Скануючий зондовий мікроскоп

Під терміном Скануючий зондовий мікроскоп Існує ряд мікроскопів і пов'язаних з ними методів вимірювання, які використовуються для аналізу поверхонь. Отже, ці методи є частиною фізики поверхні та інтерфейсу. Скануючі зондові мікроскопи відрізняються тим, що вимірювальний зонд проводиться поверхнею на невеликій відстані.

Що таке скануючий мікроскоп?

Усі типи мікроскопів, у яких зображення створюється в результаті взаємодії зонда і зразка, називаються скануючими зондовими мікроскопами. Це відрізняє ці методи як від світлової мікроскопії, так і від скануючої електронної мікроскопії. Тут не використовуються ні оптичні, ні електронно-оптичні лінзи.

За допомогою скануючого зондового мікроскопа поверхня зразка сканується долотно за допомогою зонда. Таким чином отримуються вимірювані значення для кожної окремої точки, які потім об'єднують для створення цифрового зображення.

Метод сканування зонду вперше був розроблений та представлений у 1981 році Рорером та Біннігом. Він заснований на тунельному ефекті, який виникає між металевим наконечником та провідною поверхнею. Цей ефект є основою для всіх методів сканування зондової мікроскопії, розроблених пізніше.

Форми, типи та типи

Існують різні типи скануючих зондових мікроскопів, які відрізняються насамперед щодо взаємодії між зондом та зразком. Вихідною точкою стала скануюча тунельна мікроскопія, яка в 1982 р. Вперше дала можливість атомно вирішити зображення електропровідних поверхонь. Протягом наступних років розроблено численні інші методи сканувальної мікроскопії.

За допомогою скануючого тунельного мікроскопа між поверхнею зразка та наконечником подається напруга. Тунельний струм вимірюється між зразком і наконечником, які також не дозволяють торкатися. У 1984 році з'явилася оптична мікроскопія поблизу поля. Сюди через зразок зонда направляється світло. В атомно-силовому мікроскопі зонд відхиляється за допомогою атомних сил. Зазвичай використовують так звані сили ван дер Ваальса. Відхилення зонда має пропорційне відношення до сили, яка визначається відповідно до постійної пружини зонда.

Атомно-силова мікроскопія була розроблена в 1986 році. На початку мікроскопи атомної сили працювали на основі наконечника тунелю, який виконує роль детектора. Цей наконечник тунелю визначає фактичну відстань між поверхнею зразка та датчиком. Технологія використовує тунельне напруга, яке існує між задньою стороною датчика та наконечником виявлення.

В даний час цей метод значною мірою замінився принципом виявлення, при виявленні використовуючи лазерний промінь, який функціонує як світловий вказівник. Це також відомо як лазерний силовий мікроскоп. Крім того, був розроблений магнітний силовий мікроскоп, в якому магнітні сили між зондом і зразком служать основою для визначення виміряних значень.

У 1986 році був також розроблений скануючий тепловий мікроскоп, в якому крихітний датчик функціонує як скануючий зонд. Існує також так званий оптичний скануючий мікроскоп поблизу поля, при якому взаємодія між зондом і зразком складається з хвиль, що спускаються.

Структура та функціональність

У принципі, всі типи скануючих мікроскопів мають спільне те, що вони сканують поверхню зразка сіткою. Використовується взаємодія між зондом мікроскопа та поверхнею зразка. Ця взаємодія відрізняється залежно від типу скануючого мікроскопа. Зонд величезний порівняно з досліджуваним зразком, і все ж він здатний визначити крихітні особливості поверхні зразка. Найперший атом на кінчику зонда особливо актуальний у цій точці.

За допомогою скануючої зондової мікроскопії можливі дозволи до 10 пікометрів. Для порівняння: розмір атомів знаходиться в межах 100 пікометрів. Точність світлових мікроскопів обмежена довжиною хвилі світла. З цієї причини за допомогою мікроскопа такого типу можливі лише роздільні здатності приблизно від 200 до 300 нанометрів. Це відповідає приблизно половині довжини хвилі світла. Тому електронний промінь використовується замість світла в скануючому електронному мікроскопі. Збільшуючи енергію, теоретично довжина хвилі може бути зроблена якомога коротше. Однак занадто мала довжина хвилі знищила б зразок.

Медичні та переваги для здоров'я

За допомогою скануючого зондового мікроскопа не тільки можливо сканувати поверхню зразка. Натомість окремі атоми також можуть бути вилучені із зразка та знову відкладені у визначеному місці.

З початку 1980-х років розвиток скануючої зондової мікроскопії швидко просунувся. Нові можливості вдосконаленої роздільної здатності набагато менше мікрометра були важливою передумовою прогресу в нанонауках та нанотехнологіях, особливо це відбулося з 1990-х років.

На основі основних методів скануючої зондової мікроскопії нині поділяються численні інші під-методи. Вони використовують переваги різних типів взаємодії між наконечником зонда та поверхнею зразка.

Скануючі зондові мікроскопи відіграють важливу роль у таких галузях досліджень, як нанохімія, нанобіологія, нанобіохімія та наномедицина. Скануючі зондові мікроскопи використовуються навіть для дослідження інших планет, таких як Марс.

Скануючі зондові мікроскопи використовують спеціальну техніку позиціонування, засновану на так званому п’єзоефекті. Апарат для переміщення зонда керується комп'ютером і забезпечує високоточне позиціонування. Це дозволяє контролювати поверхні зразків контрольованим чином, а результати вимірювань об'єднувати в дисплей з надзвичайно високою роздільною здатністю.