตัวของมันได้

ในปี 1987 I. Martin และ K. Vikrama Singh (สหรัฐอเมริกา) เสนอให้ใช้ไมโครนีเดิลแบบแม่เหล็กเป็นปลายในการตรวจวัด ผลที่ได้คือกล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็ก

กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวช่วยให้มองเห็นบริเวณแม่เหล็กแต่ละส่วนในโดเมนของวัสดุซึ่งมีขนาดไม่เกิน 10 นาโนเมตร นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการบันทึกข้อมูลที่มีความหนาแน่นสูง โดยสร้างโดเมนบนพื้นผิวของฟิล์มโดยใช้สนามของเข็มและแม่เหล็กถาวร การบันทึกดังกล่าวมีความหนาแน่นมากกว่าดิสก์แม่เหล็กและออปติคัลสมัยใหม่หลายร้อยเท่า

ในตลาดไมโครกลศาสตร์ระดับโลกซึ่งถูกครอบงำโดยบริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle และ Digital Instruments ก็ยังมีสถานที่สำหรับรัสเซียเช่นกัน เสียงของบริษัทเล็กๆ MDT จากเซเลโนกราดใกล้มอสโกวดังขึ้นเรื่อยๆ

“ลองคัดลอกภาพวาดหินที่บรรพบุรุษห่างไกลของเราทำไว้บนจานที่มีขนาดเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ถึง 10 เท่า” เดนิส ชาบราตอฟ หัวหน้านักเทคโนโลยีแนะนำ – คอมพิวเตอร์ควบคุม “แปรง” ซึ่งเป็นโพรบ – เข็มยาว 15 ไมครอน มีเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งในร้อยของไมครอน เข็มเคลื่อนที่ไปตาม "ผืนผ้าใบ" และเมื่อสัมผัสถูกเข็ม จะมีรอยเปื้อนขนาดเท่าอะตอมปรากฏขึ้น กวางจะค่อยๆ ปรากฏขึ้นบนหน้าจอ ตามมาด้วยคนขี่”

MDT เป็นผู้ผลิตกล้องจุลทรรศน์ชนิดโพรบและโพรบเพียงรายเดียวในประเทศ เธอเป็นหนึ่งในสี่ผู้นำของโลก สินค้าของบริษัทมีการซื้อในสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และยุโรป

และทุกอย่างเริ่มต้นด้วยความจริงที่ว่า Denis Shabratov และ Arkady Gologanov วิศวกรรุ่นเยาว์จากสถาบัน Zelenograd แห่งหนึ่งซึ่งพบว่าตัวเองตกอยู่ในภาวะวิกฤติโดยคิดว่าจะมีชีวิตอยู่ต่อไปได้อย่างไรเลือกไมโครกลศาสตร์ โดยไม่มีเหตุผล พวกเขาถือว่านี่เป็นทิศทางที่มีแนวโน้มมากที่สุด

“เราไม่มีความซับซ้อนใดๆ เกี่ยวกับการต้องแข่งขันกับคู่แข่งที่แข็งแกร่ง” Gologanov เล่า “แน่นอนว่าอุปกรณ์ของเราด้อยกว่าอุปกรณ์นำเข้า แต่ในทางกลับกัน มันบังคับให้เราต้องใช้ความคิดสร้างสรรค์และใช้สมองของเรา และพวกเขาไม่ได้เลวร้ายไปกว่านี้อย่างแน่นอนสำหรับเรา และมีความเต็มใจที่จะไถมากเกินพอ พวกเขาทำงานตลอดเวลา เจ็ดวันต่อสัปดาห์ สิ่งที่ยากที่สุดไม่ใช่แม้แต่การสร้างโพรบขนาดเล็กพิเศษ แต่ต้องขายมัน เรารู้ว่าของเราดีที่สุดในโลก เราตะโกนเกี่ยวกับมันบนอินเทอร์เน็ต โจมตีลูกค้าด้วยแฟกซ์ พูดง่ายๆ ก็คือ เราทุบขาของเราเหมือนกบตัวนั้น - ไม่สนใจเลย”

เมื่อทราบว่าหนึ่งในผู้นำด้านการผลิตกล้องจุลทรรศน์ บริษัท Joyle ของญี่ปุ่นกำลังมองหาเข็มที่มีรูปร่างซับซ้อนมาก พวกเขาจึงตระหนักว่านี่คือโอกาสของพวกเขา คำสั่งซื้อต้องใช้ความพยายามและความกังวลอย่างมาก แต่เราได้รับเพนนี แต่เงินไม่ใช่สิ่งสำคัญ - ตอนนี้พวกเขาสามารถประกาศเสียงดังได้: "จอยล์" ผู้โด่งดังคือลูกค้าของเรา ในทำนองเดียวกัน เป็นเวลาเกือบหนึ่งปีครึ่งที่ MDT ผลิตหัววัดพิเศษให้สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาฟรี และชื่อใหญ่ใหม่ก็ปรากฏบนรายชื่อลูกค้า

“ตอนนี้กระแสของคำสั่งซื้อไหลเข้ามาจนเราไม่สามารถทำให้ทุกคนพอใจได้อีกต่อไป” Shabratov กล่าว – อนิจจา นี่เป็นเรื่องเฉพาะสำหรับรัสเซีย ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าเป็นเรื่องสมเหตุสมผลสำหรับเราที่จะผลิตผลิตภัณฑ์ไฮเทคดังกล่าวในปริมาณน้อย ในขณะที่การผลิตจำนวนมากควรจัดตั้งขึ้นในต่างประเทศ ซึ่งไม่มีการหยุดชะงักในการจัดหา คุณภาพต่ำ และซัพพลายเออร์ที่ไม่จำเป็น”

การเกิดขึ้นของกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบแบบสแกนประสบความสำเร็จพร้อมๆ กับการเริ่มต้นการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบ ในปี 1998 ที่ศูนย์เทคโนโลยีขั้นสูง (มอสโก) ได้มีการสร้างแบบจำลองของกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนแบบสแกน "FemtoScan-001" ซึ่งควบคุมผ่านทางอินเทอร์เน็ตเช่นกัน ปัจจุบัน ไม่ว่าที่ใดในโลก นักวิจัยจะสามารถทำงานด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้ และใครๆ ก็สามารถ “มอง” เข้าไปในโลกใบเล็กๆ ได้โดยไม่ต้องออกจากคอมพิวเตอร์

ปัจจุบันกล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา การค้นพบที่น่าตื่นเต้นที่สุดในด้านพันธุศาสตร์และการแพทย์ได้ถูกสร้างขึ้น วัสดุที่มีคุณสมบัติที่น่าทึ่งได้ถูกสร้างขึ้น อย่างไรก็ตาม คาดว่าจะมีความก้าวหน้าเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้ และเหนือสิ่งอื่นใด ในด้านการแพทย์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครโรบอตจะปรากฏขึ้นเพื่อส่งยาผ่านหลอดเลือดไปยังอวัยวะที่เป็นโรคโดยตรง และจะมีการสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กขึ้น