走査型プローブ顕微鏡

期間中 走査型プローブ顕微鏡 表面の分析に使用される多くの顕微鏡と関連する測定方法があります。したがって、これらの手法は表面および界面の物理学の一部です。走査型プローブ顕微鏡の特徴は、測定プローブが短い距離で表面上をガイドされることです。

走査型プローブ顕微鏡とは？

プローブとサンプル間の相互作用の結果として画像が作成されるすべてのタイプの顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡と呼ばれます。これは、これらの方法を光学顕微鏡法と走査型電子顕微鏡法の両方から区別します。ここでは、光学レンズも電子光学レンズも使用されていません。

走査型プローブ顕微鏡では、プローブを使用してサンプルの表面を少しずつ走査します。このようにして、個々のポイントの測定値が取得され、それらが組み合わされてデジタル画像が作成されます。

走査プローブ法は、1981年にRohrerとBinnigによって最初に開発され、発表されました。これは、金属チップと導電性表面の間に生じるトンネル効果に基づいています。この効果は、後で開発されるすべての走査型プローブ顕微鏡法の基礎となります。

形状、タイプ、タイプ

走査型プローブ顕微鏡にはさまざまな種類があり、主にプローブとサンプルの相互作用が異なります。出発点は走査型トンネル顕微鏡であり、1982年に初めて、導電性表面の原子的に分解された表現を可能にしました。その後数年間で、他の多くの走査型プローブ顕微鏡法が開発されました。

走査型トンネル顕微鏡では、サンプルの表面とチップの間に電圧が印加されます。トンネル電流は、サンプルとチップの間で測定されますが、これらも接触することはできません。 1984年に光学近接場顕微鏡法が登場しました。ここでは、プローブからサンプルを通して光が送信されます。原子間力顕微鏡では、プローブは原子間力によって偏向されます。通常、いわゆるファンデルワールス力が使用されます。プローブのたわみは力と比例関係にあり、力はプローブのばね定数によって決まります。

原子間力顕微鏡は1986年に開発されました。当初、原子間力顕微鏡は、検出器として機能するトンネル先端に基づいて機能していました。このトンネル先端は、サンプルの表面とセンサーの間の実際の距離を決定します。この技術は、センサーの背面と検出チップの間に存在するトンネル電圧を利用します。

現在では、この方法は検出原理に大きく取って代わられており、ライトポインターとして機能するレーザービームを使用した検出が行われています。これはレーザーフォース顕微鏡とも呼ばれます。さらに、プローブとサンプル間の磁力が測定値を決定するための基礎となる磁力顕微鏡が開発されました。

1986年に、走査型熱顕微鏡も開発されました。このセンサーでは、小さなセンサーが走査型プローブとして機能します。いわゆる光走査型近接場顕微鏡もあり、そこではプローブとサンプル間の相互作用がエバネッセント波で構成されています。

構造と機能

原則として、すべてのタイプの走査型プローブ顕微鏡には、サンプルの表面をグリッドで走査するという共通点があります。顕微鏡のプローブとサンプルの表面の間の相互作用が使用されます。この相互作用は、走査型プローブ顕微鏡の種類によって異なります。プローブは、検査対象のサンプルと比較して巨大ですが、サンプルの小さな表面の特徴を特定できます。 プローブの先端にある最初の原子は、この時点で特に関係があります。

走査型プローブ顕微鏡の助けを借りて、最大10ピコメートルの解像度が可能です。比較のために：原子のサイズは100ピコメートルの範囲です。光学顕微鏡の精度は、光の波長によって制限されます。このため、このタイプの顕微鏡では200〜300ナノメートル程度の解像度しかありません。これは光の波長の約半分に相当します。したがって、走査型電子顕微鏡では、光の代わりに電子ビームが使用されます。エネルギーを増やすことにより、理論的には波長を必要なだけ短くすることができます。ただし、波長が短すぎるとサンプルが破壊されます。

医療と健康上のメリット

走査型プローブ顕微鏡の助けを借りて、サンプルの表面だけをスキャンすることは不可能です。代わりに、個々の原子をサンプルから削除して、指定した場所に再度堆積させることもできます。

1980年代初頭以来、走査型プローブ顕微鏡の開発は急速に進んでいます。マイクロメートルよりはるかに小さい分解能の向上の新たな可能性は、ナノサイエンスとナノテクノロジーの進歩にとって不可欠な前提条件であり、この開発は特に1990年代以降行われています。

走査型プローブ顕微鏡の基本的な方法に基づいて、今日では他の多くのサブ方法が分割されています。これらは、プローブチップとサンプル表面の間のさまざまなタイプの相互作用を利用します。

走査型プローブ顕微鏡は、ナノ化学、ナノ生物学、ナノ生化学、ナノ医学などの研究分野で重要な役割を果たします。走査型プローブ顕微鏡は、火星などの他の惑星の探査にも使用されます。

走査型プローブ顕微鏡は、いわゆるピエゾ効果に基づく特別な位置決め技術を使用しています。プローブを動かす装置はコンピューターで制御され、高精度な位置決めが可能です。これにより、サンプルの表面を制御された方法でスキャンし、測定結果を非常に高解像度のディスプレイに組み合わせることができます。