走査型プローブ顕微鏡という用語は、表面の分析に使用されるさまざまな顕微鏡および関連する測定技術を網羅しています。 そのため、これらの手法は表面物理学と界面物理学に分類されます。 走査型プローブ顕微鏡は、測定プローブを表面上に小さな距離で通過させることを特徴としています。
走査型プローブ顕微鏡とは何ですか？
走査型プローブ顕微鏡という用語は、表面の分析に使用されるさまざまな顕微鏡とそれに関連する測定技術を網羅しています。 走査型プローブ顕微鏡とは、プローブとサンプルの相互作用の結果として画像が形成されるすべてのタイプの顕微鏡を指します。 したがって、これらの方法は、光学顕微鏡法および走査型電子顕微鏡法の両方とは異なります。 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、サンプルの表面がプローブを使用して1981つずつスキャンされます。 このようにして、個々のスポットごとに測定値が取得され、最終的に組み合わされてデジタル画像が生成されます。 走査型プローブ法は、XNUMX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で発生す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技術の基礎を形成します。
形、種類、スタイル
走査型プローブ顕微鏡にはいくつかの種類があり、主にプローブとサンプル間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年に最初に導電性表面の原子分解能イメージングを可能にしました。その後の数年間で、他の多くの走査型プローブ顕微鏡技術が開発されました。 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。 サンプルとチップ間のトンネル電流が測定され、それらが互いに接触してはなりません。 1984年に、光学近接場顕微鏡法が最初に開発されました。 ここでは、プローブから開始してサンプルに光が送られます。 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。 原則として、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、力と比例関係を示します。力は、プローブのばね定数に従って決定されます。 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。 この手法では、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。 現代では、この技術は、光のポインターとして機能するレーザービームを使用して検出が行われる検出原理に大きく取って代わられています。 これは、レーザー力顕微鏡としても知られています。 さらに、プローブとサンプルの間の磁力が測定値を決定するための基礎となる磁気力顕微鏡が開発されました。 1986年には、小さなセンサーが走査型プローブとして機能する走査型熱顕微鏡も開発されました。 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る、いわゆる走査型近接場光学顕微鏡もあります。
構造と操作
原則として、すべてのタイプの走査型プローブ顕微鏡は、サンプルの表面をグリッドでスキャンするという共通点があります。 これは、顕微鏡のプローブとサンプルの表面との間の相互作用を利用します。 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、サンプルの微細な表面の特徴を検出することができます。 この時点で特に重要なのは、プローブの先端にある最前線の原子です。 走査型プローブ顕微鏡を使用すると、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、約200〜300ナノメートルの解像度しか使用できません。 これは光の波長の約半分に相当するため、走査型電子顕微鏡は光の代わりに電子線を使用します。 エネルギーを増やすことにより、理論的には波長を任意に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。
医療と健康上の利点
走査型プローブ顕微鏡を使用すると、サンプルの表面をスキャンできるだけではありません。 代わりに、サンプルから個々の原子を選択して、所定の場所に戻すこともできます。 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。 1990マイクロメートルよりはるかに少ない分解能の改善の新しい可能性は、ナノサイエンスとナノテクノロジーの進歩の主要な前提条件を表しています。 この開発は、特にXNUMX年代以降に発生しました。 走査型プローブ顕微鏡法の基本的な方法に基づいて、他の多くのサブメソッドが今日細分化されています。 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。 したがって、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、ナノ医療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を探索するためにも使用されます。 走査型プローブ顕微鏡は、いわゆる圧電効果に基づく特別な位置決め技術を利用しています。 プローブを移動させるための装置は、コンピュータから制御され、非常に正確な位置決めを可能にします。 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画像にまとめることができます。
