Микроскоп за сканираща сонда

Под термина Микроскоп за сканираща сонда Съществуват редица микроскопи и свързаните с тях методи за измерване, които се използват за анализ на повърхности. Тези техники са част от физиката на повърхността и интерфейса. Микроскопите за сканираща сонда се характеризират с това, че измервателната сонда се води върху повърхност на малко разстояние.

Какво е микроскоп за сканираща сонда?

Всички видове микроскопи, при които изображението е създадено в резултат на взаимодействие между сондата и пробата, се наричат ​​сканиращи микроскопи за сонда. Това отличава тези методи както от светлинна микроскопия, така и от сканираща електронна микроскопия. Тук не се използват нито оптични, нито електронно-оптични лещи.

С микроскопа за сканираща сонда повърхността на пробата се сканира малко по малко с помощта на сонда. По този начин се получават измерени стойности за всяка отделна точка, които след това се комбинират за създаване на цифрово изображение.

Методът за сканиране на сондата е разработен за първи път и представен през 1981 г. от Rohrer и Binnig. Той се основава на тунелния ефект, който възниква между метален връх и проводима повърхност. Този ефект е в основата на всички методи за сканираща микроскопия, разработени по-късно.

Форми, видове и типове

Има различни видове сканиращи микроскопи за сканиране, които се различават главно по отношение на взаимодействието между сондата и пробата. Отправната точка беше сканиращата тунелна микроскопия, която през 1982 г. за първи път даде възможност за атомно разрешено представяне на електропроводими повърхности. През следващите години са разработени множество други методи за сканираща микроскопия.

С помощта на сканиращия тунелен микроскоп се прилага напрежение между повърхността на пробата и върха. Тунелният ток се измерва между пробата и върха, които също не се допускат до пипане. През 1984 г. възниква оптична микроскопия в близко поле. Тук светлината се изпраща през пробата от сонда. В микроскопа с атомна сила сондата се отклонява с помощта на атомни сили. Обикновено се използват така наречените сили на ван дер Ваалс. Отклонението на сондата има пропорционално отношение към силата, което се определя според константата на пружината на сондата.

Микроскопията за атомна сила е разработена през 1986 г. В началото микроскопите с атомна сила работеха на базата на върха на тунела, който действа като детектор. Този накрайник на тунела определя действителното разстояние между повърхността на пробата и сензора. Технологията използва тунелното напрежение, което съществува между гърба на сензора и върха на детектиране.

В наши дни този метод до голяма степен е заменен от принципа на откриване, като откриването се използва лазерен лъч, който функционира като показалец на светлината. Това е известно още като лазерен силов микроскоп. Освен това е разработен магнит за магнитна сила, в който магнитните сили между сондата и пробата служат като основа за определяне на измерените стойности.

През 1986 г. е разработен и сканиращият термичен микроскоп, в който мъничък сензор функционира като сканираща сонда. Съществува и така нареченият оптичен сканиращ микроскоп в близост до полето, при който взаимодействието между сондата и пробата се състои от светлинни вълни.

Структура и функционалност

По принцип всички видове сканиращи микроскопи за сканиране имат общо, че сканират повърхността на пробата в мрежа. Използва се взаимодействието между сондата на микроскопа и повърхността на пробата. Това взаимодействие се различава в зависимост от вида на сканиращия микроскоп за сканиране. Сондата е огромна в сравнение с изследваната проба и въпреки това тя е в състояние да определи малките повърхностни характеристики на пробата. Най-важният атом на върха на сондата е особено актуален в този момент.

С помощта на сканираща сонда микроскопия са възможни разделителни способности до 10 пикометра. За сравнение: размерът на атомите е в диапазона от 100 пикометра. Точността на светлинните микроскопи е ограничена от дължината на вълната на светлината. Поради тази причина с този тип микроскоп са възможни само резолюции от около 200 до 300 нанометра. Това съответства приблизително на половината от дължината на вълната на светлината. Следователно, електронни лъчи се използват вместо светлина в сканиращ електронен микроскоп. Чрез увеличаване на енергията дължината на вълната може на теория да бъде направена толкова кратко, колкото е желателно. Въпреки това, твърде малката дължина на вълната би унищожила пробата.

Медицински и здравословни ползи

С помощта на сканиращ микроскоп за сканиране не е възможно да се сканира само повърхността на пробата. Вместо това отделни атоми могат също да бъдат отстранени от пробата и отново депозирани на определено място.

От началото на 80-те години развитието на сканиращата сондна микроскопия бързо напредва. Новите възможности за подобрена разделителна способност на далеч по-малко от микрометър бяха съществена предпоставка за напредъка в нанонауките и нанотехнологиите.Това развитие се наблюдава особено след 90-те години.

Въз основа на основните методи за сканиране на сонда микроскопията в наши дни са разделени множество други под-методи. Те се възползват от различни видове взаимодействие между върха на сондата и повърхността на пробата.

Сканиращите сондажни микроскопи играят съществена роля в изследователски области като нанохимия, нанобиология, нанобиохимия и наномедицина. Сканиращите микроскопи за сонда дори се използват за изследване на други планети като Марс.

Сканиращите сондажни микроскопи използват специална техника за позициониране, основана на така наречения пиезо ефект. Устройството за преместване на сондата се контролира от компютъра и позволява високо прецизно позициониране. Това позволява да се сканират контролирано повърхностите на пробите и резултатите от измерванията да се комбинират в дисплей с изключително висока разделителна способност.