Сканирующий зондовый микроскоп

Под термином Сканирующий зондовый микроскоп Существует ряд микроскопов и связанных с ними методов измерения, которые используются для анализа поверхностей. Таким образом, эти методы являются частью физики поверхности и интерфейса. Сканирующие зондовые микроскопы отличаются тем, что измерительный зонд проводят по поверхности на небольшом расстоянии.

Что такое сканирующий зондовый микроскоп?

Все типы микроскопов, в которых изображение создается в результате взаимодействия между зондом и образцом, называются сканирующими зондовыми микроскопами. Это отличает эти методы как от световой микроскопии, так и от растровой электронной микроскопии. Здесь не используются ни оптические, ни электронно-оптические линзы.

В сканирующем зондовом микроскопе поверхность образца постепенно сканируется с помощью зонда. Таким образом, измеренные значения получаются для каждой отдельной точки, которые затем объединяются для создания цифрового изображения.

Метод сканирующего зонда был впервые разработан и представлен в 1981 году Рорером и Биннигом. Он основан на туннельном эффекте, который возникает между металлическим наконечником и проводящей поверхностью. Этот эффект лежит в основе всех разработанных позже методов сканирующей зондовой микроскопии.

Формы, типы и типы

Существуют различные типы сканирующих зондовых микроскопов, которые различаются, прежде всего, взаимодействием между зондом и образцом. Отправной точкой была сканирующая туннельная микроскопия, которая в 1982 году впервые позволила получить представление о электропроводящих поверхностях с атомарным разрешением. В последующие годы было разработано множество других методов сканирующей зондовой микроскопии.

В сканирующем туннельном микроскопе между поверхностью образца и зондом прикладывается напряжение. Туннельный ток измеряется между образцом и наконечником, которые также не должны касаться. В 1984 году появилась оптическая микроскопия ближнего поля. Здесь свет проходит через образец от зонда. В атомно-силовом микроскопе зонд отклоняется с помощью атомных сил. Обычно используются так называемые силы Ван-дер-Ваальса. Прогиб зонда пропорционален силе, которая определяется в соответствии с жесткостью пружины зонда.

Атомно-силовая микроскопия была разработана в 1986 году. Вначале атомные силовые микроскопы работали на основе туннельного наконечника, который действовал как детектор. Этот наконечник туннеля определяет фактическое расстояние между поверхностью образца и датчиком. Технология использует туннельное напряжение, которое существует между задней частью датчика и наконечником обнаружения.

В настоящее время этот метод в значительной степени заменен принципом обнаружения, с обнаружением с помощью лазерного луча, который функционирует как световой указатель. Это также известно как лазерный силовой микроскоп. Кроме того, был разработан магнитно-силовой микроскоп, в котором магнитные силы между зондом и образцом служат основой для определения измеренных значений.

В 1986 году был также разработан сканирующий тепловизионный микроскоп, в котором крошечный датчик функционирует как сканирующий зонд. Существует также так называемый оптический сканирующий микроскоп ближнего поля, в котором взаимодействие между зондом и образцом состоит из исчезающих волн.

Структура и функциональность

В принципе, все типы сканирующих зондовых микроскопов объединяет то, что они сканируют поверхность образца в виде сетки. Используется взаимодействие между зондом микроскопа и поверхностью образца. Это взаимодействие различается в зависимости от типа сканирующего зондового микроскопа. Зонд огромен по сравнению с исследуемым образцом, и все же он способен определять крошечные особенности поверхности образца. На этом этапе особенно важен передний атом на конце зонда.

С помощью сканирующей зондовой микроскопии возможно разрешение до 10 пикометров. Для сравнения: размер атомов находится в пределах 100 пикометров. Точность световых микроскопов ограничена длиной волны света. По этой причине с этим типом микроскопа возможно только разрешение от 200 до 300 нанометров. Это соответствует примерно половине длины волны света. Поэтому в сканирующем электронном микроскопе вместо света используются электронные лучи. За счет увеличения энергии теоретически можно сделать длину волны сколь угодно короткой. Однако слишком маленькая длина волны разрушит образец.

Польза для медицины и здоровья

С помощью сканирующего зондового микроскопа можно не только сканировать поверхность образца. Вместо этого отдельные атомы также могут быть удалены из образца и снова отложены в указанном месте.

С начала 1980-х годов развитие сканирующей зондовой микроскопии быстро продвинулось вперед. Новые возможности для улучшенного разрешения намного меньше микрометра были важной предпосылкой для достижений в нанонауках и нанотехнологиях, особенно с 1990-х годов.

Основываясь на основных методах сканирующей зондовой микроскопии, в настоящее время подразделяются многие другие подметоды. Они используют преимущества различных типов взаимодействия между наконечником зонда и поверхностью образца.

Сканирующие зондовые микроскопы играют важную роль в таких областях исследований, как нанохимия, нанобиология, нанобиохимия и наномедицина. Сканирующие зондовые микроскопы используются даже для исследования других планет, таких как Марс.

В сканирующих зондовых микроскопах используется особая техника позиционирования, основанная на так называемом пьезоэффекте. Устройство для перемещения зонда управляется компьютером и обеспечивает высокоточное позиционирование. Это позволяет контролируемым образом сканировать поверхности образцов и объединять результаты измерений на дисплее с чрезвычайно высоким разрешением.