Skenovací sondový mikroskop

Pod termínem Skenovací sondový mikroskop Existuje celá řada mikroskopů a souvisejících metod měření, které se používají k analýze povrchů. Tyto techniky jsou proto součástí fyziky povrchu a rozhraní. Mikroskopy snímací sondy se vyznačují tím, že měřicí sonda je vedena po povrchu v malé vzdálenosti.

Co je skenovací sondový mikroskop?

Všechny typy mikroskopů, ve kterých je obraz vytvořen v důsledku interakce mezi sondou a vzorkem, se označují jako skenovací sondové mikroskopy. To odlišuje tyto metody od světelné mikroskopie a skenovací elektronové mikroskopie. Zde se nepoužívají optické ani elektronově optické čočky.

S mikroskopem skenovací sondy je povrch vzorku skenován kousek po kousku pomocí sondy. Tímto způsobem se získají naměřené hodnoty pro každý jednotlivý bod, které se pak spojí a vytvoří digitální obraz.

Metoda skenovací sondy byla poprvé vyvinuta a představena v roce 1981 Rohrerem a Binnigem. Je založen na tunelovém efektu, který vzniká mezi kovovým hrotem a vodivým povrchem. Tento efekt tvoří základ pro všechny mikroskopické metody skenovací sondy vyvinuté později.

Tvary, typy a typy

Existují různé typy skenovacích sondových mikroskopů, které se liší především s ohledem na interakci mezi sondou a vzorkem. Výchozím bodem byla skenovací tunelová mikroskopie, která v roce 1982 poprvé umožnila atomově rozlišené znázornění elektricky vodivých povrchů. V následujících letech se vyvinula řada dalších metod skenovací sondy.

Pomocí skenovacího tunelového mikroskopu je mezi povrch vzorku a špičku přivedeno napětí. Proud tunelu se měří mezi vzorkem a špičkou, které se rovněž nesmí dotýkat. V roce 1984 se objevila optická mikroskopie blízkého pole. Zde je světlo vysíláno vzorkem ze sondy. V mikroskopu atomové síly je sonda odkloněna pomocí atomových sil. Obvykle se používají takzvané van der Waalsovy síly. Vychylování sondy má úměrný vztah k síle, která je určena podle pružinové konstanty sondy.

Atomová síla mikroskopie byla vyvinuta v roce 1986. Mikroskopy atomové síly zpočátku pracovaly na základě špičky tunelu, která funguje jako detektor. Tento konec tunelu určuje skutečnou vzdálenost mezi povrchem vzorku a senzorem. Tato technologie využívá napětí tunelu, které existuje mezi zadní stranou senzoru a detekční špičkou.

V dnešní době byla tato metoda z velké části nahrazena principem detekce, s detekcí pomocí laserového paprsku, který funguje jako ukazatel světla. Toto je také známé jako laserový silový mikroskop. Kromě toho byl vyvinut mikroskop s magnetickou silou, ve kterém magnetické síly mezi sondou a vzorkem slouží jako základ pro stanovení naměřených hodnot.

V roce 1986 byl také vyvinut skenovací termální mikroskop, ve kterém malý senzor funguje jako skenovací sonda. K dispozici je také tzv. Optický skenovací mikroskop blízkého pole, ve kterém interakce mezi sondou a vzorkem sestává z evanescentních vln.

Struktura a funkčnost

V zásadě mají všechny typy mikroskopů skenovací sondy společné to, že skenují povrch vzorku v mřížce. Je použita interakce mezi sondou mikroskopu a povrchem vzorku. Tato interakce se liší v závislosti na typu rastrovacího mikroskopu. Sonda je obrovská ve srovnání s testovaným vzorkem, a přesto je schopna určit drobné povrchové vlastnosti vzorku. V tomto bodě je zvláště důležitý atom na špičce sondy.

S pomocí mikroskopie skenovací sondy je možné rozlišení až 10 pikometrů. Pro srovnání: velikost atomů je v rozmezí 100 pikometrů. Přesnost světelných mikroskopů je omezena vlnovou délkou světla. Z tohoto důvodu jsou u tohoto typu mikroskopu možná pouze rozlišení přibližně 200 až 300 nanometrů. To odpovídá zhruba polovině vlnové délky světla. Proto se v rastrovacím elektronovém mikroskopu místo světla používají elektronové paprsky. Zvýšením energie může být vlnová délka teoreticky zkrácena podle potřeby. Nicméně příliš malá vlnová délka by zničila vzorek.

Zdravotní a zdravotní přínosy

Pomocí mikroskopu skenovací sondy není možné pouze skenovat povrch vzorku. Místo toho lze jednotlivé atomy ze vzorku odstranit a znovu uložit na určené místo.

Od počátku 80. let se vývoj mikroskopie skenovací sondy rychle rozvíjel. Nové možnosti zlepšení rozlišení daleko méně než mikrometr byly základním předpokladem pro pokrok v oblasti nanověd a nanotechnologií, k tomuto vývoji došlo zejména od 90. let 20. století.

Na základě základních metod skenovací sondové mikroskopie je dnes rozděleno mnoho dalších dílčích metod. Ty využívají různých typů interakce mezi špičkou sondy a povrchem vzorku.

Mikroskopy skenovací sondy hrají zásadní roli ve výzkumných oblastech, jako je nanochemie, nanobiologie, nanobiochemie a nanomedicína. Mikroskopy snímací sondy se dokonce používají k prozkoumání jiných planet, jako je Mars.

Mikroskopy snímací sondy používají speciální polohovací techniku ​​založenou na takzvaném piezo efektu. Zařízení pro pohyb sondy je řízeno počítačem a umožňuje velmi přesné polohování. To umožňuje kontrolované skenování povrchů vzorků a výsledky měření lze kombinovat do displeje s extrémně vysokým rozlišením.