Zgodnie z terminem Mikroskop z sondą skanującą Istnieje wiele mikroskopów i powiązanych metod pomiarowych, które są używane do analizy powierzchni. Techniki te są zatem częścią fizyki powierzchni i interfejsu. Mikroskopy z sondami skanującymi charakteryzują się tym, że sonda pomiarowa jest prowadzona po powierzchni z niewielkiej odległości.
Co to jest mikroskop z sondą skanującą?
Wszystkie typy mikroskopów, w których obraz powstaje w wyniku interakcji między sondą a próbką, nazywane są mikroskopami z sondą skanującą. To odróżnia te metody zarówno od mikroskopii świetlnej, jak i skaningowej mikroskopii elektronowej. Nie używa się tutaj soczewek optycznych ani elektronowo-optycznych.
W przypadku mikroskopu z sondą skanującą powierzchnia próbki jest skanowana krok po kroku za pomocą sondy. W ten sposób dla każdego punktu uzyskuje się zmierzone wartości, które są następnie łączone w celu utworzenia cyfrowego obrazu.
Metoda sondy skanującej została po raz pierwszy opracowana i zaprezentowana w 1981 roku przez Rohrera i Binniga. Opiera się na efekcie tunelu, który powstaje między metalową końcówką a przewodzącą powierzchnią. Efekt ten stanowi podstawę wszystkich opracowanych później metod mikroskopii z sondą skanującą.
Kształty, typy i typy
Istnieją różne typy mikroskopów z sondą skanującą, które różnią się przede wszystkim interakcją między sondą a próbką. Punktem wyjścia była skaningowa mikroskopia tunelowa, która w 1982 r. Po raz pierwszy umożliwiła atomowo-rozdzielczą reprezentację powierzchni przewodzących prąd. W następnych latach rozwinęło się wiele innych metod mikroskopii sond skanujących.
W skanującym mikroskopie tunelowym napięcie jest przykładane między powierzchnią próbki a końcówką. Prąd tunelowy jest mierzony między próbką a końcówką, których również nie wolno dotykać. W 1984 roku pojawiła się optyczna mikroskopia bliskiego pola. Tutaj światło jest przesyłane przez próbkę z sondy. W mikroskopie sił atomowych sonda jest odchylana za pomocą sił atomowych. Zwykle stosuje się tak zwane siły van der Waalsa. Wychylenie sondy ma proporcjonalną zależność od siły, która jest określana zgodnie ze stałą sprężystości sondy.
Mikroskopia sił atomowych została opracowana w 1986 roku. Początkowo mikroskopy sił atomowych działały w oparciu o końcówkę tunelu, która pełni rolę detektora. Ta końcówka tunelu określa rzeczywistą odległość między powierzchnią próbki a czujnikiem. Technologia wykorzystuje napięcie tunelowe, które istnieje między tyłem czujnika a końcówką detekcyjną.
Obecnie metoda ta została w dużej mierze zastąpiona zasadą wykrywania, polegającą na wykrywaniu za pomocą wiązki laserowej pełniącej funkcję wskaźnika świetlnego. Jest to również znane jako laserowy mikroskop sił. Ponadto opracowano mikroskop sił magnetycznych, w którym siły magnetyczne między sondą a próbką służą jako podstawa do wyznaczania mierzonych wartości.
W 1986 roku opracowano również skaningowy mikroskop termiczny, w którym mały czujnik pełni rolę sondy skanującej. Istnieje również tak zwany optyczny mikroskop skaningowy bliskiego pola, w którym oddziaływanie między sondą a próbką polega na zanikających falach.
Struktura i funkcjonalność
W zasadzie wszystkie typy mikroskopów z sondą skanującą mają wspólną cechę, że skanują powierzchnię próbki w siatce. Wykorzystuje się interakcję między sondą mikroskopu a powierzchnią próbki. Ta interakcja różni się w zależności od typu mikroskopu z sondą skanującą. Sonda jest ogromna w porównaniu do badanej próbki, a mimo to jest w stanie określić drobne cechy powierzchni próbki. W tym momencie szczególnie istotny jest przedni atom na końcu sondy.
Przy pomocy mikroskopii z sondą skanującą możliwe są rozdzielczości do 10 pikometrów. Dla porównania: wielkość atomów mieści się w przedziale 100 pikometrów. Dokładność mikroskopów świetlnych jest ograniczona długością fali światła. Z tego powodu w przypadku tego typu mikroskopów możliwe są tylko rozdzielczości od około 200 do 300 nanometrów. Odpowiada to mniej więcej połowie długości fali światła. Dlatego w skaningowym mikroskopie elektronowym zamiast światła stosuje się wiązki elektronów. Zwiększając energię, teoretycznie długość fali może być tak krótka, jak potrzeba. Jednak zbyt mała długość fali mogłaby zniszczyć próbkę.
Korzyści medyczne i zdrowotne
Za pomocą mikroskopu z sondą skanującą można nie tylko zeskanować powierzchnię próbki. Zamiast tego pojedyncze atomy można również usunąć z próbki i ponownie umieścić w określonym miejscu.
Od wczesnych lat 80-tych rozwój mikroskopii z sondą skanującą postępował szybko. Nowe możliwości poprawy rozdzielczości znacznie mniejszej niż mikrometr były niezbędnym warunkiem wstępnym postępu w nanonaukach i nanotechnologii Rozwój ten ma miejsce zwłaszcza od lat 90-tych XX wieku.
W oparciu o podstawowe metody mikroskopii sondą skanującą dzieli się obecnie wiele innych podmetod. Wykorzystują one różne rodzaje interakcji między końcówką sondy a powierzchnią próbki.
Mikroskopy z sondami skanującymi odgrywają istotną rolę w takich dziedzinach badań, jak nanochemia, nanobiologia, nanobiochemia i nanomedycyna. Mikroskopy z sondami skanującymi są nawet używane do badania innych planet, takich jak Mars.
Mikroskopy z sondą skanującą wykorzystują specjalną technikę pozycjonowania opartą na tzw. Efekcie piezoelektrycznym. Aparat do przesuwania sondy sterowany jest przez komputer i umożliwia bardzo precyzyjne pozycjonowanie. Pozwala to na skanowanie powierzchni próbek w kontrolowany sposób i połączenie wyników pomiarów w wyświetlacz o niezwykle wysokiej rozdzielczości.
.jpg)
