eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
А.И.Ахметова, Т.О.Советников, Б.А.Логинов, Д.И.Яминский, И.В.Яминский
КВАРЦЕВАЯ ЭТАЛОННАЯ МЕРА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
КВАРЦЕВАЯ ЭТАЛОННАЯ МЕРА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
Просмотры: 459
Повышение точности и достоверности измерений в наномасштабе становится все более актуальной задачей для различных приложений, особенно в таких областях, как полупроводниковая электроника, оптические метаматериалы, сенсоры и биологические измерения. С появлением методов визуализации высокого разрешения закономерно возникла и потребность в метрологической поверке этих приборов. Появилась задача измерить наноразмерную морфологию в конкретном местоположении, что требует точности позиционирования как в вертикальном, так и в латеральном направлении. Стабильность и надежность измерений требуют регулярно отлаживать микроскоп с помощью калибровочных средств. Одним из таких эталонов могут быть кварцевые калибровочные меры.
Теги: атомно-силовая микроскопия зондовая микроскопия кварцевая эталонная мера метрология сканирующая капиллярная микроскопия эталон нанометра
Получено: 4.03.2024 г. | Принято: 11.03.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105
Научная статья
КВАРЦЕВАЯ ЭТАЛОННАЯ МЕРА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
Т.О.Советников1, 2, магистр, вед. инж., ORCID: 0000-0001-6541-8932
Б.А.Логинов3, нач. науч. лаборатории, ORCID: 0000-0001-5081-1424
Д.И.Яминский1, асп., ORCID: 0009-0009-6370-7496
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Повышение точности и достоверности измерений в наномасштабе становится все более актуальной задачей для различных приложений, особенно в таких областях, как полупроводниковая электроника, оптические метаматериалы, сенсоры и биологические измерения. С появлением методов визуализации высокого разрешения закономерно возникла и потребность в метрологической поверке этих приборов. Появилась задача измерить наноразмерную морфологию в конкретном местоположении, что требует точности позиционирования как в вертикальном, так и в латеральном направлении. Стабильность и надежность измерений требуют регулярно отлаживать микроскоп с помощью калибровочных средств. Одним из таких эталонов могут быть кварцевые калибровочные меры.
Ключевые слова: зондовая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, сканирующая капиллярная микроскопия, метрология, кварцевая эталонная мера, эталон нанометра
Для цитирования: А.И. Ахметова, Т.О. Советников, Б.А. Логинов, Д.И. Яминский, И.В. Яминский. Кварцевая эталонная мера для сканирующей зондовой микроскопии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 98–105. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105.
Received: 4.03.2024 | Accepted: 11.03.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105
Original paper
QUARTZ REFERENCE MEASURE FOR SCANNING PROBE MICROSCOPY
A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Researcher, ORCID: 0000-0002-5115-8030
T.O.Sovetnikov1, 2, Master, Leading Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
B.A.Loginov3, Head of laboratory, ORCID: 0000-0001-5081-1424
D.I.Yaminsky1, Post Graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. Improving accuracy and reliability of measurements at the nanoscale is becoming increasingly important for various applications, especially in areas such as semiconductor electronics, optical metamaterials, sensors, and biological measurements. With the development of high-resolution imaging techniques, the need for metrological verification of these devices has also naturally arisen. The challenge of measuring nanoscale morphology at a specific location has emerged, which requires positional accuracy in both vertical and lateral directions. Stability and robustness of measurements require that the microscope should be regularly calibrated using calibration tools. Quartz calibration measures can be one such standard.
Keywords: probe microscopy, atomic force microscopy, scanning capillary microscopy, metrology, quartz measure, nanometer standard
For citation: A.I. Akhmetova, T.O. Sovetnikov, B.A. Loginov, D.I. Yaminsky, I.V. Yaminsky. Quartz reference measure for scanning probe microscopy. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 98–105. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105.
ВВЕДЕНИЕ
Прошло почти 40 лет с момента изобретения Г.Биннигом, К.Квейтом и Х.Гербером атомно-силового микроскопа (АСМ) [1]. За прошедшие десятилетия методика АСМ претерпела быструю эволюцию и распространение, практически беспрецедентное за более чем четырехвековую историю микроскопии. В настоящее время АСМ используется в самых разных областях: от материаловедения до клеточной и молекулярной биологии, являясь важным инструментом в большом числе приложений: от метрологии наноструктур и литографии до локального измерения механических свойств мягких полимеров и биологических объектов. АСМ стала важной техникой для исследований в области медико-биологических наук и широко используется для изучения клеток [2], бактерий, вирусов, грибов [3].
Однако изучение отдельных макромолекул на наноуровне остается сложной задачей, особенно когда требуется получить подробную количественную информацию [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ
По сравнению с другими методами визуализации высокого разрешения, такими как микроскопия с принудительным подавлением спонтанного излучения (STED), фотоактивированная локализационная микроскопия (PALM), стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (STORM), сканирующая и просвечивающая электронные микроскопии, АСМ обладает уникальными преимуществами для одновременной визуализации живых биологических структур и измерения их механических свойств в водных условиях, что делает АСМ особенно подходящим для изучения биоинтерфейсов и биомеханики [5].
Для точного позиционирования объектов в атомно-силовой микроскопии используется прецизионная механика и продвинутая электроника, что позволяет достигать разрешения по оси Z менее 0,1 Å. Но есть несколько нюансов, которые могут влиять на получаемые данные: шумы электроники, нелинейность и гистерезис пьезокерамики (рис.1), крип, сейсмика, влияние температуры и влажности, появление артефактов при сканировании исследуемых объектов вследствие загрязнения зонда, залипания кантилевера и затупливания иглы, особенно при исследовании мягких и высокоадгезивных объектов. В ПО "ФемтоСкан Онлайн" реализована функция восстановления формы иглы зонда по полученному изображению [6], что позволяет отследить изменения в геометрии острия кантилевера [7].
Калибровка является важнейшей операцией, обеспечивающей точность выполнения прибором своих задач и сопоставимость инструментов и результатов [8], что немаловажно для воспроизводимости измерений [9].
Развитие зондовой микроскопии открыло широкий спектр новых возможностей в нанонауке и новых методов наблюдения за сложными биологическими системами. АСМ-визуализация широко используется для определения сложных и гетерогенных конформационных состояний, участвующих в агрегации белков в масштабе одной молекулы, и проливает свет на молекулярную основу различных патологий человека, включая нейродегенеративные расстройства. Варианты режимов в сканирующей зондовой микроскопии в настоящее время многочисленны и разнообразны, даже опытные пользователи микроскопов не всегда знают о всех его возможностях.
Метрология наночастиц, измерение характеристик трехмерных интегральных схем являются примерами приложений, в которых ограничения разрешения по трем осям АСМ могут привести к путанице или неправильной интерпретации данных. Поэтому калибровка прибора и наличие качественных долговечных эталонов являются необходимыми для достоверной исследовательской работы.
Хорошими качественными объектами для калибровки АСМ являются различные калибровочные решетки, фрагменты поверхности CD- и DVD-дисков. В данной работе в качестве метрологического эталона используются металлические структуры цилиндрической формы ("пеньки"). Эта эталонная мера [10] представляет собой периодические выступы (шаг по осям X и Y составляет 1400 нм) нормированной высоты (90 нм), выполненные методом фотолитографии из фотошаблона, представляющего собой кварцевую пластину с нанесенным на нее слоем хрома. Данная мера может быть также выполнена через маски методами PVD/CVD, описанными в [11]. Существенной отличительной особенностью этой меры является ее исполнение из кварца, имеющего температурный коэффициент линейного расширения 1 · 10–6 К–1, что намного меньше, чем у обычно используемого для мер такого типа кремния с температурным коэффициентом линейного расширения около 5 · 10–6 К–1. Это позволяет не заботиться о точном поддержании температуры меры при калибровке с ее использованием. С помощью атомно-силового микроскопа "ФемтоСкан" было осуществлено сканирование рельефа меры (рис.2). Характерный наблюдаемый диаметр хромовых столбиков составил около 500 нм, наблюдаемые величины высоты структур и периода их расположения соответствуют заявленным по паспорту значениям.
Заметим, что даже на откалиброванном атомно-силовом микроскопе сканирование эталонной меры позволяет выявить загрязнения острия кантилевера, наглядно проявляющееся в виде "оттенения" слева у основания столбиков.
Полученные на АСМ значения также сравнили с результатами сканирования данной меры на сканирующем капиллярном микроскопе (СКМ) "ФемтоСкан Хi" [12]. Одним из факторов нестабильной работы зондового микроскопа может стать деградация пьезокерамических подвижек. По результатам сканирования меры на СКМ (рис.3) и сравнительного анализа с АСМ-снимками (рис.2) была проведена первичная калибровка микроскопа. Выявлена деградация пьезоподвижек, в силу чего амплитуда их максимального хода уменьшилась с 12,0 до 10,3 мкм.
Метрология капиллярного микроскопа также позволила улучшить понимание возможности системы обратной связи в корректной регистрации падения величины ионного тока. Было отмечено, что сканирование твердого рельефа эталонной меры со значительным локальным перепадом высот, коим являются вертикальные хромовые столбики, может приводить к поломке капилляров с малым диаметром отверстия (обычно в работе нами используются капилляры с диаметром апертуры в 70–90 нм) вследствие позднего срабатывания системы обратной связи при сближении в области краев столбика. По этой причине снимки кварцевой меры получены с использованием капилляра с диаметром отверстия, превосходящим 100 нм, что вызвало незначительное латеральное уширение столбиков на снимках. Период и высота столбиков после калибровки отлично сходятся с заявленными паспортными значениями и измерениями по АСМ-снимкам.
Если сравнить рис.2 и 3, можно отметить, как геометрия зонда и сам ход сканирования влияют на отображаемый микроскопом рельеф. Исходный столбик кварцевой меры имеет близкую к идеально прямоугольной геометрию, в то же время сечение на рисунках АСМ и СКМ демонстрируют некоторые отклонения в отображаемом профиле поверхности. Для обоих методов визуализации такие сглаживания резко вертикального рельефа являются нормальными и легко объяснимыми (рис.4).
Сканирующая игла АСМ имеет конечный радиус кривизны, из-за этого реальные размеры слишком узких или слишком высоких объектов искажаются. Механизм возникновения подобных артефактов изображен на рис.4a: при сближении с объектом (проходе иглой вдоль строк) зонд начинает взаимодействовать боковой поверхностью иглы со столбиком раньше, чем до него дойдет само острие. Система обратной связи реагирует и немного отводит образец, на полученном снимке это отражается в виде уширения, нарастающего к основанию столбика.
Артефакты в капиллярном микроскопе также вызваны конечным размером острия капилляра (рис.4b). Ширина столбиков составляет около 500 нм, диаметр отверстия нанокапилляра около 100 нм. Это сходство размеров влечет за собой два эффекта. Во-первых, капилляр начинает детектировать край столбика еще на некотором удалении от него, когда один из краев апертуры капилляра находится вблизи бокового края столбика (чувствительность определяется областью диаметром примерно в три радиуса отверстия капилляра [13]). Ограничение на поток ионов становится сильнее, падение тока происходит раньше, вследствие этого на изображении возникает латеральное уширение. Во-вторых, даже когда ось капилляра находится над столбиком, пространственное ограничение потока ионов преимущественно создается только с одной стороны от оси капилляра (кроме незначительной области вблизи центра столбика), капилляр проходит большее расстояние до точки, в которой величина ионного тока падает на заданное значение, вследствие чего поверхность на снимке столбика приобретает профиль горба.
Отметим, что данное описание является лишь качественным объяснением возникновения артефакта, для количественного описания эффекта искажения необходимо проводить численное моделирование с учетом механической жесткости капилляра, что является хорошим предметом для будущих изысканий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многие значимые открытия в области биомедицинских исследований являются результатом исследований в микроскопическом масштабе с нанометровой точностью. Эталонная мера, представляющая собой выступы цилиндрической формы из хрома, расположенные на кварцевой подложке с предельно низким коэффициентом линейного расширения, является удачным инструментом для поверки и калибровки атомно-силовых и сканирующих капиллярных микроскопов. Такая калибровка, помимо высокой метрологической точности, позволяет также получать ценную информацию о функциональных возможностях микроскопов. Одним из существенных достоинств меры также является небольшая стоимость, что позволило широко использовать ее в Центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии".
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа сотрудников физического факультета выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий" (www.nanoscopy.ru). Работа Советникова Т.О. также поддержана Фондом содействия инновациям (договор № 18675ГУ/2023) и фондом "Базис" (договор № 23-2-1-89-1).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope Phys. Rev. Lett. 1986. Vol. 56. PP. 930–933. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.
2018.08.011
Li M., Xi N., Wang Yc. et al. Atomic force microscopy for revealing micro/nanoscale mechanics in tumor metastasis: from single cells to microenvironmental cues. Acta Pharmacol Sin 42. 2021. PP. 339–323. https://doi.org/
10.1038/s41401-020-0494-3
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Senotrusova S.A. Scanning probe microscopy of biological objects and data processing. Medicine and High Technologies. 2021. Vol. 4. PP. 5–8. https://doi.org/10.34219/2306-3645-2021-11-4-5-8
Ruggeri F.S., Šneideris T., Vendruscolo M., Knowles T.P.J. Atomic force microscopy for single molecule characterisation of protein aggregation. Arch Biochem Biophys. 2019. Mar 30. Vol. 664. PP. 134–148. https://doi.org/
10.1016/j.abb.2019.02.001
Krieg M., Flaschner G., Alsteens D., Gaub B.M., Roos W.H., Suite G.J.L. et al. Atomic force microscopy-based mechanobiology. Nat Rev Phys. 2019. Vol. 1. PP. 41–57. https://doi.org/10.1038/s42254-018-0001-7
Villarrubia J.S. Algorithms for Scanned Probe Microscope Image Simulation, Surface Reconstruction, and Tip Estimation. J Res Natl Inst Stand Technol. 1997. Vol. 102(4). PP. 425–454. https://doi.org/10.6028/jres.102.030
Электронный источник: FemtoScan Online software http://nanoscopy.ru/software/femtoscan_online
Emerson I.V.R., Camesano T. On the importance of precise calibration techniques for an atomic force microscope. Ultramicroscopy. 2006. Vol. 106. PP. 413–422. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2005.11.008
Dai G., Koenders L., Fluegge J., Bosse H. Two approaches for realizing traceability in nanoscale dimensional metrology. Opt. Eng. 2016. Vol. 55. P. 091407. https://doi.org/10.1117/1.OE.55.9.091407
Certificate of type approval of measuring instruments RU.C.27.004.A № 42471
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Bokova-Sirosh S.N., Bozhev I.V., Obraztsova E.D., Loginov B.A., Obraztsov A.N. Formation of nanostructured films based on MoS2, WS2, MoO2 and their heterostructures. Technical Physics. Vol. 92. No. 13. P. 2078. https://doi.org/10.21883/tp. 2022.13.52225.102-21
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Maksimova N.E., Terentyev A.D., Uzhegov A.A., Yaminsky I.V. The heart of the capillary microscope. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 7–8. PP. 444–448. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.444.448
Rheinlander J., Schaffer T.E. Image formation, resolution, and height measurement in scanning ion conductance microscopy //
J. Appl. Phys. 2009. No. 105. P. 094905. https://doi.org/10.1063/1.3122007
Научная статья
КВАРЦЕВАЯ ЭТАЛОННАЯ МЕРА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-5115-8030
Т.О.Советников1, 2, магистр, вед. инж., ORCID: 0000-0001-6541-8932
Б.А.Логинов3, нач. науч. лаборатории, ORCID: 0000-0001-5081-1424
Д.И.Яминский1, асп., ORCID: 0009-0009-6370-7496
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Повышение точности и достоверности измерений в наномасштабе становится все более актуальной задачей для различных приложений, особенно в таких областях, как полупроводниковая электроника, оптические метаматериалы, сенсоры и биологические измерения. С появлением методов визуализации высокого разрешения закономерно возникла и потребность в метрологической поверке этих приборов. Появилась задача измерить наноразмерную морфологию в конкретном местоположении, что требует точности позиционирования как в вертикальном, так и в латеральном направлении. Стабильность и надежность измерений требуют регулярно отлаживать микроскоп с помощью калибровочных средств. Одним из таких эталонов могут быть кварцевые калибровочные меры.
Ключевые слова: зондовая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, сканирующая капиллярная микроскопия, метрология, кварцевая эталонная мера, эталон нанометра
Для цитирования: А.И. Ахметова, Т.О. Советников, Б.А. Логинов, Д.И. Яминский, И.В. Яминский. Кварцевая эталонная мера для сканирующей зондовой микроскопии. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 2. С. 98–105. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105.
Received: 4.03.2024 | Accepted: 11.03.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105
Original paper
QUARTZ REFERENCE MEASURE FOR SCANNING PROBE MICROSCOPY
A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Researcher, ORCID: 0000-0002-5115-8030
T.O.Sovetnikov1, 2, Master, Leading Engineer, ORCID: 0000-0001-6541-8932
B.A.Loginov3, Head of laboratory, ORCID: 0000-0001-5081-1424
D.I.Yaminsky1, Post Graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. Improving accuracy and reliability of measurements at the nanoscale is becoming increasingly important for various applications, especially in areas such as semiconductor electronics, optical metamaterials, sensors, and biological measurements. With the development of high-resolution imaging techniques, the need for metrological verification of these devices has also naturally arisen. The challenge of measuring nanoscale morphology at a specific location has emerged, which requires positional accuracy in both vertical and lateral directions. Stability and robustness of measurements require that the microscope should be regularly calibrated using calibration tools. Quartz calibration measures can be one such standard.
Keywords: probe microscopy, atomic force microscopy, scanning capillary microscopy, metrology, quartz measure, nanometer standard
For citation: A.I. Akhmetova, T.O. Sovetnikov, B.A. Loginov, D.I. Yaminsky, I.V. Yaminsky. Quartz reference measure for scanning probe microscopy. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 2. PP. 98–105. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.2.98.105.
ВВЕДЕНИЕ
Прошло почти 40 лет с момента изобретения Г.Биннигом, К.Квейтом и Х.Гербером атомно-силового микроскопа (АСМ) [1]. За прошедшие десятилетия методика АСМ претерпела быструю эволюцию и распространение, практически беспрецедентное за более чем четырехвековую историю микроскопии. В настоящее время АСМ используется в самых разных областях: от материаловедения до клеточной и молекулярной биологии, являясь важным инструментом в большом числе приложений: от метрологии наноструктур и литографии до локального измерения механических свойств мягких полимеров и биологических объектов. АСМ стала важной техникой для исследований в области медико-биологических наук и широко используется для изучения клеток [2], бактерий, вирусов, грибов [3].
Однако изучение отдельных макромолекул на наноуровне остается сложной задачей, особенно когда требуется получить подробную количественную информацию [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ
По сравнению с другими методами визуализации высокого разрешения, такими как микроскопия с принудительным подавлением спонтанного излучения (STED), фотоактивированная локализационная микроскопия (PALM), стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (STORM), сканирующая и просвечивающая электронные микроскопии, АСМ обладает уникальными преимуществами для одновременной визуализации живых биологических структур и измерения их механических свойств в водных условиях, что делает АСМ особенно подходящим для изучения биоинтерфейсов и биомеханики [5].
Для точного позиционирования объектов в атомно-силовой микроскопии используется прецизионная механика и продвинутая электроника, что позволяет достигать разрешения по оси Z менее 0,1 Å. Но есть несколько нюансов, которые могут влиять на получаемые данные: шумы электроники, нелинейность и гистерезис пьезокерамики (рис.1), крип, сейсмика, влияние температуры и влажности, появление артефактов при сканировании исследуемых объектов вследствие загрязнения зонда, залипания кантилевера и затупливания иглы, особенно при исследовании мягких и высокоадгезивных объектов. В ПО "ФемтоСкан Онлайн" реализована функция восстановления формы иглы зонда по полученному изображению [6], что позволяет отследить изменения в геометрии острия кантилевера [7].
Калибровка является важнейшей операцией, обеспечивающей точность выполнения прибором своих задач и сопоставимость инструментов и результатов [8], что немаловажно для воспроизводимости измерений [9].
Развитие зондовой микроскопии открыло широкий спектр новых возможностей в нанонауке и новых методов наблюдения за сложными биологическими системами. АСМ-визуализация широко используется для определения сложных и гетерогенных конформационных состояний, участвующих в агрегации белков в масштабе одной молекулы, и проливает свет на молекулярную основу различных патологий человека, включая нейродегенеративные расстройства. Варианты режимов в сканирующей зондовой микроскопии в настоящее время многочисленны и разнообразны, даже опытные пользователи микроскопов не всегда знают о всех его возможностях.
Метрология наночастиц, измерение характеристик трехмерных интегральных схем являются примерами приложений, в которых ограничения разрешения по трем осям АСМ могут привести к путанице или неправильной интерпретации данных. Поэтому калибровка прибора и наличие качественных долговечных эталонов являются необходимыми для достоверной исследовательской работы.
Хорошими качественными объектами для калибровки АСМ являются различные калибровочные решетки, фрагменты поверхности CD- и DVD-дисков. В данной работе в качестве метрологического эталона используются металлические структуры цилиндрической формы ("пеньки"). Эта эталонная мера [10] представляет собой периодические выступы (шаг по осям X и Y составляет 1400 нм) нормированной высоты (90 нм), выполненные методом фотолитографии из фотошаблона, представляющего собой кварцевую пластину с нанесенным на нее слоем хрома. Данная мера может быть также выполнена через маски методами PVD/CVD, описанными в [11]. Существенной отличительной особенностью этой меры является ее исполнение из кварца, имеющего температурный коэффициент линейного расширения 1 · 10–6 К–1, что намного меньше, чем у обычно используемого для мер такого типа кремния с температурным коэффициентом линейного расширения около 5 · 10–6 К–1. Это позволяет не заботиться о точном поддержании температуры меры при калибровке с ее использованием. С помощью атомно-силового микроскопа "ФемтоСкан" было осуществлено сканирование рельефа меры (рис.2). Характерный наблюдаемый диаметр хромовых столбиков составил около 500 нм, наблюдаемые величины высоты структур и периода их расположения соответствуют заявленным по паспорту значениям.
Заметим, что даже на откалиброванном атомно-силовом микроскопе сканирование эталонной меры позволяет выявить загрязнения острия кантилевера, наглядно проявляющееся в виде "оттенения" слева у основания столбиков.
Полученные на АСМ значения также сравнили с результатами сканирования данной меры на сканирующем капиллярном микроскопе (СКМ) "ФемтоСкан Хi" [12]. Одним из факторов нестабильной работы зондового микроскопа может стать деградация пьезокерамических подвижек. По результатам сканирования меры на СКМ (рис.3) и сравнительного анализа с АСМ-снимками (рис.2) была проведена первичная калибровка микроскопа. Выявлена деградация пьезоподвижек, в силу чего амплитуда их максимального хода уменьшилась с 12,0 до 10,3 мкм.
Метрология капиллярного микроскопа также позволила улучшить понимание возможности системы обратной связи в корректной регистрации падения величины ионного тока. Было отмечено, что сканирование твердого рельефа эталонной меры со значительным локальным перепадом высот, коим являются вертикальные хромовые столбики, может приводить к поломке капилляров с малым диаметром отверстия (обычно в работе нами используются капилляры с диаметром апертуры в 70–90 нм) вследствие позднего срабатывания системы обратной связи при сближении в области краев столбика. По этой причине снимки кварцевой меры получены с использованием капилляра с диаметром отверстия, превосходящим 100 нм, что вызвало незначительное латеральное уширение столбиков на снимках. Период и высота столбиков после калибровки отлично сходятся с заявленными паспортными значениями и измерениями по АСМ-снимкам.
Если сравнить рис.2 и 3, можно отметить, как геометрия зонда и сам ход сканирования влияют на отображаемый микроскопом рельеф. Исходный столбик кварцевой меры имеет близкую к идеально прямоугольной геометрию, в то же время сечение на рисунках АСМ и СКМ демонстрируют некоторые отклонения в отображаемом профиле поверхности. Для обоих методов визуализации такие сглаживания резко вертикального рельефа являются нормальными и легко объяснимыми (рис.4).
Сканирующая игла АСМ имеет конечный радиус кривизны, из-за этого реальные размеры слишком узких или слишком высоких объектов искажаются. Механизм возникновения подобных артефактов изображен на рис.4a: при сближении с объектом (проходе иглой вдоль строк) зонд начинает взаимодействовать боковой поверхностью иглы со столбиком раньше, чем до него дойдет само острие. Система обратной связи реагирует и немного отводит образец, на полученном снимке это отражается в виде уширения, нарастающего к основанию столбика.
Артефакты в капиллярном микроскопе также вызваны конечным размером острия капилляра (рис.4b). Ширина столбиков составляет около 500 нм, диаметр отверстия нанокапилляра около 100 нм. Это сходство размеров влечет за собой два эффекта. Во-первых, капилляр начинает детектировать край столбика еще на некотором удалении от него, когда один из краев апертуры капилляра находится вблизи бокового края столбика (чувствительность определяется областью диаметром примерно в три радиуса отверстия капилляра [13]). Ограничение на поток ионов становится сильнее, падение тока происходит раньше, вследствие этого на изображении возникает латеральное уширение. Во-вторых, даже когда ось капилляра находится над столбиком, пространственное ограничение потока ионов преимущественно создается только с одной стороны от оси капилляра (кроме незначительной области вблизи центра столбика), капилляр проходит большее расстояние до точки, в которой величина ионного тока падает на заданное значение, вследствие чего поверхность на снимке столбика приобретает профиль горба.
Отметим, что данное описание является лишь качественным объяснением возникновения артефакта, для количественного описания эффекта искажения необходимо проводить численное моделирование с учетом механической жесткости капилляра, что является хорошим предметом для будущих изысканий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Многие значимые открытия в области биомедицинских исследований являются результатом исследований в микроскопическом масштабе с нанометровой точностью. Эталонная мера, представляющая собой выступы цилиндрической формы из хрома, расположенные на кварцевой подложке с предельно низким коэффициентом линейного расширения, является удачным инструментом для поверки и калибровки атомно-силовых и сканирующих капиллярных микроскопов. Такая калибровка, помимо высокой метрологической точности, позволяет также получать ценную информацию о функциональных возможностях микроскопов. Одним из существенных достоинств меры также является небольшая стоимость, что позволило широко использовать ее в Центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии".
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа сотрудников физического факультета выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий" (www.nanoscopy.ru). Работа Советникова Т.О. также поддержана Фондом содействия инновациям (договор № 18675ГУ/2023) и фондом "Базис" (договор № 23-2-1-89-1).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope Phys. Rev. Lett. 1986. Vol. 56. PP. 930–933. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.
2018.08.011
Li M., Xi N., Wang Yc. et al. Atomic force microscopy for revealing micro/nanoscale mechanics in tumor metastasis: from single cells to microenvironmental cues. Acta Pharmacol Sin 42. 2021. PP. 339–323. https://doi.org/
10.1038/s41401-020-0494-3
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Senotrusova S.A. Scanning probe microscopy of biological objects and data processing. Medicine and High Technologies. 2021. Vol. 4. PP. 5–8. https://doi.org/10.34219/2306-3645-2021-11-4-5-8
Ruggeri F.S., Šneideris T., Vendruscolo M., Knowles T.P.J. Atomic force microscopy for single molecule characterisation of protein aggregation. Arch Biochem Biophys. 2019. Mar 30. Vol. 664. PP. 134–148. https://doi.org/
10.1016/j.abb.2019.02.001
Krieg M., Flaschner G., Alsteens D., Gaub B.M., Roos W.H., Suite G.J.L. et al. Atomic force microscopy-based mechanobiology. Nat Rev Phys. 2019. Vol. 1. PP. 41–57. https://doi.org/10.1038/s42254-018-0001-7
Villarrubia J.S. Algorithms for Scanned Probe Microscope Image Simulation, Surface Reconstruction, and Tip Estimation. J Res Natl Inst Stand Technol. 1997. Vol. 102(4). PP. 425–454. https://doi.org/10.6028/jres.102.030
Электронный источник: FemtoScan Online software http://nanoscopy.ru/software/femtoscan_online
Emerson I.V.R., Camesano T. On the importance of precise calibration techniques for an atomic force microscope. Ultramicroscopy. 2006. Vol. 106. PP. 413–422. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2005.11.008
Dai G., Koenders L., Fluegge J., Bosse H. Two approaches for realizing traceability in nanoscale dimensional metrology. Opt. Eng. 2016. Vol. 55. P. 091407. https://doi.org/10.1117/1.OE.55.9.091407
Certificate of type approval of measuring instruments RU.C.27.004.A № 42471
Loginov A.B., Ismagilov R.R., Bokova-Sirosh S.N., Bozhev I.V., Obraztsova E.D., Loginov B.A., Obraztsov A.N. Formation of nanostructured films based on MoS2, WS2, MoO2 and their heterostructures. Technical Physics. Vol. 92. No. 13. P. 2078. https://doi.org/10.21883/tp. 2022.13.52225.102-21
Akhmetova A.I., Sovetnikov T.O., Maksimova N.E., Terentyev A.D., Uzhegov A.A., Yaminsky I.V. The heart of the capillary microscope. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 7–8. PP. 444–448. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.444.448
Rheinlander J., Schaffer T.E. Image formation, resolution, and height measurement in scanning ion conductance microscopy //
J. Appl. Phys. 2009. No. 105. P. 094905. https://doi.org/10.1063/1.3122007
Отзывы читателей
