Развитие и автоматизация методов измерения рельефа и локальных свойств биологических объектов в атомно-силовой микроскопии

• Автор: Быков, Иван Вадимович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Атомно-Силовая Микроскопия: общие принципы, инструменты, методы измерения и область применения

1.1 Принцип работы АСМ

1.2 Методы АСМ измерений

1.3 Автоматизация АСМ измерений

1.4 Область применений АСМ

1.5 Постановка задачи

2. Двумерные фазовые карты: режимы притяжения и отталкивания в полуконтактном методе атомно-силовой микроскопии

2.1 Модель, описывающая поведение кантилевера в полуконтактном

методе
2.2 Решение уравнения движения кантилевера
2.3 Зависимость амплитуды, средней силы и времени контакта от
расстояния
2.4 Частотный отклик кантилевера
2.5 Определение сдвига фазы для различных режимов и фазовый
критерий
2.6 Переход на амплитудных и фазовых кривых
2.7 Выбор рабочей точки и фазовый контраст
2.8 Двумерные фазовые карты как инструмент для определения режима
взаимодействия
2.9 Влияние свойств материала на переход между режимами
2.10 Влияние жесткости кантилевера
2.11 Влияние адгезии
2.12 Выводы
3. Автоматизированные способы оптимизации для работы в режиме притяжения полуконтактного метода

3.1 Преимущества режима притяжения
3.2 Шумы фазы
3.3 Размеры области притяжения
3.4 Автоматический выбор параметров для работы в режиме
притяжения
3.5 Настройка режима притяжения путем построения двумерных
карт
3.6 Настройка параметров сканирования путем автоматического
перебора
3.7 Интеграция с экспертной системой
3.8 Выводы
4. Поточечные измерения рельефа, сил взаимодействия и локальных
свойств в Атомно-Силовой Микроскопии
4.1 Принцип работы поточечной методики
4.2 Сравнение поточечной, контактной и полуконтактной методик
4.3 Измерение упругих свойств
4.4 Измерение адгезионных свойств
4.5 Измерения в жидких средах
4.6 Применение поточечной методики
4.7 Интерфейс модуля поточечной методики
4.8 Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Атомно-силовая микроскопия активно используется в ключевых на сегодняшний день областях исследований. Несмотря на то, что появилась она сравнительно недавно, на текущем этапе развития атомно-силовой микроскопии (АСМ) разработан целый спектр методик измерения поверхности и локальных свойств различных материалов. В зависимости от задачи и типа образца подбирается определенная методика измерения, которая позволяет достигнуть необходимого разрешения и уменьшить вероятность повреждения зонда и объекта исследования.
Рост сложности научных экспериментов, необходимость минимизации времени, а также переход от частных к комплексным автоматизированным решениям, учитывающим специфические особенности конкретной задачи, приводят к увеличению количества и сложности проектов по автоматизации измерений. При разработке сложных решений необходимо снизить зависимость результатов от таких факторов, как теоретическая подготовка исследователя, опыт работы на приборе и затраченное время. Таким образом, создание научно обоснованных технологических методов автоматизации АСМ-измерений является актуальной научно-технической проблемой.
В рамках данной проблемы существует множество задач, относящихся к различным областям применения АСМ: материаловедение, биология,
нанообработка, задачи, связанные с изучением полупроводников, порошков и тонких пленок, медицина, промышленное применение и множество других. В настоящее время одним из стремительно развивающихся направлений в сфере нанотехнологий является биология и смежные с ней области исследований. Решаются проблемы изучения клеточных структур, мембран, протеинов, вирусов, бактерий, тканей, наночастиц и их взаимодействия с другими объектами. Изучение подобных объектов методами АСМ представляет собой сложную задачу, прежде всего потому, что зонд находится в контакте с поверхностью и относительно большая сила взаимодействия может привести к необратимой деформации объекта исследования и зонда (особенно важно при

(рис. 2.7). Она увеличивается по абсолютной величине до тех пор, пока скачком не меняет свой знак. Далее по мере уменьшения расстояния она медленно возрастает. Подобное поведение свойственно и для А0 = 30 нм, однако, для А0 = 60 нм сила меняет знак не скачком, а плавно и непрерывно. Средняя отталкивающая сила находится в диапазоне 0.2—2 нН, хотя для больших амплитуд свободных колебаний она значительно возрастает. Максимальная средняя сила в режиме притяжения для любых амплитуд свободных колебаний не превышает 0.5 нН. Иными словами, силовое взаимодействие при работе в режиме притяжения снижается в несколько раз по сравнению с режимом отталкивания. Сравнение рис. 2.6 и рис. 2.7 показывает очевидное соответствие между амплитудными и силовыми кривыми. По силовой кривой уже можно судить о режиме взаимодействия: притяжение или отталкивание.
Дальнейшие доказательства присутствия сил отталкивания при переходе можно привести исходя из времени за один период, которое зонд непосредственно контактирует с поверхностью (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Зависимость времени контакта за один период колебаний от расстояния зонд-образец для трех различных амплитуд свободных колебаний А0 = 10, 30 и 60 нм [32].
Для амплитуды свободных колебаний А0 = 10 нм на больших расстояниях дальнодействующие силы притяжения уменьшают амплитуду и время контакта 1:с = 0. На некотором расстоянии гс наблюдается переход между режимом
—Ао=10 Пт
0.4 0.6 0.8 1