Μικροσκόπιο ανιχνευτή σάρωσης

Σύμφωνα με τον όρο Μικροσκόπιο ανιχνευτή σάρωσης Υπάρχουν ορισμένα μικροσκόπια και οι σχετικές μέθοδοι μέτρησης που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των επιφανειών. Αυτές οι τεχνικές είναι επομένως μέρος της φυσικής της επιφάνειας και της διεπαφής. Τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης χαρακτηρίζονται από το ότι ένας ανιχνευτής μέτρησης καθοδηγείται πάνω από μια επιφάνεια σε μικρή απόσταση.

Τι είναι το μικροσκόπιο ανιχνευτή σάρωσης;

Όλοι οι τύποι μικροσκοπίων στους οποίους δημιουργείται η εικόνα ως αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος αναφέρονται ως μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης. Αυτό διακρίνει αυτές τις μεθόδους τόσο από μικροσκοπία φωτός όσο και από μικροσκοπία ηλεκτρονίων σάρωσης. Δεν χρησιμοποιούνται ούτε οπτικοί ούτε ηλεκτρονικοί-οπτικοί φακοί.

Με το μικροσκόπιο ανιχνευτή σάρωσης, η επιφάνεια του δείγματος σαρώνεται σιγά-σιγά με τη βοήθεια ενός καθετήρα. Με αυτόν τον τρόπο, λαμβάνονται μετρημένες τιμές για κάθε μεμονωμένο σημείο, οι οποίες στη συνέχεια συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια ψηφιακή εικόνα.

Η μέθοδος ανίχνευσης σάρωσης αναπτύχθηκε για πρώτη φορά και παρουσιάστηκε το 1981 από τους Rohrer και Binnig. Βασίζεται στο φαινόμενο της σήραγγας που προκύπτει μεταξύ ενός μεταλλικού άκρου και μιας αγώγιμης επιφάνειας. Αυτό το αποτέλεσμα αποτελεί τη βάση για όλες τις μεθόδους μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης που αναπτύχθηκαν αργότερα.

Σχήματα, τύποι & τύποι

Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μικροσκοπίων ανιχνευτών σάρωσης, οι οποίοι διαφέρουν κυρίως όσον αφορά την αλληλεπίδραση μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος. Το σημείο εκκίνησης ήταν η μικροσκοπία σήραγγας σάρωσης, η οποία το 1982 επέτρεψε για πρώτη φορά μια ατομικά διαλυμένη αναπαράσταση ηλεκτρικά αγώγιμων επιφανειών. Κατά τα επόμενα χρόνια αναπτύχθηκαν πολλές άλλες μέθοδοι μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης.

Με το μικροσκόπιο σήραγγας σάρωσης, εφαρμόζεται τάση μεταξύ της επιφάνειας του δείγματος και του άκρου. Το ρεύμα της σήραγγας μετράται μεταξύ του δείγματος και του άκρου, το οποίο επίσης δεν επιτρέπεται να αγγίξει. Το 1984 εμφανίστηκε οπτική μικροσκοπία κοντινού πεδίου. Εδώ το φως αποστέλλεται μέσω του δείγματος από έναν ανιχνευτή. Στο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, ο ανιχνευτής εκτρέπεται μέσω ατομικών δυνάμεων. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι λεγόμενες δυνάμεις van der Waals. Η εκτροπή του καθετήρα έχει αναλογική σχέση με τη δύναμη, η οποία καθορίζεται σύμφωνα με τη σταθερά ελατηρίου του ανιχνευτή.

Η μικροσκοπία ατομικής δύναμης αναπτύχθηκε το 1986. Στην αρχή, τα μικροσκόπια ατομικής δύναμης λειτουργούσαν με βάση ένα άκρο σήραγγας που λειτουργεί ως ανιχνευτής. Αυτό το άκρο σήραγγας καθορίζει την πραγματική απόσταση μεταξύ της επιφάνειας του δείγματος και του αισθητήρα. Η τεχνολογία χρησιμοποιεί την τάση σήραγγας που υπάρχει μεταξύ του πίσω μέρους του αισθητήρα και του άκρου ανίχνευσης.

Σήμερα, αυτή η μέθοδος έχει αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό από την αρχή ανίχνευσης, με την ανίχνευση χρησιμοποιώντας μια δέσμη λέιζερ που λειτουργεί ως ελαφρύς δείκτης. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως μικροσκόπιο δύναμης λέιζερ. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα μικροσκόπιο μαγνητικής δύναμης στο οποίο μαγνητικές δυνάμεις μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος χρησιμεύουν ως βάση για τον προσδιορισμό των μετρημένων τιμών.

Το 1986 αναπτύχθηκε επίσης το θερμικό μικροσκόπιο σάρωσης, στο οποίο ένας μικροσκοπικός αισθητήρας λειτουργεί ως ανιχνευτής σάρωσης. Υπάρχει επίσης το λεγόμενο μικροσκόπιο κοντινού πεδίου οπτικής σάρωσης, στο οποίο η αλληλεπίδραση μεταξύ ανιχνευτή και δείγματος αποτελείται από κυματοειδή κύματα.

Δομή & λειτουργικότητα

Κατ 'αρχήν, όλοι οι τύποι μικροσκοπίων ανιχνευτών σάρωσης έχουν κοινό ότι σαρώνουν την επιφάνεια του δείγματος σε ένα πλέγμα. Χρησιμοποιείται η αλληλεπίδραση μεταξύ του ανιχνευτή του μικροσκοπίου και της επιφάνειας του δείγματος. Αυτή η αλληλεπίδραση διαφέρει ανάλογα με τον τύπο του μικροσκοπίου ανιχνευτή σάρωσης. Ο ανιχνευτής είναι τεράστιος σε σύγκριση με το δείγμα που εξετάζεται, αλλά είναι σε θέση να προσδιορίσει τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του δείγματος. Το κύριο άτομο στην άκρη του καθετήρα είναι ιδιαίτερα σχετικό σε αυτό το σημείο.

Με τη βοήθεια της μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης, είναι δυνατή η ανάλυση έως και 10 πικόμετρων. Για σύγκριση: το μέγεθος των ατόμων κυμαίνεται από 100 πικόμετρα. Η ακρίβεια των μικροσκοπίων φωτός περιορίζεται από το μήκος κύματος του φωτός. Για αυτόν τον λόγο, μόνο ψηφίσματα περίπου 200 έως 300 νανομέτρων είναι δυνατά με αυτόν τον τύπο μικροσκοπίου. Αυτό αντιστοιχεί περίπου στο μισό μήκος κύματος του φωτός. Επομένως, χρησιμοποιούνται δέσμες ηλεκτρονίων αντί φωτός σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Αυξάνοντας την ενέργεια, το μήκος κύματος μπορεί θεωρητικά να γίνει όσο το δυνατόν πιο σύντομο. Ωστόσο, πολύ μικρό μήκος κύματος θα καταστρέψει το δείγμα.

Ιατρικά & οφέλη για την υγεία

Με τη βοήθεια ενός μικροσκοπίου ανιχνευτή σάρωσης, δεν είναι μόνο δυνατή η σάρωση της επιφάνειας ενός δείγματος. Αντ 'αυτού, μεμονωμένα άτομα μπορούν επίσης να αφαιρεθούν από το δείγμα και να κατατεθούν ξανά σε μια καθορισμένη τοποθεσία.

Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, η ανάπτυξη της μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης έχει προχωρήσει ταχύτατα. Οι νέες δυνατότητες για βελτιωμένη ανάλυση πολύ μικρότερη από ένα μικρόμετρο ήταν απαραίτητη προϋπόθεση για την πρόοδο στις νανοεπιστήμες και τη νανοτεχνολογία. Αυτή η εξέλιξη έχει συμβεί ιδιαίτερα από τη δεκαετία του 1990.

Με βάση τις βασικές μεθόδους σάρωσης μικροσκοπίας ανιχνευτών, σήμερα διαιρούνται πολλές άλλες υπο-μέθοδοι. Αυτά εκμεταλλεύονται διαφορετικούς τύπους αλληλεπίδρασης μεταξύ του άκρου του καθετήρα και της επιφάνειας του δείγματος.

Τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης παίζουν ουσιαστικό ρόλο σε τομείς έρευνας όπως η νανοχημεία, η νανοβιολογία, η νανοβιοχημεία και η νανοϊατρική. Τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης χρησιμοποιούνται ακόμη και για να εξερευνήσουν άλλους πλανήτες όπως ο Άρης.

Τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης χρησιμοποιούν μια ειδική τεχνική εντοπισμού θέσης που βασίζεται στο λεγόμενο piezo effect. Η συσκευή για την κίνηση του καθετήρα ελέγχεται από τον υπολογιστή και επιτρέπει την πολύ ακριβή τοποθέτηση. Αυτό επιτρέπει στις επιφάνειες των δειγμάτων να σαρώνονται με ελεγχόμενο τρόπο και τα αποτελέσματα της μέτρησης να συνδυάζονται σε οθόνη εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης.