Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) успешно применяется как метод изучения микро- и наноразмерных объектов как в научных исследованиях, так и в наноиндустрии. В основе СЗМ метода лежит детектирование разнообразных сигналов, возникающих в результате прецизионного взаимодействия сверхострого твердотельного зонда с объектом исследования. В зависимости от природы взаимодействия и вида детектируемого сигнала различают: сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), сканирующую силовую микроскопию (ССМ), сканирующую ближнепольную оптическую микроскопию (СБОМ), сканирующую микроскопию ионной проводимости (СМИП), и т.п. При этом наибольшее распространение получил метод ССМ благодаря возможности проводить измерения практически в любых средах и на любых объектах. В основе ССМ лежит детектирование локальной силы между зондом и образцом, при этом вклад в силовое взаимодействие могут вносить упругие силы, вызванные механической деформацией, силами Ван-дер-Ваальса, трения, адгезии, капиллярными и электромагнитными силами.
Сканирующая силовая микроскопия является относительно новым методом нанодиагностики материалов, активно развивающимся последние (20-30) лет, поэтому в настоящий момент задачи улучшения однозначности, достоверности и воспроизводимости получаемых с помощью ССМ данных являются актуальными. К числу основных проблем, существующих в области ССМ, можно отнести повышение точности измерений в нанометровом диапазоне, расширение функциональных возможностей путем создания новых типов зондов, а также устранение различных артефактов, присущих данному методу.
Получаемое ССМ изображение представляет собой конволюцию (свертку) геометрических параметров зонда и поверхности, поэтому правильный подбор и учет параметров зондов может решающим образом повлиять на точность измерений и интерпретацию полученных данных.
Варьируя геометрию и материал зондов, можно значительно улучшить разрешение и контраст получаемых ССМ изображений, а также реализовать разнообразные функции, такие как: локальная модификация поверхности (литография), манипулирование микро- и наночастицами, измерение сил адгезии, шероховатости, электрических и магнитных полей, и т.п. Поэтому в последнее время актуальным является создание новых типов специализированных зондов для ССМ, при этом особое внимание уделяется зондам с наноструктурированной поверхностью.
Актуальность создания наноструктурированных зондов обусловлена также наличием конкретных задач в области медицины, наноэлектроники, электрохимии, цитологии, наноматериаловедения и т.п., которые могут быть решены с привлечением метода ССМ.
Цель работы: создание, исследование и апробация наноструктурированных зондов для повышения пространственного разрешения и контраста, расширения функциональных возможностей и достоверности метода сканирующей силовой микроскопии.
Основные задачи работы:
1. Отработка технологии изготовления наноструктурированных зондов: зондов- нановискеров, включая нановискеры с магнитным покрытием, зондов-наноскальпелей, зондов-нанопипеток со сферами и зондов-кластеров с гидроксиапатитом;
2. Расчёт механической прочности и измерение модуля Юнга углеродных нановискеров, формируемых на поверхности зондов. Моделирование силового взаимодействия зондов- нановискеров с магнитным покрытием с магнитными доменами, апробация магнитных зондов-нановискеров на тестовых образцах;
3. Апробация наноструктурированных зондов в воздушной и жидкой средах при исследовании объектов различной природы;
4. Сравнение результатов, полученных с помощью наноструктурированных зондов с результатами, полученными с помощью стандартных зондов, исследование артефактов изображений.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач применялись следующие методы: анализ литературных источников, математическое моделирование при помощи программного продукта COMSOL Multiphysics, различные технологические и диагностические методы, статистическая обработка экспериментальных результатов.
Основными технологическими методами были: метод фокусированного электронного пучка (ФЭП), электронно-лучевая литография, травление сфокусированным ионным пучком, осаждение металлических пленок (Au, Cu, Ni) методом электронно-лучевого и магнетронного напыления; химическое и электрохимическое травление, термическое вытягивание макро- и нанопипеток, центрифугирование биологических проб; фиксация биологических объектов с использованием гелеобразующих веществ.
Основными диагностическими методами были: оптическая микроскопия, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), электронная дифракция, сканирующая силовая микроскопия (ССМ); сканирующая микроскопия ионной проводимости (СМИП).
Научная новизна:
1. Впервые обнаружен и объяснен эффект самоорганизованного распада углеродной пластины, образующейся под воздействием фокусированного электронного пучка на вершине W иглы, на наноструктуру (нановилку) в виде параллельно расположенных одиночных вискеров.
2. Впервые создан и апробирован зонд-кластер с гидроксиапатитом, представляющий интерес для исследований причин возникновения аортального стеноза.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
3. Впервые выполнено надрезание клеточных мембран и манипулирование нанообъектами с помощью зондов-наноскальпелей с последующей ССМ-визуализацией результатов локального воздействия с использованием того же зонда.
4. Впервые экспериментально продемонстрировано, что использование зондов с нановискерами устраняет инверсию ССМ-изображений наноканалов и нанопор на гидрофильной поверхности, имеющую место при использований стандартных кремниевых кантилеверов.
5. Впервые созданы и протестированы зонды-нановискеры с магнитным покрытием, показано улучшение контраста и пространственного разрешения при исследовании магнитных структур с помощью таких зондов.
6. Впервые предложена технология совмещения ССМ и СМИП с использованием зондов-пипеток с калиброванными наносферами, позволяющими повысить стабильность в силовом режиме измерений.
Достоверность научных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, воспроизводимостью результатов измерений, проведением математического моделирования, статистической обработкой полученных данных, соответствием теоретических и экспериментальных данных, включая исследование тестовых структур с заданными характеристиками и различных объектов органической и неорганической природы. Результаты диссертации представлены на международных и всероссийских конференциях, форумах, ассамблеях и научных школах, а также опубликованы в журналах и иных публикациях, входящих в базы цитирования ВАК, РИНЦ, Scopus и WoS.
Практическая значимость:
1. Расширена номенклатура зондов, используемых в сканирующей зондовой микроскопии при исследовании объектов различной природы.
2. Зонд-пипетка с наносферой расширяет возможности метода СМИП, позволяя совместить его с методом ССМ.
3. Зонд-кластер с гидроксиапатитом открывает возможность применения ССМ в медицине при исследовании аортального стеноза.
4. Технология создания зондов-нановискеров может быть использована для восстановления ухудшившегося в процессе эксплуатации пространственного разрешения стандартных кремниевых кантилеверов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Модификация вершин Si кантилеверов платиноуглеродными нановискерами повышает качество силовых изображений по сравнению с изображениями, получаемыми стандартными зондами:
- не менее, чем в 2 раза увеличивается точность определения координат резких перепадов рельефа на поверхности исследуемых образцов;
- устраняется инверсия изображения нанопор и наноканалов и повышается контраст при визуализации гидрофильных поверхностей за счёт проникновения зондов сквозь адсорбированный слой воды;
- не менее, чем в 1,5 раза увеличивается фазовый контраст в режиме магнитной силовой микроскопии при использовании Со покрытий толщиной 50 нм;
2. Модификация вершин Si кантилеверов углеродными нанопластинами позволяет проводить устойчивую силовую литографию с разрешением 50 нм, локальный надрез мембран клеток при постоянной силе воздействия в диапазоне (0,5-7,5) мкН и устойчивое манипулирование наночастицами с размерами менее 300 нм на поверхности подложки.
3. Локализация микрогранулы гидроксиапатита с характерным размером 600 нм на вершине зонда позволяет провести измерение сил адгезии гидроксиапатита к субэндотелиальным и эндотелиальным областям сердечного клапана, что открывает новые экспериментальные возможности для изучения природы аортального стеноза.
4. Объединение зонда в виде нанопипетки с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия обеспечивает совмещение режимов силовой микроскопии и микроскопии токов ионной проводимости. При этом локализация коллоидной наносферы диаметром ~200 нм на вершине нанопипетки с диаметром апертуры ~175 нм улучшает устойчивость и воспроизводимость силовых изображений.
Реализация работы:
Результаты диссертации использовалась при выполнении государственных контрактов в рамках Государственной финансовой поддержки ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01), РФФИ (14-02-31703, 16-32-00806), НИОКР, финансируемые в рамках подготовки магистрантов и аспирантов из централизованных средств Университета ИТМО (№ 615893, 414643), конкурса премии грантов Правительства Санкт-Петербурга 2015 и 2016 гг., а также программы У.М.Н.И.К. (№11698р/17266, № 3132ГУ2/2014).
Апробация работы:
Основные результаты исследований и разработок, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, форумах, ассамблеях и школах: 2nd/3rd/4th International School and Conference «Saint-Petersburg OPEN 2015/2016/2017», март- апрель 2015-2017 гг.; 2nd/3rd International Theoretical and Practical Conference «Sensorica- 2014/2015», октябрь-ноябрь 2014-2015 гг.; V International Scientific conference STRANN, апрель 2016 г.; International conference Physica.SPb/2016, 1-3 ноября 2016 г.; VIII/IX/X Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», октябрь 2014-2016 гг.; XLIV/XLV/XLVI научная и учебно- методическая конференция Университета ИТМО, февраль 2015-2017 гг.; IV Всероссийский конгресс молодых ученых, 7-10 апреля 2015 г.; Международный научный форум молодых ученых «Наука будущего – наука молодых», сентябрь-октябрь 2015 г. (Россия, г. Севастополь); 18 молодёжная школа «Микро- и нанотехника нового поколения», ноябрь 2015 г.; III Всероссийская научная молодежная конференция «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники», декабрь 2015 г. (Россия, г. Уфа); Междисциплинарная научная конференция «Биология и фундаментальная медицина в Санкт-Петербурге», апрель 2016 г.;
18 всероссийская конференция «Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника», 28 ноября – 2 декабря 2016 г.; участие в финале ВИК.Нано (Всероссийский инженерный конкурс по нанотехнологиям), 9-15 ноября 2016 г. (Россия, г. Москва); 24-ая/25-ая Международная летняя школа Jyväskylä Summer School (Финляндия, г. Ювяскюля), август 2014-2015 гг.
Личный вклад автора:
Личный вклад автора заключался в анализе литературных источников по теме диссертации, проведении всех CСМ и СМИП экспериментов, результаты которых приведены в данной работе, большей части экспериментов в СЭМ и оптических измерений. Автор является основным разработчиком всех приведенных типов наноструктурированных зондов, провёл измерение модуля Юнга нановискерных структур статическим методом, активно участвовал в обсуждении и анализе полученных результатов, а также в подготовке и написании статей, тезисов, выступал на конференциях.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Публикации:
Основные результаты диссертации изложены в 34 печатных работах, включая 12 статей в рецензируемых журналах, из которых 9 статей входят в перечень Web of Science и/или Scopus, 3 статьи входят в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 168 наименований. Текст диссертации изложен на 143 страницах, содержит 78 рисунков и 6 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, указаны её новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту, представлена аннотация диссертационной работы.
Первая глава представляет собой обзор литературных источников по теме исследования. Приведено описание методов формирования нановискерных структур: модель роста пар-жидкость-кристалл, молекулярно-пучковая эпитаксия, метод осаждения фокусированным электронным пучком. Приведены современные типы специализированных зондов для сканирующей силовой микроскопии, таких как зонды с углеродными нанотрубками, коллоидными сферами, вискерами и т.п. Дан краткий обзор современного состояния нанометрологии, в частности, рассмотрены проблемы метрологической обеспеченности линейных измерений наноразмерных объектов в ССМ.
Вторая глава посвящена формированию различных типов наноструктурированных зондов для сканирующей силовой микроскопии. Описаны методы создания зондов с металлорганическими Pt/C нановискерами, нановискерами c Ni/Co магнитным покрытием и углеродными нанопластинами. Формирование нитевидных структур осуществлялось на вершинах стандартных Si зондов с помощью фокусированного электронного пучка (ФЭП) в присутствии газа-прекурсора (С9H16Pt) при давлении (1-2)·10-5 мБар, диаметре электронного пучка ~2 нм и ускоряющем напряжении U=5 кВ. Метод ФЭП позволяет задавать и контролировать геометрические размеры и направление роста формируемых структур. В данной работе изготавливались наноструктуры трёх типов: вытянутая балка (нановискер, НВ), пластина (наноскальпель, НС) и промежуточная структура — нановилка. Для создания магнитных НВ на исходную поверхность наносились тонкие слои Ni и Co методом электронно-лучевого напыления.
Характерная длина Pt/C вискера имела величину L~(400±5) нм для измерений в жидкости и L~(800±10) нм для измерений в воздухе при диаметре d~(50±5) нм и радиусе закругления вершины r~(10±2) нм. Угол между осью НВ и осью Si зонда составлял (22,5±0,5)0. Характерные размеры НВ c магнитным покрытием составили: L~(400±5) нм и d~(150±15) нм. Слой Co напылялся на подслой Ni толщиной 3 нм для лучшей адгезии.
Формирование НС осуществлялось при давлении (1-2)·10-5 мБар, диаметре электронного пучка ~3 нм и ускоряющем напряжении U=30кВ. Характерные параметры НС:
длина L~(350±5) нм, толщина a~(60±5) нм и ширина b ~(400±5) нм.
Приведена технология формирования зондов на основе гидроксиапатита (ГА), которая заключалась в прецизионном приклеивании микрочастицы ГА посредством микроманипулирования с использованием метода ССМ.
Описана технология формирования зондов-нанопипеток для СМИП методом термического вытягивания стеклянных капилляров. При создании нанопипеток использовалось скручивание расплавленной заготовки в процессе вытягивания и оплавление вершины нанопипетки при температуре ~8500С после её формирования.
На вершине зондов-нанопипеток закреплялись Au наносферы с диаметром ~200 нм, что обеспечивало устойчивую работу таких зондов в режиме ССМ. Прикрепление Au наносфер осуществлялось пьезоманипулятором в вакуумной камере сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Для манипулирования наносферой использовались диэлектрофоретические силы, возникающие в процессе зарядки системы W иглы манипулятора – Au наносферы электронным пучком СЭМ. Для закрепления наносфер на вершине зонда-нанопипетки использовалось нанесение слоя углерода в область контакта наносферы со стеклянной поверхностью пипетки методом ФЭП.
На рисунке 2 представлена промежуточная структура типа «нановилка». Данная структура образовывалась в процессе самоорганизованного распада углеродной пластины, растущей под воздействием фокусированного электронного пучка на вершине W иглы. В процессе возникновения нановилки формируется пьедестал в виде углеродной призмы субмикронного размера, который затем в процессе роста самопроизвольно распадается на несколько близко расположенных параллельных НВ.
Распад обусловлен различием поверхностных энергий нановилки и нанопластины, имеющих одинаковые объёмы. При малых значениях h площадь поверхности нановилки меньше площади поверхности нанопластины, поэтому энергетически выгодным является образование нановилки. При увеличении h, начиная с h=200 нм (при α=π/6), эта соотношение изменяется в пользу образования нанопластины, однако для перестройки нановилки в нанопластину требуется дополнительная энергия, поэтому обратная коалесценция не возникает.
В третьей главе приводятся результаты тестирования разработанных наноструктурированных зондов, демонстрирующее улучшение качества изображений и функциональных возможностей метода ССМ. С использованием тестовых образцов (калибровочная решётка TGQ) проведено сравнение уширения ССМ изображений вертикальных стенок, полученных стандартными Si зондами и зондами с НВ в воздушной среде (рисунок 4). Показано, что зонды с НВ дают двукратное уменьшение уширения на ССМ изображениях вертикальных стенок площадок, что говорит об улучшении латерального (бокового) разрешения по осям X, Y. Для тестирования зондов также были созданы образцы с искусственно созданными каналами в электронном резисте с фиксированной глубиной ~100 нм и шириной ~200 нм. Экспериментально продемонстрировано, что зонды с НВ благодаря высокому аспектному отношению (отношение длины к диаметру) проникают в узкие и глубокие каналы, что обеспечивает повышение точности при измерении глубины каналов по оси Z (улучшение контраста изображения,), по сравнению со стандартными зондами, имеющими форму конуса (рисунок 5).
При изучении биообъектов в нативном состоянии важно проводить исследования в жидких средах, в качестве которых были выбраны наиболее распространенные буферные растворы PBS (натрий-фосфатный буфер), NaOH 0,1M и NaOH 0,5M. Экспериментально обнаружено уменьшение уширения ступеньки в (2-3) раза в данных средах при использовании зонда с НВ по сравнению со стандартными зондами. При измерении кривых отвода/подвода в жидких средах обнаружены области резкого повышения амплитуды колебаний зонда, обусловленные влиянием микротечений на зонд, что связано с уширением вертикальных ступенек на ССМ изображениях. На всех изучаемых образцах проведено не менее 100 измерений структуры на разных участках и в различных средах.
Показано, что несмотря на значительные различия в размерах (ширина НС в 5 раз больше диаметра НВ), при оптимальной ориентации зонда с НС относительно направления быстрого сканирования может быть достигнуто пространственное разрешение, соизмеримое с пространственным разрешением, характерным для зонда с НВ. Уширение ступеньки при визуализации решетки при такой ориентации зонда с НС составило значения, сопоставимые с уширением, получаемым зондом с НВ. Принимая во внимание наклон кантилевера относительно плоскости образца на ~22,50 (заложен в конструкции прибора), а также угол наклона между осью Si пирамидки
кантилевера и торцевой плоскостью НС (задается в процессе роста) получим, что плоскость НС всегда ориентирована под некоторым углом β к поверхности образца (рисунок 6, в), что и обеспечивает пространственное разрешение НС, соизмеримое с пространственным разрешением НВ.Проведено тестирование зонда с НС в режиме статической силовой литографии. Выявлены оптимальные режимы, обеспечивающие получение каналов на поверхности образца с максимальной глубиной и минимальной шириной. Оптимальная скорость литографии составила 2 мкм/с при силе прижима (1-1,5) мкН. Глубина канавок оказалась в 3 раза больше, а ширина в 2 раза меньше, по сравнению с результатами, полученными стандартным зондом.
Следует отметить, что рельеф поверхности, образованной в процессе литографии стандартным зондом, отличался от рельефа, полученного зондом с НС. В случае стандартного зонда наблюдались наплывы материала на границе реза (рисунок 7, а), практически отсутствующие при использовании зонда с НС (рисунок 7, б). По-видимому, это связано с тем, что НС имеет одинаковую площадь взаимодействия с поверхностью образца на всей глубине реза, тогда как площадь взаимодействия стандартного зонда в виде Si пирамидки увеличивается в процессе реза.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Для определения разрешающей способности были сформированы каналы с переменным периодом. Обнаружено, что с помощью зондов с НС можно создавать каналы с максимальной глубиной 9±1 нм, минимальной шириной 85±5 нм и минимальным расстоянием между ними 50 нм.
Также экспериментально продемонстрировано устойчивое манипулирование наночастицами (коллоидные сферы SiO2) размерами 100-300 нм на поверхности поликарбоната и на поверхности поликарбоната, покрытой золотой плёнкой с помощью зонда с НС. Наличие широкой плоскости у зондов с НС обеспечивает устойчивое перемещение наносфер по сравнению со стандартными зондами в виде пирамид.
Важным параметром зондов с НВ является их механическая устойчивость в процессе сканирования и литографии, определяемая модулем Юнга. Для измерения модуля Юнга углеродные НВ были сформированы на вершинах W игл, изготовленных с помощью электрохимического травления в 5% растворе KOH. Модуль Юнга измерялся двумя методами. При динамическом способе измерения модуль Юнга вычислялся из резонансной частоты колебаний НВ и составил Е=8,5±1,8 ГПа. При статическом способе модуль Юнга вычислялся по отклонению НВ под действием статической силы и составил величину Е=7,8±2,2 ГПа. Отдельно был измерен модуль Юнга Pt/С НВ статическим методом, который составил значения Е=59,5±3,5 ГПа. Измерение модуля Юнга Pt/С НВ динамическим методом было затруднено в связи с отсутствием точных данных о плотности структуры.
Стоит отметить, что относительная погрешность измерения модуля Юнга динамическим способом составила около 17%, статическим способом — около 25%, что объясняется более резкой зависимостью модуля Юнга от диаметра вискера в статическом методе (Е~1/d4) по сравнению с динамическим методом измерения (Е~1/d2).
Известно, что при использовании зондов с высоким аспектным отношением необходимо обеспечить ортогональное расположение оси НВ относительно плоскости образца. При несоблюдении этого условия на ССМ изображении могут возникать артефакты, обусловленные колебаниями зонда при двойном касании стенок объектов. Для исключения этого эффекта НВ формировался под углом 22,5±0,50 к оси Si пирамиды, что с учетом наклона кантилевера обеспечивало его ортогональную ориентацию к поверхности образца.
Зонды с НВ могут потерять механическую устойчивость, если сила прижима превысит некоторую критическую силу. В связи с этим проведен расчет критической силы потери устойчивости, который составил (1÷30) нН при изменении аспектного отношения НВ в диапазоне (100÷5), соответственно. Критическая сила для НС составила ~9 мкН. Учитывая, что характерные значения сил взаимодействия «зонд-образец» в ССМ составляют около 1 нН, а в случае литографии изменяются до 7,5 мкН, можно говорить об устойчивости разработанных зондов. Экспериментальные данные подтвердили механическую устойчивость зондов при многократных измерениях и проведении силовой литографии.
Важным разделом ССМ является магнитно-силовая микроскопия (МСМ), с помощью которой возможно изучение магнитных сил на поверхности образцов на микро- и наноуровне пространственного разрешения. Для оценки пространственного разрешения зондов с магнитными НВ проведено моделирование и экспериментальное изучение НВ с магнитным покрытием.
Результаты численного моделирования градиента силы, действующей со стороны поля на зонд, показали почти двукратное увеличение сигнала, детектируемого в МСМ, при одновременном увеличении крутизны фронта падения/роста сигнала от домена при использовании зонда с НВ с высоким аспектным отношением (рисунок 8). Максимальное значение градиента силы для НВ составило ~25 мкН/м, для стандартного зонда ~15 мкН/м, что говорит о почти двукратном улучшении чувствительности метода по контрасту.
Полученный результат объясняется тем, что область взаимодействия зонда и образца в случае применения зонда с высоким аспектным отношением является более локализованной.
Теоретические расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными (рисунок 9). В случае зонда с НВ наблюдается увеличение чувствительности по сдвигу фаз между возбуждающей силой магнитного поля образца и колебаниями зонда с 2,50 до 4,50, т.е. почти двое кратное увеличение фазового контраста метода МСМ.
В медицинских исследованиях повышается интерес по изучению тканей нативных биообъектов, в частности, изучение рельефа поверхности, сил адгезии, шероховатости, модуля Юнга с привлечением метода ССМ. Так, для изучения аортального стеноза важно изучение адгезионных свойств областей клапана сердца к микрокластерам гидроксиапатита, которые, как было показано, можно прикрепить к вершинам стандартных зондов.
Зонды с ГА были протестированы на калибровочной решетке TGQ01. Уширение вертикальной ступеньки составило значения, сопоставимые со стандартным зондом (~160±30 нм), что может объясняться тем, что при сканировании участвует наиболее выступающая часть асимметричного кластера ГА. Получены воспроизводимые изображения структуры областей тканей аортальных полулуний сердечного клапана. Проведено сравнение получаемых данных сил адгезии на разных участках сердечного клапана при использовании стандартного зонда и зонда с ГА.
Актуальным является совмещение методов ССМ и СМИП, что обусловлено отличным от ССМ механизмом получения изображения в СМИП режиме, уменьшением инвазивности исследований, возможностью проведения силовой литографии, а также потенциальным объединением с методом изучения ионных каналов клетки “patch-clamp”.
Проведено тестирование зондов-нанопипеток на тестовом объекте (полимерная реплика решетки TGZ). Исследованы зависимости изменения тока I (Z) и относительного изменения амплитуды A/Amax (Z) от расстояния, а также вольт-амперные характеристики. Показана необходимость периодической перезарядки электродов при сканировании. Проведена визуализация полиэтиленовой подложки методом СМИП и ССМ, показавшая хорошую корреляцию изображений, полученных разными методами. Показано, что локализация Au наносферы калиброванного диаметра ~200 нм позволяет улучшить взаимодействие и снизить шумы при сканировании. Так, для зонда-нанопипетки со сферой средние значения по высоте составили ~87±4 нм, тогда как для зонда-нанопипетки без сферы ~96±47 нм с учетом шума, что говорит о снижении шума более, чем в 10 раз.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
В четвертой главе приводятся результаты применения разработанных наноструктурированных зондов в различных областях науки и техники, а также выявление и устранение артефакта инверсии ССМ изображений. Приведены данные по изучению тонкой структуры мембран эритроцитов и нативных бактерий E.Coli зондами с НВ. Обнаружено, что при использовании зондов с НВ существенно повышается контраст и пространственное разрешение метода ССМ по сравнению со стандартными зондами. Так, при изучении одинаковых областей мембран эритроцитов были выявлены наноразмерные объекты, которые стандартным зондом обнаружить не удалось.
Ухудшение контраста и пространственного разрешения при использовании стандартных зондов может быть связано с капиллярными силами, возникающими между слоем сконденсированной влаги на поверхности образцов и кончике зонда в воздушной среде. Предполагается, что стандартный Si зонд, обладающий большей площадью взаимодействия за счёт малого аспектного отношения и гидрофобными свойствами, будет эффективно отталкиваться от поверхности, тогда как зонд с НВ, имеющий в составе Pt, обладающий пониженной площадью контакта и более гидрофильными свойствами, будет легко проникать через слой влаги и прорисовывать тонкую структуру объектов.
Измерена сила адгезии стандартных зондов и зондов с НВ к поверхности клеточной мембраны по кривым подвода/отвода к поверхности эритроцитов и заведомо гидрофильной поверхности Au пленки, нанесенной на Si пластину. Показания адгезии для Pt/C превысили показания стандартных зондов в (2-3) раза на эритроцитах и в (1,5-2) раза на Au пленках, что подтверждает большую степень гидрофильности зондов с НВ по сравнению со стандартными зондами и объясняет способность зондов с НВ визуализировать тонкую структуру образцов через слой влаги в воздушной среде.
Исследование биологических объектов в нативном состоянии проводилось в буфере PBS на бактериях E.Coli. Фиксация бактерий E.Coli осуществлялась при использовании агар- агара и желатина. Наилучшая иммобилизация была выявлена на агар-агаре с массовой долей 1,8 %, при этом для устранения набухания и деформации пленки агар-агара было решено нанести агар-агар на пластинку слюды. При исследовании бактерий E.Coli обнаружено существенное улучшение контраста и пространственного разрешения при использовании зондов с НВ (рисунок 13). На сечениях, измеренных в одном и том же месте, выявлено общее улучшение пространственного разрешения и точности отображения высот зондами с НВ (до 200 нм), а также замечена тонкая структура по периметру бактерии E.Coli.
Проведено препарирование клеток, заключающееся в надрезании мембран эритроцитов зондом с НС. Ниже приведены данные, полученные зондами с НС с жёсткостью кантилевера 4,5-5,5 Н/м (таблица 1). Надрезание производилось вручную перемещением кончика зонда относительно поверхности мембраны при скорости воздействия около 0,5 мкм/с. Модификация поверхности мембраны обнаружена при силах воздействия ~1 мкН на отдельных участках поверхности. При постепенном повышении силы до ~6,5 мкН начинается отслаивание мембраны от линии надреза, а при силах ~7,5 мкН проявляется внутренняя структура эритроцита под отслоившейся мембраной эритроцита.
Таблица 1. Средние значения силы воздействия зонда с НС на мембрану клетки и параметры каналов после надреза.
Проведено изучение возможных причин зарождения болезни аортального стеноза зондами с ГА. Выполнен анализ топологии поверхности эндотелия, в результате которого вычислена средняя шероховатость и гистограмма распределения высот поверхности. Установлено, что наиболее часто встречающиеся неровности лежат в диапазоне 30-60 нм, предположительно, выступающие над поверхностью ядра эндотелиоцитов. Сила адгезии определялась на участке кривой отвода (рисунок 14, в-г). Отклонение зонда, вызванное силами адгезии, определялось по длине проекции отрезка А-В на ось X (отрезок А’-В’).
Проведено свыше 500 последовательных измерений в случайных точках на поверхности сердечного клапана в зоне с общей площадью около 100 мм2. На основании кривых отвода были вычислены средние значения силы адгезии ~60 нН в области эндотелия и адгезии ~850 нН в области субэндотелиального слоя аортальных полулуний. В результате полученных данных можно сделать вывод, что сила адгезии субэндотелиального слоя в отношении ГА на порядок превышает силу адгезии ГА к эндотелиальному слою, что говорит о высокой степени формирования «ядра» солей кальция в субэндотелиальном слое аортальных полулуний, проявляющемся при повреждении эндотелия.
Проведена визуализация клеточной культуры CHO (Chinese Hamster Ovary) методами оптической микроскопии, ССМ и СМИП. Показана тонкая структуры мембраны поверхности над областью ядра клетки CHO, исследованная методом ССМ стандартным зондом и зондом с НВ. Выявлена наноразмерная структура мембраны клетки при использовании зонда с НВ, которая стандартным зондом не была обнаружена. В целом видна корреляция изображений, полученных методом ССМ и СМИП.
Демонстрируется применение зондов с НВ в задачах современной наноэлектроники, в частности, изучение поверхности GaN наностержней и SiO2 наносфер на поверхности светодиодов. Показано улучшение пространственного разрешения и точности отображения высот зондами с НВ при визуализации наностержней (глубина ~160 нм для стандартного зонда и ~240 нм для зонда с НВ) и границ отображения наносфер (диаметр ~250±75 нм при использовании зондов с НВ и ~400±100 нм при использовании стандартных зондов).
Выявлен и устранен артефакт инверсии изображения, проявляющийся в ССМ при визуализации наноканалов и нанопор. Детальный анализ СЗМ изображений эритроцитов показывает, что существуют области нанометровых размеров, визуализируемые как выпуклости на поверхности клеточной мембраны в случае применения стандартного зонда, и как впадины (поры) при использовании зонда с НВ в контактном и полуконтактном режимах.
Для выявления, какой из зондов дает адекватное изображение поверхности мембраны эритроцита, был изготовлен и исследован тестовый образец с заранее известной топологией рельефа в электронном резисте (наноканалы шириной менее 50 нм). Эффект инверсии также был обнаружен на поверхности пористого стекла К8, изготовленного кислотным травлением. Выявлено, что стандартный зонд визуализирует тестовые структуры как выступы над общей плоской поверхностью, в то время как зонд с НВ визуализирует правильную геометрию наноразмерных каналов. Детальный анализ показывает, что эффект инверсии контраста имеет место на каналах и порах с субмикронными размерами около 100 нм, при этом объекты с микронными размерами визуализируются структурно одинаково.
Артефакт инверсии объясняется тем, что стандартный гидрофобный зонд описывает поверхность образца, покрытую слоем влаги, тогда как гидрофильный Pt/C вискер, притягиваясь к поверхности образца сильнее (большая сила адгезии), проникает сквозь слой влаги, что обеспечивает ССМ визуализацию истинного рельефа поверхности.
В соответствии с уравнением Лапласа (2), давление паров воды над поверхностью водяных менисков в капиллярах со смачиваемыми стенками должно понижаться на величину
∆p=±2σ(1/R1+1/R2), (2)
где σ – поверхностное натяжение воды, R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности мениска. Символ (+) относится к выпуклым поверхностям в виде выпуклостей, а знак (-) относится к вогнутым поверхностям в виде пор.
Такое понижение давления способствует явлению капиллярной конденсации жидкостей в порах с малыми размерами.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Для итогового подтверждения артефакта инверсии, присущего стандартным зондам, исследована поверхность канала в резисте SU-8, обладающая гидрофобными свойствами, в которой конденсация влаги в наноканале не происходит. После обработки SU-8 раствором H2SO4 + H2O2 поверхность меняет свои свойства на гидрофильные, и в случае нормального атмосферного давления капли воды конденсируются в наноканале и нанопорах. Выявлено, что после обработки наноканал визуализируется стандартным зондом в виде возвышенности (рисунок 16, а). Таким образом, явление инверсии контраста действительно проявляется на стандартных зондах, в то время как зонд с гидрофильным Pt/C вискером проникает сквозь водяной мениск, прописывая нанопрофиль поверхности без артефакта, обеспечивая достоверность получаемых ССМ изображений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Отработана технология создания зондов разной формы: зондов-нановискеров и зондов-наноскальпелей при использовании метода ФЭП, закрепления кластеров (гидроксиапатит) на вершинах стандартных зондов с использованием адгезива, а также создание зондов-нанопипеток заданной формы с калиброванными сферами путем термического вытягивания и пьезоманипулирования.
2. Выполнен расчет механической устойчивости нановискерных структур, формируемых на вершинах зондов, проведено сравнение расчетных значений с реальными силами взаимодействия зондов с поверхностью. Измерен модуль Юнга нановискерных структур статическим и динамическим методом.
3. Проведена апробация наноструктурированных зондов в воздушной и жидкой средах при исследовании объектов различной природы, включая нативные биологические объекты (бактерии, клетки).
4. Проведено моделирование силового взаимодействия зондов-нановискеров с магнитным покрытием с магнитными доменами и проведена их апробация на тестовых образцах.
5. Проведено сравнение результатов, полученных при использовании наноструктурированных зондов с результатами, полученными от стандартных зондов.
6. Исследованы артефакты ССМ-изображений, такие как инверсия изображения на гидрофильных поверхностях, особенности отображения вертикальных стенок в жидкости и шумы при многократном касании объектов зондами с высоким аспектным отношением.
Благодарности
Автор очень признателен своему научному руководителю А.О. Голубку. Автор отдельно благодарит сотрудников Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова, Института Аналитического Приборостроения РАН, Института Физиологии им. И.П. Павлова РАН, Института Цитологии РАН, Академического университета РАН, Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, сотрудников компании НТ-СПб. Автор особенно благодарен своей семье за помощь и поддержку.
Результаты диссертации изложены в следующих работах:
В изданиях, входящих в перечень ВАК и международные системы цитирования (WoS, Scopus):
1. M. V. Zhukov, I. V. Kukhtevich, V. V. Levichev, I. S. Mukhin and A. O. Golubok. Specialized probes with nanowhisker structures for scanning probe microscopy // J. Phys.: Conf. Ser. 2014. Vol. 541. № 1. P. 012042 (6pp).
2. I.S. Mukhin, I.V. Fadeev, M.V. Zhukov, V.G. Dubrovskii, A.O. Golubok. Framed carbon nanostructures: Synthesis and applications in functional SPM tips // Ultramicroscopy. 2015. Vol. 148. P. 151–157.
3. M. V. Zhukov, I. S. Mukhin, V. V. Levichev, and A. O. Golubok. Investigation of the Contrast Inversion Effect on Hydrophilic Surfaces Using Pt/C Whisker Probes in a Scanning Force Microscope // Technical Physics Letters. 2015. Vol. 41. № 2. P. 149–152.
4. M.V. Zhukov, K.I. Belousov, A.M. Mozharov, I.S. Mukhin, A.O. Golubok. Specialized probes with nanowhisker structures for high-resolution magnetic force microscopy // J. Phys.: Conf. Ser. 2015. Vol. 643. P. 012095 (5pp).
5. Mikhail Zhukov, Nikolai Gulyaev, and Alexander Golubok. Specialized probes based on hydroxyapatite calcium for heart tissues research by atomic force microscopy // AIP Conf. Proc. 2016. Vol. 1748. P. 020010 (6pp).
6. M.V. Zhukov, V.V. Lysak, I.S. Mukhin, A.O. Golubok. High-precision investigation of nanorod and nanosphere topological structures for nanoelectronic issues by means of atomic- force microscopy // J. Phys.: Conf. Ser. 2016. Vol. 741, №1. P. 012003 (6pp).
7. M.V. Zhukov, I.S. Mukhin, A.O. Golubok. Development and approbation of nanoscalpels based probes for atomic force microscopy in the field of plasmonics // J. Phys.: Conf. Ser., 2017. Vol. 816. № 1. P. 012037 (6pp).
8. М.В. Жуков, И.С. Мухин, В.В. Левичев, А.О. Голубок. Об инверсии контраста при визуализации гидрофильных поверхностей методом силовой микроскопии с использованием зондов на основе Pt/C-вискеров // Письма в ЖТФ. 2015. T. 5. № 41. С. 96–102.
9. М.В. Жуков, И.В. Кухтевич Особенности проведения измерений в жидких средах методом атомно-силовой микроскопии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 6. С. 1056–1062.
10. Гуляев Н.И., Жуков М.В., Голубок А.О., Куранов Г.Л., Борисов Ю.А., Суглобова Е.Д., Кузнецов В.В., Перемышленко А.С., Гордиенко А.В., Костина О.В. Характеристика
адгезивных свойств эндотелия и субэндотелиальных структур аортальных полулуний у больных кальцинирующим аортальным стенозом // Клиническая медицина. 2017. Т. 95.
№4. С. 350–355
11. Гуляев Н.И., Жуков М.В., Куранов Г.Л., Борисов Ю.А., Суглобова Е.Д., Ястребов С.Г., Кузнецов В.В., Перемышленко А.С. Гордиенко А.В., Костина О.В., Пелешок А.С. Изучение адгезивных свойств областей аортальных полулуний и атеросклеротических бляшек при поражении кальцинирующим аортальным стенозом // Ульяновский Медико- Биологический Журнал. 2017. №1. С. 23–31.
12. Гуляев Н.И., Кузнецов В.В., Жуков М.В. Новые морфофункциональные элементы патогенеза кальцинирующего аортального стеноза // Военно-Медицинский Журнал. 2017. Т. СССХХХVIII. № 2. С. 66–68.
Публикации в других изданиях:
По результатам работы опубликовано 22 публикации в других изданиях, включая тезисы международных и всероссийских конференций, наиболее важные из которых:
1. M.V. Zhukov, K.I. Belousov, A.M. Mozharov, I.S. Mukhin, A.O. Golubok. Specialized probes with nanowhisker structures for high-resolution magnetic force microscopy // Book of abstracts. 2nd International School and Conference «Saint-Petersburg OPEN 2015». – St. Petersburg: Academic University Publishing, 2015. – P. 356–357.
2. M.V. Zhukov, V.V. Lysak, I.S. Mukhin, A.O. Golubok. High-precision investigation of nanorod and nanosphere topological structures for nanoelectronic issues by means of atomic- force microscopy // Book of abstracts. 3nd International School and Conference «Saint- Petersburg OPEN 2016». – St. Petersburg: Academic University Publishing, 2016. – P. 118– 120.
3. Zhukov M.V., Gulyaev N.I., Golubok A.O. Specialized nanoprobes based on hydroxyapatite calcium for heart tissues research by atomic force microscopy // V International Scientific conference STRANN 2016. Abstracts, 2016. – P.137–139.
4. Zhukov M.V., Mukhin I.S., Mozharov A.M., Golubok A.O. Features of hydrophilic surface visualization by means of scanning probe microscopy // V International Scientific conference STRANN 2016. Abstracts, 2016. – P.140–142.
5. M.V. Zhukov, I.D. Sapozhnikov, A.O. Golubok, V.I. Chubinskiy-Nadezhdin. Scanning ion- conductance microscope // Book of abstracts. 4th International School and Conference «Saint- Petersburg OPEN 2017». – St. Petersburg: Academic University Publishing, 2017. – P. 215– 217.