Termín skenovací sondový mikroskop pokrývá řadu mikroskopů a souvisejících měřicích technik, které se používají k analýze povrchů. Jako takové tyto techniky spadají pod povrchovou a mezifázovou fyziku. Mikroskopy skenovací sondy se vyznačují průchodem měřicí sondy po povrchu v malé vzdálenosti.
Co je mikroskop se skenovací sondou?
Termín skenovací sonda mikroskop pokrývá řadu mikroskopů a jejich přidružených měřicích technik, které se používají k analýze povrchů. Mikroskop skenovací sondy označuje všechny typy mikroskopů, ve kterých se obraz vytváří v důsledku interakce mezi sondou a vzorkem. Tyto metody se tedy liší od optické mikroskopie i skenovací elektronové mikroskopie. Zde se nepoužívají optické ani elektronově optické čočky. V mikroskopu skenovací sondy je povrch vzorku skenován kousek po kousku pomocí sondy. Tímto způsobem se získají naměřené hodnoty pro každý jednotlivý bod, které se nakonec spojí a vytvoří digitální obraz. Metoda skenovací sondy byla poprvé vyvinuta a představena Rohrerem a Binnigem v roce 1981. Je založena na tunelovém efektu, ke kterému dochází mezi kovovým hrotem a vodivým povrchem. Tento efekt tvoří základ pro všechny techniky mikroskopie skenovací sondy vyvinuté později.
Tvary, typy a styly
Existuje několik typů mikroskopů skenovací sondy, které se primárně liší v interakci mezi sondou a vzorkem. Výchozím bodem byla skenovací tunelovací mikroskopie, která poprvé umožnila zobrazování elektricky vodivých povrchů s atomovým rozlišením v roce 1982. Během následujících let se vyvinula řada dalších technik mikroskopie skenovací sondy. Ve skenovací tunelové mikroskopii je mezi povrchem vzorku a špičkou aplikováno napětí. Proud tunelu mezi vzorkem a špičkou se měří a nesmí se navzájem dotýkat. V roce 1984 byla poprvé vyvinuta optická mikroskopie blízkého pole. Zde je světlo posíláno vzorkem počínaje sondou. V mikroskopu atomových sil je sonda odkloněna pomocí atomových sil. Zpravidla se používají takzvané Van der Waalsovy síly. Vychýlení sondy ukazuje proporcionální vztah k síle, která se určuje podle konstanty pružiny sondy. Mikroskopie atomové síly byla vyvinuta v roce 1986. Zpočátku mikroskopy atomové síly fungovaly na bázi špičky tunelu fungující jako detektor. Tento hrot tunelu určuje skutečnou vzdálenost mezi povrchem vzorku a senzorem. Tato technika využívá napětí v tunelu, které existuje mezi zadní částí senzoru a detekčním hrotem. V moderní době byla tato technika do značné míry nahrazena principem detekce, kdy se detekce provádí pomocí laserového paprsku, který funguje jako světelný ukazatel. Toto je také známé jako laserový silový mikroskop. Kromě toho byl vyvinut magnetický silový mikroskop, ve kterém magnetické síly mezi sondou a vzorkem slouží jako základ pro stanovení naměřených hodnot. V roce 1986 byl také vyvinut skenovací termální mikroskop, ve kterém malý snímač funguje jako skenovací sonda. Existuje také takzvaný skenovací optický mikroskop blízkého pole, ve kterém interakci mezi sondou a vzorkem tvoří evanescentní vlny.
Struktura a provoz
V zásadě mají všechny typy mikroskopů skenovací sondy společné to, že skenují povrch vzorku v mřížce. To využívá interakce mezi sondou mikroskopu a povrchem vzorku. Tato interakce se liší v závislosti na typu mikroskopu skenovací sondy. Sonda je obrovská ve srovnání se zkoumaným vzorkem, přesto dokáže detekovat nepatrné povrchové vlastnosti vzorku. V tomto bodě má zvláštní význam nejpřednější atom na špičce sondy. Pomocí mikroskopie skenovací sondy je možné rozlišení až 10 pikometrů. Pro srovnání se velikost atomů pohybuje v rozmezí 100 pikometrů. Přesnost světelných mikroskopů je omezena vlnovou délkou světla. Z tohoto důvodu je u tohoto typu mikroskopu možné pouze rozlišení asi 200 až 300 nanometrů. To odpovídá přibližně polovině vlnové délky světla. Proto rastrovací elektronový mikroskop používá místo světla elektronové záření. Zvyšováním energie může být vlnová délka teoreticky libovolně krátká. Příliš krátká vlnová délka by však vzorek zničila.
Lékařské a zdravotní výhody
Pomocí skenovacího mikroskopu je možné skenovat nejen povrch vzorku. Místo toho je také možné vybrat jednotlivé atomy ze vzorku a umístit je zpět na předem určené místo. Od počátku 1980. let vývoj mikroskopie skenovací sondy rychle postupoval. Nové možnosti zlepšeného rozlišení mnohem méně než jednoho mikrometru představovaly hlavní předpoklad pro pokrok v oblasti nanověd i nanotechnologií. Tento vývoj nastal zejména od 1990. let. Na základě základních metod mikroskopie skenovací sondy je dnes rozděleno mnoho dalších dílčích metod. Využívají různé typy interakce mezi hrotem sondy a povrchem vzorku. Mikroskopy skenovací sondy tedy hrají zásadní roli ve výzkumných oblastech, jako je nanochemie, nanobiologie, nanobiochemie a nanomedicína. Mikroskopy skenovací sondy se dokonce používají k průzkumu jiných planet, například Marsu. Mikroskopy skenovací sondy využívají speciální techniku určování polohy založenou na takzvaném piezoelektrickém efektu. Zařízení pro přemisťování sondy je řízeno z počítače a umožňuje vysoce přesné určování polohy. To umožňuje kontrolovaně skenovat povrchy vzorků a shromáždit výsledky měření do obrazu s vysokým rozlišením.
