eng
Выпуск #8/2016
Г.Мешков, О.Синицына, И.Яминский
Cовмещенная сканирующая ион-проводящая, электрохимическая и пьезоэлектрохимическая микроскопия поверхностей материалов
Cовмещенная сканирующая ион-проводящая, электрохимическая и пьезоэлектрохимическая микроскопия поверхностей материалов
Просмотры: 4037
Разработана экспериментальная установка для реализации сканирующей капиллярной микроскопии, сканирующей электрохимической микроскопии и сканирующей пьезоэлектрохимической микроскопии.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.74.77
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.74.77
Отличительной чертой современной сканирующей зондовой микроскопии является возможность одновременного исследования поверхности материалов различными способами.
Сканирующая ион-проводящая микроскопия, которая в ее широком применении также называется сканирующей капиллярной микроскопией, впервые была реализована Полом Хансма в 1989 году [1]. Существенное дальнейшее развитие она получила в работах научной группы профессора Ю.Корчева [2, 3]. Сканирующий ион-проводящий микроскоп позволяет наблюдать объекты в жидкости (электролите) с микронным и нанометровым пространственным разрешением. Применение многоканальных капилляров существенно расширяет возможности этой разновидности микроскопии. Один канал может служить для позиционирования капилляра над поверхностью образца, в то время как другие каналы можно использовать для направленного массопереноса веществ – атомной или молекулярной 3D-печати. Заполняя канал капилляра проводящим материалом, можно с помощью такого электрода реализовать режим сканирующей электрохимической микроскопии.
Сканирующая пьезоэлектрохимическая микроскопия (СПМ) реализуется в атомно-силовой микроскопии следующим образом. Для измерений используется проводящий кантилевер, находящийся в контакте с поверхностью исследуемого образца. Прикладываемая разность потенциалов между проводящим кантилевером и образцом приводит к перемещению ионов, которое вызывает деформацию поверхности образца, регистрируемую с нанометровым пространственным разрешением по отклонению кантилевера. Получаемое изображение говорит о характере ионных потоков в поверхностном слое образца. Этот метод является весьма информативным при изучении свойств поверхности энергонакопителей, литий-ионных батарей, конденсаторов и пр. Например, СПМ позволяет заметить изменение параметра решетки катодного материала LixCоO2 вдоль нормали к поверхности на величину в 40 пм в процессе зарядки / разрядки литий-ионного источника тока [4].
Если одновременно подавать на образец постоянное и переменное напряжение, измеряя положение кантилевера и величину тока, протекающего по цепи образец-кантилевер, как указано на рис.1, то можно получать информацию как о величине тока, так и о сопутствующих деформациях поверхности.
Аппаратура для реализации сканирующей капиллярной микроскопии, сканирующей электрохимической микроскопии и сканирующей пьезоэлектрохимической микроскопии должна обеспечивать возможности измерения электрических токов в пико- и субпикоамперном диапазонах и регистрации перемещения образца в пикометровом диапазоне частот. Для этих целей авторами разработана экспериментальная установка на базе сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" и быстродействующего микроскопа "ФемтоСкан Х", которая характеризуется следующими параметрами:
• точность позиционирования по нормали к образцу на уровне 0,1 пм (среднеквадратичное значение);
• погрешность измерения входного тока на уровне 0,1 пА (среднеквадратичное значение);
• диапазон постоянного электрического напряжения, приложенного между зондом и образцом, – от 0 до 9 В при точности установки 16 бит;
• диапазон переменного напряжения, поступающего на переход зонд-образец, – от 0,001 Гц до 10 МГц при точности установки частоты 32 бит;
• диапазон амплитуды переменного напряжения 0–500 мВ.
Программирование установки для совмещенной микроскопии выполнено на кросс-платформенной системе Qt на языке C++. Такое решение позволяет запускать созданное программное обеспечение в подавляющем большинстве современных операционных систем. При этом не возникает необходимости в изменении кода для каждой конкретной операционной системы.
Для определения точности позиционирования на уровне 0,1 пм использовался разработанный ранее эталон нанометра [5, 6], основанный на обратном пьезоэффекте. При приложении разности потенциалов U к электродам пьезопластинки ее толщина изменяется на величину Z в соответствии с соотношением Z = d33 · U, где d33 – величина пьезомодуля. При малых управляющих напряжениях данное соотношение имеет линейный характер. Это позволяет реализовать перемещение на существенно меньшую величину, чем нанометр. Так, уменьшая прикладываемое к электродам пластинки (эталона нанометра) напряжение в 1 000 раз, мы получаем перемещение на 1 пм.
В сканирующем зондовом микроскопе "ФемтоСкан Х" измерение всех входящих сигналов, а также управление всеми выходящими сигналами осуществлено на частоте 1 МГц. Используемый на входе быстродействующий мультиплексор позволяет измерять одновременно до 16 входящих сигналов, что особенно важно в таких применениях, как комплексное измерение характеристик материалов.
Изображение механических систем сканирующих зондовых микроскопов представлено на рис.2.
Настоящая работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 16-29-06290 ОФИ-М).
ЛИТЕРАТУРА
1. Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A., Prater C.B. The scanning ion-conductance microscope // Science. 1989. 243. 641.
2. Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J., Ostanin V.P., Lab M.J. et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy // Nat. Methods. 2009. 6. 279–281.
3. Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Cordoba A.L., Novak P., Shevchuck A.I., Dougan J.A., Kazarian S.G., Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Yaminsky I.V., Unwin P.R., Schuhmann W., Klenerman D., Rusakov D.A., Sviderskaya E.V., Korchev Y.E. Electrochemical Nanoprobes for Single-Cell Analysis // ACS Nano. 2014. 8 (1). 875–884.
4. Amatucci G.G., Tarascon J.M., Klein L.C. CoO2, the end member of the LixCoO2solid solution // J. Electrochem. Soc. 1996. 143. 1 114–1 123.
5. Голубев С., Захарьин В., Мешков Г., Токунов Ю., Яминский Д., Яминский И. Калибровка зондовых микроскопов. Динамическая мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 8 (38). C. 42–46.
6. Мешков Г., Синицына О., Яминский Д., Яминский И. Динамическая измерительная мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 6 (36). C. 40–43.
Сканирующая ион-проводящая микроскопия, которая в ее широком применении также называется сканирующей капиллярной микроскопией, впервые была реализована Полом Хансма в 1989 году [1]. Существенное дальнейшее развитие она получила в работах научной группы профессора Ю.Корчева [2, 3]. Сканирующий ион-проводящий микроскоп позволяет наблюдать объекты в жидкости (электролите) с микронным и нанометровым пространственным разрешением. Применение многоканальных капилляров существенно расширяет возможности этой разновидности микроскопии. Один канал может служить для позиционирования капилляра над поверхностью образца, в то время как другие каналы можно использовать для направленного массопереноса веществ – атомной или молекулярной 3D-печати. Заполняя канал капилляра проводящим материалом, можно с помощью такого электрода реализовать режим сканирующей электрохимической микроскопии.
Сканирующая пьезоэлектрохимическая микроскопия (СПМ) реализуется в атомно-силовой микроскопии следующим образом. Для измерений используется проводящий кантилевер, находящийся в контакте с поверхностью исследуемого образца. Прикладываемая разность потенциалов между проводящим кантилевером и образцом приводит к перемещению ионов, которое вызывает деформацию поверхности образца, регистрируемую с нанометровым пространственным разрешением по отклонению кантилевера. Получаемое изображение говорит о характере ионных потоков в поверхностном слое образца. Этот метод является весьма информативным при изучении свойств поверхности энергонакопителей, литий-ионных батарей, конденсаторов и пр. Например, СПМ позволяет заметить изменение параметра решетки катодного материала LixCоO2 вдоль нормали к поверхности на величину в 40 пм в процессе зарядки / разрядки литий-ионного источника тока [4].
Если одновременно подавать на образец постоянное и переменное напряжение, измеряя положение кантилевера и величину тока, протекающего по цепи образец-кантилевер, как указано на рис.1, то можно получать информацию как о величине тока, так и о сопутствующих деформациях поверхности.
Аппаратура для реализации сканирующей капиллярной микроскопии, сканирующей электрохимической микроскопии и сканирующей пьезоэлектрохимической микроскопии должна обеспечивать возможности измерения электрических токов в пико- и субпикоамперном диапазонах и регистрации перемещения образца в пикометровом диапазоне частот. Для этих целей авторами разработана экспериментальная установка на базе сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" и быстродействующего микроскопа "ФемтоСкан Х", которая характеризуется следующими параметрами:
• точность позиционирования по нормали к образцу на уровне 0,1 пм (среднеквадратичное значение);
• погрешность измерения входного тока на уровне 0,1 пА (среднеквадратичное значение);
• диапазон постоянного электрического напряжения, приложенного между зондом и образцом, – от 0 до 9 В при точности установки 16 бит;
• диапазон переменного напряжения, поступающего на переход зонд-образец, – от 0,001 Гц до 10 МГц при точности установки частоты 32 бит;
• диапазон амплитуды переменного напряжения 0–500 мВ.
Программирование установки для совмещенной микроскопии выполнено на кросс-платформенной системе Qt на языке C++. Такое решение позволяет запускать созданное программное обеспечение в подавляющем большинстве современных операционных систем. При этом не возникает необходимости в изменении кода для каждой конкретной операционной системы.
Для определения точности позиционирования на уровне 0,1 пм использовался разработанный ранее эталон нанометра [5, 6], основанный на обратном пьезоэффекте. При приложении разности потенциалов U к электродам пьезопластинки ее толщина изменяется на величину Z в соответствии с соотношением Z = d33 · U, где d33 – величина пьезомодуля. При малых управляющих напряжениях данное соотношение имеет линейный характер. Это позволяет реализовать перемещение на существенно меньшую величину, чем нанометр. Так, уменьшая прикладываемое к электродам пластинки (эталона нанометра) напряжение в 1 000 раз, мы получаем перемещение на 1 пм.
В сканирующем зондовом микроскопе "ФемтоСкан Х" измерение всех входящих сигналов, а также управление всеми выходящими сигналами осуществлено на частоте 1 МГц. Используемый на входе быстродействующий мультиплексор позволяет измерять одновременно до 16 входящих сигналов, что особенно важно в таких применениях, как комплексное измерение характеристик материалов.
Изображение механических систем сканирующих зондовых микроскопов представлено на рис.2.
Настоящая работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 16-29-06290 ОФИ-М).
ЛИТЕРАТУРА
1. Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A., Prater C.B. The scanning ion-conductance microscope // Science. 1989. 243. 641.
2. Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., Smart T.G., Gorelik J., Ostanin V.P., Lab M.J. et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy // Nat. Methods. 2009. 6. 279–281.
3. Actis P., Tokar S., Clausmeyer J., Babakinejad B., Mikhaleva S., Cornut R., Takahashi Y., Cordoba A.L., Novak P., Shevchuck A.I., Dougan J.A., Kazarian S.G., Gorelkin P.V., Erofeev A.S., Yaminsky I.V., Unwin P.R., Schuhmann W., Klenerman D., Rusakov D.A., Sviderskaya E.V., Korchev Y.E. Electrochemical Nanoprobes for Single-Cell Analysis // ACS Nano. 2014. 8 (1). 875–884.
4. Amatucci G.G., Tarascon J.M., Klein L.C. CoO2, the end member of the LixCoO2solid solution // J. Electrochem. Soc. 1996. 143. 1 114–1 123.
5. Голубев С., Захарьин В., Мешков Г., Токунов Ю., Яминский Д., Яминский И. Калибровка зондовых микроскопов. Динамическая мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 8 (38). C. 42–46.
6. Мешков Г., Синицына О., Яминский Д., Яминский И. Динамическая измерительная мера "Нанометр" // Наноиндустрия. 2012. № 6 (36). C. 40–43.
Отзывы читателей
