Терминът сканиращ сондов микроскоп обхваща редица микроскопи и свързани измервателни техники, които се използват за анализ на повърхности. Като такива, тези техники попадат под физиката на повърхността и на повърхността. Сканиращите сондови микроскопи се характеризират с преминаване на измервателна сонда върху повърхност на малко разстояние.
Какво е сканиращ сондов микроскоп?
Терминът сканиращ сондов микроскоп обхваща редица микроскопи и свързаните с тях техники за измерване, които се използват за анализ на повърхности. Сканиращият сондов микроскоп се отнася до всички видове микроскопи, при които изображението се формира в резултат на взаимодействие между сондата и пробата. По този начин тези методи се различават както от оптичната микроскопия, така и от сканиращата електронна микроскопия. Тук не се използват нито оптични, нито електронно-оптични лещи. В микроскопа за сканираща сонда повърхността на пробата се сканира парче по парче с помощта на сонда. По този начин се получават измерени стойности за всяко отделно място, които накрая се комбинират, за да се получи цифрово изображение. Методът за сканираща сонда е разработен за първи път и представен от Rohrer и Binnig през 1981 г. Той се основава на тунелния ефект, който се появява между метален връх и проводима повърхност. Този ефект формира основата за всички техники на сканираща сонда, разработени по-късно.
Форми, видове и стилове
Съществуват няколко вида сканиращи сондови микроскопи, които се различават главно във взаимодействието между сондата и пробата. Отправната точка беше сканиращата тунелна микроскопия, която за първи път позволи изобразяване на атомна разделителна способност на електропроводими повърхности през 1982 г. През следващите години се развиват многобройни други техники за сканираща сонда микроскопия. При сканираща тунелна микроскопия се прилага напрежение между повърхността на пробата и върха. Тунелният ток между пробата и върха се измерва и те не трябва да се допират един до друг. През 1984 г. за първи път е разработена оптична микроскопия за близко поле. Тук светлината се изпраща през пробата, започвайки от сонда. В атомно-силовия микроскоп сондата се отклонява посредством атомни сили. Като правило се използват така наречените сили на Ван дер Ваалс. Деформацията на сондата показва пропорционална зависимост от силата, която се определя според пружината константа на сондата. Микроскопията с атомна сила е разработена през 1986 г. В началото атомно-силовите микроскопи са работили на основата на тунелен връх, действащ като детектор. Този връх на тунела определя действителното разстояние между повърхността на пробата и сензора. Техниката използва тунелното напрежение, което съществува между задната част на сензора и върха за откриване. В съвремието тази техника е до голяма степен заменена от принципа на откриване, където откриването се извършва с помощта на лазерен лъч, който действа като указател на светлината. Това е известно още като лазерен силов микроскоп. В допълнение е разработен магнитен силов микроскоп, при 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 действа като сканираща сонда. Съществува и така нареченият сканиращ оптичен микроскоп в близост до полето, при който взаимодействието между сондата и пробата се състои от изчезващи вълни.
Структура и експлоатация
По принцип всички видове сканиращи сондови микроскопи имат общо, че сканират повърхността на пробата в решетка. Това се възползва от взаимодействието между сондата на микроскопа и повърхността на пробата. Това взаимодействие се различава в зависимост от вида на сканиращия сондов микроскоп. Сондата е огромна в сравнение с изследваната проба, но все пак може да открие особеностите на дребната повърхност на пробата. В този момент от особено значение е най-важният атом на върха на сондата. С помощта на сканираща сонда микроскопия са възможни разделителни способности до 10 пикометра. За сравнение, размерът на атомите е от порядъка на 100 пикометра. Точността на светлинните микроскопи е ограничена от дължината на вълната на светлината. Поради тази причина с този тип микроскоп са възможни само разделителни способности от около 200 до 300 нанометра. Това съответства на приблизително половината от дължината на вълната на светлината. Следователно сканиращият електронен микроскоп използва електронно лъчение вместо светлина. Чрез увеличаване на енергията на теория дължината на вълната може да бъде произволно къса. Твърде късата дължина на вълната обаче би унищожила пробата.
Медицински и здравни ползи
С помощта на сканиращ сонда микроскоп е възможно не само да се сканира повърхността на пробата. Вместо това също е възможно да вземете отделни атоми от пробата и да ги поставите обратно на предварително определено място. От началото на 1980-те години развитието на сканиращата сонда микроскопия напредва бързо. Новите възможности за подобрена разделителна способност на много по-малко от един микрометър представляват основна предпоставка за напредъка в нанонауката, както и в нанотехнологиите. Това развитие се случи особено след 1990-те години. Въз основа на основните методи за сканираща сонда микроскопия, много други под-методи са разделени в днешно време. Те използват различни видове взаимодействие между върха на сондата и повърхността на пробата. По този начин сканиращите сондови микроскопи играят съществена роля в изследователски области като нанохимия, нанобиология, нанобиохимия и наномедицина. Сканиращите сондови микроскопи дори се използват за изследване на други планети, като Марс. Сканиращите сондови микроскопи използват специална техника за позициониране, базирана на така наречения пиезоелектричен ефект. Устройството за изместване на сондата се управлява от компютър и позволява високо точно позициониране. Това позволява повърхностите на пробите да бъдат сканирани по контролиран начин и резултатите от измерванията да бъдат събрани в изображение с изключително висока разделителна способност.
