Izraz skenirni sondni mikroskop zajema vrsto mikroskopov in pripadajoče merilne tehnike, ki se uporabljajo za analizo površin. Kot take te tehnike sodijo v površinsko in površinsko fiziko. Za mikroskope za skeniranje sond je značilno, da merilno sondo vodimo po površini na majhni razdalji.
Kaj je mikroskop z optično sondo?
Izraz skenirni sondni mikroskop zajema vrsto mikroskopov in z njimi povezane merilne tehnike, ki se uporabljajo za analizo površin. Skenirni sondni mikroskop se nanaša na vse vrste mikroskopov, pri katerih slika nastane kot rezultat interakcije med sondo in vzorcem. Tako se te metode razlikujejo tako od optične mikroskopije kot od skenirne elektronske mikroskopije. Tu se ne uporabljajo niti optične niti elektronsko-optične leče. V mikroskopu za skenirno sondo s pomočjo sonde površino vzorca skeniramo po koščkih. Na ta način se za vsako posamezno točko dobijo izmerjene vrednosti, ki se na koncu združijo v digitalno sliko. Metodo skenirne sonde sta prvič razvila in predstavila Rohrer in Binnig leta 1981. Temelji na učinku tunela, ki se pojavi med kovinsko konico in prevodno površino. Ta učinek je osnova za vse kasneje razvite tehnike mikroskopiranja s sondo.
Oblike, vrste in slogi
Obstaja več vrst mikroskopov za skeniranje, ki se razlikujejo predvsem po interakciji med sondo in vzorcem. Izhodišče je bila skenirna tunelska mikroskopija, ki je prvič dovolila slikanje elektroprevodnih površin z atomsko ločljivostjo leta 1982. V naslednjih letih so se razvile številne druge tehnike mikroskopske skenirne sonde. Pri skenirni tunelski mikroskopiji se napetost uporablja med površino vzorca in konico. Izmeri se predorski tok med vzorcem in konico in ne smeta se dotikati drug drugega. Leta 1984 je bila prvič razvita optična mikroskopija blizu polja. Tu se skozi vzorec pošlje svetloba, začenši s sondo. V mikroskopu z atomsko silo se sonda odkloni s pomočjo atomskih sil. Praviloma se uporabljajo tako imenovane Van der Waalsove sile. Odklon sonde kaže sorazmerno razmerje do sile, ki se določi glede na vzmetno konstanto sonde. Mikroskopija z atomsko silo je bila razvita leta 1986. Na začetku so mikroskopi z atomsko silo delovali na osnovi predora tunela, ki je deloval kot detektor. Ta konica tunela določa dejansko razdaljo med površino vzorca in senzorjem. Tehnika uporablja napetost predora, ki obstaja med zadnjo stranjo senzorja in detekcijsko konico. V sodobnem času je to tehniko v veliki meri nadomestil princip zaznavanja, kjer zaznavanje poteka z uporabo laserskega žarka, ki deluje kot svetlobni kazalec. To je znano tudi kot laserski mikroskop. Poleg tega je bil razvit magnetni mikroskop, v katerem so magnetne sile med sondo in vzorcem osnova za določanje izmerjenih vrednosti. Leta 1986 je bil razvit tudi skenirni termični mikroskop, v katerem majhen senzor deluje kot sonda za skeniranje. Obstaja tudi tako imenovani optični mikroskop za optično bledenje, pri katerem interakcijo med sondo in vzorcem sestavljajo evanescentni valovi.
Struktura in delovanje
Načeloma je vsem vrstam mikroskopov z merilnimi sondami skupno, da površino vzorca skenirajo v mreži. To izkoristi interakcijo med sondo mikroskopa in površino vzorca. Ta interakcija se razlikuje glede na vrsto mikroskopa skenirne sonde. Sonda je v primerjavi z vzorcem, ki ga preiskujemo, ogromna, vendar lahko zazna značilnosti majhne površine vzorca. V tem trenutku je še posebej pomemben najbolj atom na konici sonde. Z uporabo mikroskopije skenirne sonde so možne ločljivosti do 10 pikometrov. Za primerjavo, velikost atomov je v območju 100 pikometrov. Natančnost svetlobnih mikroskopov je omejena z valovno dolžino svetlobe. Zaradi tega so pri tej vrsti mikroskopa možne le ločljivosti od približno 200 do 300 nanometrov. To ustreza približno polovici valovne dolžine svetlobe, zato skenirni elektronski mikroskop namesto svetlobe uporablja elektronsko sevanje. S povečanjem energije lahko valovno dolžino v teoriji poljubno zmanjšamo. Prekratka valovna dolžina pa bi vzorec uničila.
Zdravstvene in zdravstvene koristi
Z uporabo mikroskopa s sondo za skeniranje ni mogoče le skenirati površine vzorca. Namesto tega je mogoče iz vzorca izbrati posamezne atome in jih postaviti nazaj na vnaprej določeno mesto. Od zgodnjih osemdesetih let je razvoj mikroskopije z optično sondo hitro napredoval. Nove možnosti za izboljšanje ločljivosti veliko manj kot en mikrometer so bile glavni pogoj za napredek na področju nanoznanosti in nanotehnologije. Ta razvoj se je zgodil zlasti od devetdesetih let prejšnjega stoletja. Na podlagi osnovnih metod skenirne sondne mikroskopije so danes razdeljene številne druge pod-metode. Ti uporabljajo različne vrste interakcij med konico sonde in površino vzorca. Tako imajo skenirni sondni mikroskopi bistveno vlogo na raziskovalnih področjih, kot so nanokemija, nanobiologija, nanobiokemija in nanomedicina. Optični mikroskopi se uporabljajo celo za raziskovanje drugih planetov, na primer Marsa. Skenirni sondni mikroskopi uporabljajo posebno tehniko pozicioniranja, ki temelji na tako imenovanem piezoelektričnem učinku. Naprava za premik sonde je krmiljena iz računalnika in omogoča zelo natančno pozicioniranje. To omogoča nadzorovano skeniranje površin vzorcev in merjenje rezultatov v izjemno visoko ločljivo sliko.
