Skanningssonden mikroskop

Under begrepet Skanningssonden mikroskop Det er en rekke mikroskop og de tilhørende målemetoder som brukes til å analysere overflater. Disse teknikkene er derfor en del av overflate- og grensesnittfysikken. Skanningssonemikroskop er karakterisert ved at en målesonde føres over en overflate i liten avstand.

Hva er et skanningssondmikroskop?

Alle typer mikroskop der bildet er opprettet som et resultat av en interaksjon mellom sonden og prøven blir referert til som skanningssonemikroskop. Dette skiller disse metodene fra både lysmikroskopi og skanningselektronmikroskopi. Verken optiske eller elektroniske optiske linser brukes her.

Med skanningens mikroskop skannes overflaten av prøven bit for bit ved hjelp av en sonde. På denne måten oppnås målte verdier for hvert enkelt punkt, som deretter kombineres for å lage et digitalt bilde.

Scanning sondemetoden ble først utviklet og presentert i 1981 av Rohrer og Binnig. Den er basert på tunneleffekten som oppstår mellom en metallisk spiss og en ledende overflate. Denne effekten danner grunnlaget for alle metodene for scanning-mikroskopi som er utviklet senere.

Former, typer og typer

Det er forskjellige typer skanningssondmikroskop, som hovedsakelig avviker med hensyn til samspillet mellom sonden og prøven. Utgangspunktet var skanningstunnelmikroskopien, som i 1982 for første gang muliggjorde en atomisk løst representasjon av elektrisk ledende overflater. I løpet av de påfølgende årene utviklet det seg mange andre skanningssonemikroskopimetoder.

Med skanningstunnelmikroskopet påføres en spenning mellom overflaten av prøven og spissen. Tunnelstrømmen måles mellom prøven og spissen, som heller ikke får berøre. I 1984 dukket det opp optisk nærfeltmikroskopi. Her sendes lys gjennom prøven fra en sonde. I atomkraftmikroskopet avbøyes sonden ved hjelp av atomkrefter. Vanligvis brukes de såkalte van der Waals-styrkene. Avbøyningen av sonden har et proporsjonalt forhold til kraften, som bestemmes i henhold til fjærkonstanten til sonden.

Atomkraftmikroskopi ble utviklet i 1986. I begynnelsen fungerte atomkraftmikroskop på basis av en tunnelspiss som fungerer som en detektor. Denne tunnelspissen bestemmer den faktiske avstanden mellom overflaten på prøven og sensoren. Teknologien benytter seg av tunnelspenningen som finnes mellom baksiden av sensoren og deteksjonsspissen.

I dag er denne metoden i stor grad erstattet av deteksjonsprinsippet, med deteksjon ved bruk av en laserstråle som fungerer som en lyspeker. Dette er også kjent som et laserkraftmikroskop. I tillegg ble et magnetisk kraftmikroskop utviklet der magnetiske krefter mellom sonden og prøven tjener som grunnlag for å bestemme de målte verdiene.

I 1986 ble det skannende termiske mikroskopet også utviklet, der en bitteliten sensor fungerer som en skanningsonde. Det finnes også et såkalt optisk skanning nærfeltmikroskop, der samspillet mellom sonde og prøve består av glødende bølger.

Struktur og funksjonalitet

I prinsippet har alle typer skanningssonemikroskop til felles at de skanner overflaten av prøven i et rutenett. Samspillet mellom sonden til mikroskopet og overflaten av prøven brukes. Denne interaksjonen er forskjellig avhengig av typen skanningssonemikroskop. Sonden er stor sammenlignet med prøven som undersøkes, og allikevel er den i stand til å bestemme de ørsmå overflateegenskapene til prøven. Det fremste atomet på spissen av sonden er spesielt relevant på dette tidspunktet.

Ved hjelp av skanningssonemikroskopi er oppløsninger på opptil 10 pikometre mulig. Til sammenligning: størrelsen på atomer er i området 100 picometre. Nøyaktigheten til lysmikroskop er begrenset av lysets bølgelengde. Av denne grunn er bare oppløsninger på rundt 200 til 300 nanometer mulig med denne typen mikroskop. Dette tilsvarer omtrent halvparten av bølgelengden til lyset. Derfor brukes elektronstråler i stedet for lys i et skannende elektronmikroskop. Ved å øke energien kan bølgelengden i teorien gjøres så kort som ønsket. Imidlertid vil en for liten bølgelengde ødelegge prøven.

Medisinske og helsemessige fordeler

Ved hjelp av et skanningssondmikroskop er det ikke bare mulig å skanne overflaten til en prøve. I stedet kan individuelle atomer også fjernes fra prøven og deponeres igjen på et spesifisert sted.

Siden begynnelsen av 1980-tallet har utviklingen av skanningssonemikroskopi avansert raskt. De nye mulighetene for forbedret oppløsning på langt mindre enn et mikrometer var en viktig forutsetning for fremskritt innen nanovitenskap og nanoteknologi. Denne utviklingen har skjedd særlig siden 1990-tallet.

Basert på de grunnleggende metodene for skanning av sondemikroskopi, er mange andre delmetoder i dag delt. Disse drar fordel av forskjellige typer interaksjon mellom sondespissen og prøveoverflaten.

Skanningssonemikroskop spiller en vesentlig rolle innen forskningsområder som nanokjemi, nanobiologi, nanobiokjemi og nanomedisin. Skanningssonemikroskop brukes til og med for å utforske andre planeter som Mars.

Skanningssonemikroskop bruker en spesiell posisjoneringsteknikk basert på den såkalte piezo-effekten. Apparatet for å flytte sonden styres av datamaskinen og muliggjør meget presis plassering. Dette gjør at overflatene på prøvene kan skannes på en kontrollert måte og måleresultatene kombineres til et ekstremt høyt oppløsningsdisplay.