A szkennelő szondamikroszkóp kifejezés számos mikroszkópot és a kapcsolódó mérési technikákat takar, amelyeket a felületek elemzésére használnak. Mint ilyenek, ezek a technikák a felszíni és az interfaciális fizika alá tartoznak. A szkennelő szondamikroszkópokat úgy jellemzik, hogy egy mérőszondát kis távolságon át vezetnek egy felületen.
Mi az a szkennelő szonda mikroszkóp?
A szkennelő szondamikroszkóp kifejezés egy sor mikroszkópot és a hozzájuk kapcsolódó mérési technikákat takar, amelyeket a felületek elemzésére használnak. A szkennelő szondamikroszkóp minden típusú mikroszkópra vonatkozik, amelyben a kép a szonda és a minta közötti kölcsönhatás eredményeként képződik. Így ezek a módszerek mind az optikai mikroszkóptól, mind a pásztázó elektronmikroszkóptól eltérnek. Itt sem optikai, sem elektronoptikai lencséket nem használnak. A szkennelő szondamikroszkópban a minta felületét darabonként szkenneljük egy szonda segítségével. Ily módon minden egyes foltra mért értékeket kapunk, amelyeket végül egyesítünk egy digitális kép előállításához. A szkennelő szondamódszert először Rohrer és Binnig dolgozta ki és mutatta be 1981-ben. Alapja a fémes csúcs és a vezető felület közötti alagút-hatás. Ez a hatás képezi az alapját a később kifejlesztett összes szkennelő szonda mikroszkópos technikának.
Alakzatok, típusok és stílusok
Többféle szkennelő szondamikroszkóp létezik, elsősorban a szonda és a minta közötti kölcsönhatásban. A kiindulási pont az alagutamikroszkópos vizsgálat volt, amely először lehetővé tette az elektromosan vezető felületek atomfelbontású képalkotását 1982-ben. A következő években számos más pásztázó szonda mikroszkópos technika alakult ki. Pásztázó alagútmikroszkópiában feszültséget alkalmazunk a minta felülete és a csúcsa között. Megmérik az alagút áramát a minta és a csúcs között, és ezek nem érinthetik egymást. 1984-ben először kidolgozták a közeli optikai mikroszkópiát. Itt a fény a mintán keresztül egy szondától indul. Az atomerőmikroszkópban a szondát atomerők segítségével elhajlik. Általános szabályként az úgynevezett Van der Waals erőket alkalmazzák. A szonda kitérése arányos kapcsolatot mutat az erővel, amelyet a szonda rugóállandója alapján határozunk meg. Az atomerő mikroszkópiát 1986-ban fejlesztették ki. Kezdetben az atomerő mikroszkópok egy alagút csúcsa alapján működtek, mint detektorok. Ez az alagút csúcsa határozza meg a minta és az érzékelő felülete közötti tényleges távolságot. A technika az alagút feszültségét használja fel, amely az érzékelő hátulja és az érzékelő hegy között van. A modern időkben ezt a technikát nagyrészt felváltotta a detektálási elv, ahol a detektálást lézersugár segítségével végezzük, amely fénymutatóként működik. Ezt lézeres erőmikroszkópnak is nevezik. Ezenkívül kifejlesztettek egy mágneses erő mikroszkópot, amelyben a szonda és a minta közötti mágneses erők szolgálnak alapul a mért értékek meghatározásához. 1986-ban kifejlesztették a pásztázó hőmikroszkópot is, amelyben egy apró érzékelő működik pásztázó szondaként. Létezik egy úgynevezett pásztázó közeli mezőjű optikai mikroszkóp is, amelyben a szonda és a minta közötti kölcsönhatás evanescent hullámokból áll.
Felépítés és működés
Elvileg minden típusú szkennelő szondamikroszkópnak közös, hogy rácsban pásztázzák a minta felületét. Ez kihasználja a mikroszkóp szondája és a minta felülete közötti kölcsönhatást. Ez a kölcsönhatás a szkennelő szondamikroszkóp típusától függ. A szonda óriási a vizsgált mintához képest, mégis képes kimutatni a minta percfelületi jellemzőit. Különösen fontos ezen a ponton a szonda csúcsán található legelső atom. Szkennelő szonda mikroszkópia segítségével akár 10 pikométer felbontása is lehetséges. Összehasonlításképpen, az atomok mérete 100 pikométer tartományban van. A fénymikroszkópok pontosságát korlátozza a fény hullámhossza. Emiatt csak kb. 200-300 nanométeres felbontás lehetséges ilyen típusú mikroszkóppal. Ez a fény hullámhosszának körülbelül felének felel meg. Ezért egy pásztázó elektronmikroszkóp fény helyett elektronsugárzást használ. Az energia növelésével a hullámhossz elméletileg önkényesen rövidíthető. A túl rövid hullámhossz azonban tönkretenné a mintát.
Orvosi és egészségügyi előnyök
Szkennelő szonda mikroszkóp segítségével nemcsak a minta felületét lehet beolvasni. Ehelyett az is lehetséges, hogy egyes atomokat válasszon ki a mintából, és helyezze vissza egy előre meghatározott helyre. Az 1980-as évek eleje óta a szkennelő szonda mikroszkópia fejlesztése gyorsan haladt. A jóval kevesebb mint egy mikrométeres felbontás javításának új lehetőségei a nanotudomány, valamint a nanotechnológia fejlődésének fő előfeltételét jelentették. Ez a fejlődés különösen az 1990-es évek óta következett be. A szkennelő mikroszkópos pásztázás alapvető módszerei alapján manapság számos más almódszert osztanak fel. Ezek különböző típusú kölcsönhatásokat alkalmaznak a szonda csúcsa és a minta felülete között. Így a szkennelő szondamikroszkópok alapvető szerepet játszanak olyan kutatási területeken, mint a nanokémia, a nanobiológia, a nanobiokémia és a nanomedicina. A szkennelő szondamikroszkópokat még más bolygók, például a Mars felfedezésére is használják. A szkennelő szondamikroszkópok speciális pozicionálási technikát alkalmaznak, az úgynevezett piezoelektromos effektus alapján. A szonda elmozdítására szolgáló készüléket egy számítógépről vezérlik, és lehetővé teszi a nagyon pontos pozicionálást. Ez lehetővé teszi a minták felületeinek ellenőrzött szkennelését és a mérési eredmények rendkívül nagy felbontású képbe történő összeállítását.
