Koncepcja/zasada/struktura/cechy mikroskopu z sondą skanującą
Mikroskop z sondą skanującą to zbiorcze określenie różnych nowych typów mikroskopów sondujących (mikroskop sił atomowych, mikroskop sił elektrostatycznych, mikroskop sił magnetycznych, skaningowy mikroskop przewodnictwa jonowego, skaningowy mikroskop elektrochemiczny itp.) opracowanych na bazie skaningowego mikroskopu tunelowego. Jest to instrument do analizy powierzchni opracowany w ostatnich latach na arenie międzynarodowej.
Zasada i struktura mikroskopii z sondą skanującą
Podstawową zasadą działania mikroskopu z sondą skanującą jest wykorzystanie interakcji pomiędzy sondą a atomami i cząsteczkami powierzchniowymi próbki, to znaczy utworzenie różnych fizycznych pól interakcji, gdy sonda i powierzchnia próbki znajdują się blisko nanoskali, oraz uzyskanie morfologii powierzchni próbki poprzez wykrywanie odpowiednich wielkości fizycznych. Mikroskop z sondą skanującą składa się z pięciu części: sondy, skanera, czujnika przemieszczenia, sterownika, systemu detekcji i systemu obrazu.
Sterownik przesuwa próbkę w pionie i poziomie przez skaner, aby ustabilizować odległość (lub fizyczną wielkość interakcji) pomiędzy sondą a próbką na stałym poziomie; Jednocześnie przesuwaj próbkę w płaszczyźnie poziomej xy, tak aby sonda skanowała powierzchnię próbki wzdłuż ścieżki skanowania. Mikroskop z sondą skanującą wykrywa odpowiednie sygnały wielkości fizycznej interakcji pomiędzy sondą a próbką przez system detekcji, utrzymując stałą odległość pomiędzy sondą a próbką; W przypadku stabilnych oddziałujących wielkości fizycznych odległość pomiędzy sondą a próbką wykrywana jest za pomocą czujnika przemieszczenia pionowego. System obrazowania dokonuje przetwarzania obrazu na powierzchni próbki w oparciu o sygnał detekcji (czyli odległość pomiędzy sondą a próbką).
W zależności od różnych pól fizycznych interakcji między sondą a zastosowaną próbką, mikroskopy z sondą skanującą dzielą się na różne serie mikroskopów. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i mikroskopia sił atomowych (AFM) to dwa powszechnie stosowane typy mikroskopów z sondą skanującą. Skaningowy mikroskop tunelowy wykrywa strukturę powierzchni próbki poprzez pomiar prądu tunelowego pomiędzy sondą a badaną próbką. Mikroskopia sił atomowych wykrywa powierzchnię próbki poprzez wykrywanie odkształcenia mikrowspornika spowodowanego siłą interakcji między końcówką igły a próbką za pomocą fotoelektrycznego czujnika przemieszczenia, który może być przyciągający lub odpychający.
Charakterystyka mikroskopii z sondą skanującą
Mikroskop z sondą skanującą to trzeci rodzaj mikroskopu, który obserwuje strukturę materii w skali atomowej, obok polowej mikroskopii jonowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości. Biorąc za przykład skaningową mikroskopię tunelową (STM), jej rozdzielczość poprzeczna wynosi 0.1-0.2 nm, a rozdzielczość głębokości wzdłużnej wynosi 0.01 nm. Rozdzielczość ta pozwala na wyraźną obserwację poszczególnych atomów lub cząsteczek rozmieszczonych na powierzchni próbki. Tymczasem mikroskopia z sondą skanującą może być również wykorzystywana do obserwacji i badań w powietrzu, innych środowiskach gazowych lub ciekłych.
Mikroskopy z sondą skanującą mają takie cechy, jak rozdzielczość atomowa, transport atomowy i nanofabrykacja. Jednak ze względu na różne zasady działania różnych mikroskopów skaningowych uzyskane przez nie wyniki odzwierciedlają bardzo różne informacje o powierzchni próbki. Skaningowy mikroskop tunelowy mierzy informacje o rozkładzie stopnia elektronowego na powierzchni próbki, co ma rozdzielczość na poziomie atomowym, ale nadal nie pozwala uzyskać prawdziwej struktury próbki. Mikroskopia atomowa wykrywa informacje o interakcji między atomami, dzięki czemu może uzyskać informacje o rozmieszczeniu powierzchniowego rozkładu atomowego próbki, co stanowi prawdziwą strukturę próbki. Z drugiej strony mikroskopia sił atomowych nie jest w stanie zmierzyć informacji o stanie elektronowym, które można porównać z teorią, więc oba mają swoje mocne i słabe strony.
