Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением . Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.
Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.
Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.
На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K ). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.
Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени t нач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го-реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас-ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду , температура снова начинает подниматься (участок CD ). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по-местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE ). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори-зонтальный участок EF ). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK ).
Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле-кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD ) означает увеличение кинетической энер-гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.
При охлаждении воды (участок DE ) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF ) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер-девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре-вращаясь в жидкость (участок ВС ). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.
Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром , молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С . Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.
Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда-ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.
Плавление аморфных веществ.
Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.
Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача-ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.
Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы-шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.
Теплота плавления.
Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты , которое выделяется при кристалли-зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер-гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.
Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж .
Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m , следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:
Теплота сгорания.
Теплота сгорания (или теплотворная способность , калорийность ) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.
Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч-ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод . При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода , содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа . Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.
Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.
Физическая величина , показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты Q , выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:
Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.
сканирующая зондовая микроскопия
Класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить 3-х мерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.
Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде был изобретён Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение в 1986 были награждены Нобелевской премией по физике.
Отличительной особенностью всех микроскопов является микроскопический зонд, который контактирует с исследуемой поверхностью, и при сканировании перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера.
Контакт зонда и образца подразумевает взаимодействие. Природа взаимодействия определяет принадлежность прибора к типу зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается с помощью системы обратной связи или детектирования взаимодействия зонда и образца.
Система регистрирует значение функции, зависящей от расстояния зонд - образца.
Типы сканирующих зондовых микроскопов.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп
Сканирующий туннельный микроскоп
Ближнепольный оптический микроскоп
Сканирующий туннельный микроскоп
Один из вариантов сканирующего микроскопа, предназначенный для изменения рельефа проводящих систем с высоким пространственным разрешением.
Принцип работы основан на прохождение электроном потенциального барьера в результате разрыва электрической цепи – небольшой промежуток между зондирующим микроскопом и поверхностью образца. Острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу небольшого потенциала возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния образец - игла. При расстоянии 1ангстремма образец – игла значение силы тока колеблется от 1 до 100 пА.
При сканировании образца игла движется вдоль её поверхности, туннельный ток поддерживается за счёт действия обратной связи. Показания системы меняется за счёт топографии поверхности. Изменение поверхности фиксируется и на этом основании строится карта высот.
Другой метод предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае изменяется величина туннельного тока и на основе этих изменений идёт построение топографии поверхности.
Рисунок 1. Схема работы сканирующего туннельного микроскопа.
Сканирующий туннельный микроскоп включает в себя:
Зонд (игла)
Систему перемещения зона по координатам
Регистрирующую систему
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящая от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения по оси Z. Регистрируемое значение обрабатывается системой обратной связи, управляя положением образца или зонда по оси координат. В качестве обратной связи используется пид - регулятор (пропорционально – интегрально – дифференцирующей регулятор).
Ограничение:
Условие проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²).
Глубина канавки должна быть меньше её ширины, иначе будет наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп
Сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем до атомарного.
С помощью атомно-силового микроскопа регистрируется изменение силы притяжение иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце кантилевера, которая имеет известную жёсткость и возможность изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, и возникает между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформация кантилевера регистрируется по отклонению лазерного луча, падающая на его тыльную область или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего при изгибе в кантилевере.
Рисунок 2. Схема работы атомно-силового микроскопа.
Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1982 году как модификация сканирующего туннельного микроскопа. Изначально микроскоп представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрема. Оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор. Такой метод реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов
Улучшение латерального разрешения привело к развитию динамических методов. Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой и фазой. При приближении к поверхности на кантилевера начинают действовать силы, изменяющие его частотные свойства. В результате отслеживая частоту и фазу колебаний кантилевера можно сделать вывод об изменении силы, действующей со стороны поверхности и, следственно, о рельефе.
Рисунок 3. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между остриём и образцом.
На рисунке 3 правая часть кривой характеризует ситуацию, когда атомы острия и поверхность разделены большим расстоянием. По мере сближения они сначала слабо, а потом всё сильнее будут притягиваться друг к другу. Сила притяжения будет действовать до тех пор, пока электронные облака атомов не начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на длине химической связи (порядка 2-х ангстрем). Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.
В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют 3 вида режима работы:
Контактный
Полуконтактный
Бесконтактный
При контактном режиме (режим отталкивания) остриё сканирующей иглы приходит в мягкий “физический контакт” с образцом. Сканирование осуществляется в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянную величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем, возможно, применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли, пропорциональный силе, действует на зонд со стороны поверхности и записывается для каждой точки.
Наклон кривой на графике меж атомных сил очень крутой. Вследствие чего отталкивающая сила уравновешивает практически любую силу, которая пытается сблизить атомы друг к другу. Это означает, что когда измерительная консоль прижимает остриё иглы к поверхности, то быстрее изогнётся консоль, чем приблизится остриё к атомам образца. Сила прикладываемая к образцу со стороны острия сканирующей иглы варьирует от 10 –7 Н до 10 –6 Н. Изображение представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Достоинства
наибольшая помехоустойчивость
наибольшая скорость сканирования
лучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа.
Недостатки
Наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности
При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности
Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)
Бесконтактный режим (режим притяжения) – отслеживает притягивающие силы Ван-дер-Ваальса между остриём иглы и образцом, зазор которого составляет 5-10нм. На этих расстояниях электронные орбитали атомов острия иглы синхронизируются с электронными орбиталями атомов образца. В результате возникает слабое притяжение, так как атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении. В свободном пространстве они будут сближаться, пока сильное электростатическое отталкивание не станет преобладающим. Суммарная сила между остриём и образцом ~10 –12 Н.
При работе пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (в основном резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотный и фазово-частотный характеристик зонда. В результате амплитуда и фаза изменяют значение. Система обратной связи поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы записывается.
Достоинством является отсутствие воздействия зонда на исследуемую поверхность.
Недостатки:
Чувствителен к внешним шумам
Наименьшее латеральное изменение
Наименьшая скорость сканирования
Функционирует в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбция слоя воды на поверхности
Попадание на кантилевер частички с поверхности образца во время сканирования меняет его частотные свойства.
В полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.
Достоинством полуконтактного режима является устранение латеральных сил, действующих со стороны поверхности на зонд, что улучшает интерпретацию получаемых изображений.
Помимо Ван-дер-ваальсовых сил в атомно-силовом микроскопе со стороны поверхности действует ряд взаимодействий: упругие силы, силы адгезии, капиллярные силы. Их вклад особенно заметен при полуконтактном режиме, когда вследствие прилипания кантилевера к поверхности возникают гистерезисы, которые существенно усложняют процесс получения изображения и интерпретацию результатов.
Основная конструкция атомно-силового микроскопа:
Жёсткий корпус удерживающий систему;
Держатель образца;
Устройство манипуляции;
Система регистрации отклонения зонда:
Оптическая (включает лазер и фотодиод)
Пьезоэлектрическая (использует прямой и обратный пьезоэффект)
Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)
- ёмкостная (измеряет изменение ёмкости между кантилевером и неподвижной пластиной)
Туннельная (регистрирует изменение туннельного тока между кантилевером и туннельной иглой)
Система обратной связи;
Управляющий блок с электроникой;
Рисунок 4. Схематическая конструкция АСМ.
В зависимости от конструкции возможно два вида движения: движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.
Для исправления искажений в реальном масштабе времени используют ПО (особенность ориентированного сканирования) либо сканеры, снабжёнными замкнутыми следящими системами.
Ближнепольная оптическая микроскопия – оптическая микроскопия, обеспечивающее лучшее разрешение, чем обычный оптический микроскоп. Повышение разрешения достигается детектированием рассеивание света от излучаемого объекта на расстояние меньшее длины волны света.
Часть светового потока, распространяющегося по волокну, проходит через выходное сечение зонда, как сквозь диафрагму в металлическом экране, и достигает образца, расположенного в ближнем поле источника. Если расстояние z до поверхности образца и радиус r д диафрагмы удовлетворяют условию r д ∙ z << λ , то размер светового пятна на образце близок к размеру диафрагмы. При перемещении зонда вдоль образца возможна реализация разрешения, не ограниченного дифракцией, или сверхразрешения.
В зависимости от наличия и отсутствия диафрагмы на концах зонда, выделяют 2 основные группы: апертурные и безапертурные.
В апертурных луч лазера через согласующийся элемент попадает в заострённое металлизированное волокно и на выходе сужается до размеров диафрагмы. Взаимное перемещение острия и образца в трех измерениях осуществляется с помощью пьезодвижителей. Прошедшие через образец или отраженные и рассеянные фотоны улавливаются одним из микрообъективов и направляются в регистрирующий прибор, (фотоумножитель). Широко распространены приборы, работающие в режиме сбора фотонов, когда зонд переносит фотоны от образца, освещенного, например, через микрообъектив, к детектору. В комбинированном режиме (освещение/ сбор) зонд выполняет одновременно обе функции. В комбинированных приборах запись изображения осуществляется одновременно по двум каналам, один из которых воспроизводит рельеф поверхности, а другой - локальное распределение показателя преломления в тончайшем приповерхностном слое. Возможность различения оптического и топографического контрастов существенно упрощает интерпретацию изображения. Наибольшее распространение получил метод контроля, основанный на изменении тангенциальной составляющей силы физического взаимодействия острия с образцом.
Рисунок 5. Схема работы оптического микроскопа в ближнем поле:
1 - оптическое волокно; 2 - проходящее через зонд излучение; 3 - слой металла; 4 - выходная апертура зонда; h - расстояние между исследуемой поверхностью и апертурой зонда; d - выходной диаметр оптического волокна.
В сканирующих ближнепольных оптических микроскопах используется луч света диаметром меньше, чем длины волны источника света. Свет подается по оптическому волокну, которое стравливается на острие. Такое технологическое новшество позволяет получить высокую степень разрешения микроскопа, превосходящую классическую оптику.
Ближнепольный оптический микроскоп на основе светового волокна с малой апертурой на выходе весьма полезен при исследовании фоточувствительных структур, биологических объектов и наноструктурированных материалов.
Сканирующая зондовая микроскопия
Основные физические принципы сканирующей зондовой микроскопии:
Общей чертой всех сканирующих зондовых микроскопов (и определяющей их название) является наличие микроскопического зонда, который приводится в контакт (не всегда речь идет о механическом контакте) с исследуемой поверхностью и, в процессе сканирования, перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера.
Контакт зонда и образца подразумевает их взаимодействие. Выбирается какое-либо одно рабочее взаимодействие. Природа этого выбранного взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному типу в рамках семейства зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается путем фиксации (при помощи системы обратной связи) или детектирования взаимодействия зонда и образца.
В туннельном микроскопе это взаимодействие проявляется в протекании постоянного тока в туннельном контакте. В основе атомно-силовой микроскопии лежит взаимодействие зонда и образца с силами притяжения или отталкивания. Можно упомянуть о таких разновидностях зондовых микроскопов, как магнитно-силовой микроскоп (зонд и образец взаимодействуют с магнитными силами), микроскоп ближнего поля (оптические свойства образца детектируются через миниатюрную диафрагму, находящуюся в ближней зоне источника фотонов), поляризационный силовой микроскоп (с образцом взаимодействует проводящий заряженный зонд) и т.д.
Туннельная, атомно-силовая зондовая микроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля. Информативные возможности и пространственное разрешение.
Туннельная: Принцип работы туннельного микроскопа основан на прохождении электроном потенциального барьера, который образован разрывом электрической цепи - небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца. В основе работы прибора лежит хорошо известный феномен электронного туннелирования (туннельный эффект). Между металлическим острием и поверхностью исследуемого проводника прикладывают электрическое напряжение (типичные значения напряжений: от единиц мВ до В) и острие приближают к поверхности образца до появления туннельного тока. Устойчивые изображения многих поверхностей можно получать при величине туннельного тока в 10-9 А, т.е. в 1 нА. При этом острие оказывается вблизи поверхности на расстоянии в доли нанометра. Для получения изображения поверхности металлическое острие перемещают над поверхностью образца, поддерживая постоянной величину туннельного тока. При этом траектория движения острия по сути дела совпадает с профилем поверхности, острие огибает возвышенности и отслеживает углубления. Важной деталью сканирующего туннельного микроскопа является механический манипулятор, который обеспечивает перемещение зонда над поверхностью с точностью до тысячных долей нанометра. Традиционно механический манипулятор изготавливают из пьезокерамического материала.
Атомно-силовая: В атомно-силовом микроскопе взаимодействие является силовым взаимодействием зонда и образца.Атомное разрешение на проводящих и непроводящих поверхностях. В случае исследований незаряженных поверхностей в естественной атмосфере (на воздухе) основной вклад в силовое взаимодействие зонда и образца дают: силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца, силы Ван-дер-Ваальса, а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата (воды) на поверхности образца.
Деление АСМ по способу измерения и фиксации силового взаимодействия зонда и образца позволяет выделить два основных случая: контактная атомно-силовая микроскопия и АСМ прерывистого контакта.
Оптическая микроскопия ближнего поля: оптические изображения с продольным разрешением в 50 нм. Обеспечивает разрешение лучшее, чем у обычного оптического микроскопа. Повышение разрешения БОМа достигается детектированием рассеяния света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длина волны света. В случае, если зонд (детектор) микроскопа ближнего поля снабжен устройством пространственного сканирования, то такой прибор называют сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. Такой микроскоп позволяет получать растровые изображения поверхностей и объектов с разрешением ниже дифракционного предела.
Если в качестве зонда взять миниатюрную диафрагму с отверстием в несколько нанометров - апертуру, то в соответствии с законами волновой оптики, видимый свет (с длиной волны несколько сот нанометров) проникает в такое маленькое отверстие, но не далеко, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. Если в пределах этого расстояния, в так называемом «ближнем поле», поставить образец, рассеянный от него свет будет регистрироваться. Перемещая диафрагму в непосредственной близости от образца, как в туннельном микроскопе, получим растровое изображение поверхности. Позднее были разработаны ближнепольные микроскопы не использующие апертуру - безапертурный СБОМ.
Уникальность ближнепольной оптической микроскопии по сравнению с другими сканирующими методами состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем.
(В качестве зонда фигурирует оптическое волокно с миниатюрной диафрагмой. При сканировании образца манипулятор перемещает диафрагму вблизи поверхности. Излучение лазерного источника, проходя через диафрагму, освещает исследуемую поверхность. В микроскопе такой конструкции регистрируют рассеянный или переизлученный свет. В результате того, что рассеяние света происходит в ближней зоне (на расстоянии от излучающей диафрагмы меньшем, чем длина волны света), удается преодолеть принципиальное ограничение обычной оптической микроскопии по разрешающей способности: становятся заметными детали поверхности размером в десятки нанометров.)
Основные элементы сканирующего зондового микроскопа.
Кантилевер, зонд (для каждой микроскопии свой), механический манипулятор, лазер, фотодиод, система обратной связи. Если проще: зонд, система перемещения, регистрирующая система.
Применение при исследовании нанообъектов и линейных измерениях в нанодиапазоне.
Наиболее яркими демонстрациями возможностей этого экспериментального направления при исследовании поверхностей твердых тел могут служить: результаты по прямой визуализации поверхностной реконструкции, манипуляция отдельными атомами для записи информации с рекордной плотностью, исследование локального влияния поверхностных дефектов на зонную структуру образца и пр.
Новые возможности рассматриваемого направления в сравнении с традиционными методами исследования поверхности делают особенно перспективным применение зондовой микроскопии (в частности атомно-силовой микроскопии (АСМ) для изучения биологических и органических материалов. На этом пути в последние годы также был достигнут значительный прогресс. В частности, применительно к исследованиям нуклеиновых кислот, можно упомянуть о таких результатах, как визуализация отдельных молекул ДНК и исследование их конформационного состояния в жидких средах, прямое измерение сил взаимодействия комплементарных нуклеотидов, визуализация в реальном масштабе времени процессов взаимодействия ДНК с белками.
