Pojam mikroskop sonde za skeniranje obuhvaća niz mikroskopa i pripadajućih mjernih tehnika koje se koriste za analizu površina. Kao takve, ove tehnike spadaju u površinsku i površinsku fiziku. Mikroskopi sondi za skeniranje karakterizirani su prolaskom mjerne sonde preko površine na maloj udaljenosti.
Što je mikroskop sonde za skeniranje?
Pojam mikroskop sonde za skeniranje obuhvaća niz mikroskopa i njima pridruženih mjernih tehnika koje se koriste za analizu površina. Skenirajući sondni mikroskop odnosi se na sve vrste mikroskopa u kojima je slika nastala kao rezultat interakcije između sonde i uzorka. Dakle, ove se metode razlikuju i od optičke mikroskopije i od skenirajuće elektronske mikroskopije. Ovdje se ne koriste ni optičke ni elektronsko-optičke leće. U mikroskopu sonde za skeniranje, površina uzorka skenira se dio po dio uz pomoć sonde. Na taj se način dobivaju izmjerene vrijednosti za svako pojedinačno mjesto koje se konačno kombiniraju u digitalnu sliku. Metodu sonde za skeniranje prvi su put razvili i predstavili Rohrer i Binnig 1981. godine. Ona se temelji na efektu tunela koji se javlja između metalnog vrha i vodljive površine. Taj je učinak osnova svih kasnijih tehnika mikroskopije sondi za skeniranje.
Oblici, vrste i stilovi
Postoji nekoliko vrsta mikroskopa za skeniranje sondi, koji se prvenstveno razlikuju u interakciji između sonde i uzorka. Polazište je bila skenirajuća tunelska mikroskopija, koja je prvi put omogućila snimanje elektroprovodljivih površina s atomskom rezolucijom 1982. Tijekom sljedećih godina razvile su se brojne druge tehnike mikroskopije sondi za skeniranje. U skenirajućoj tunelskoj mikroskopiji napon se primjenjuje između površine uzorka i vrha. Mjeri se tunelska struja između uzorka i vrha i oni se ne smiju dodirivati. 1984. godine prvi je put razvijena optička mikroskopija blizu polja. Ovdje se svjetlost šalje kroz uzorak počevši od sonde. U mikroskopu atomske sile sonda se skreće pomoću atomskih sila. U pravilu se koriste takozvane Van der Waalsove sile. Otklon sonde pokazuje proporcionalni odnos prema sili, koja se određuje prema opružnoj konstanti sonde. Mikroskopija atomske sile razvijena je 1986. U početku su mikroskopi atomske sile radili na osnovi vrha tunela djelujući kao detektor. Ovaj vrh tunela određuje stvarnu udaljenost između površine uzorka i senzora. Tehnika koristi napon tunela koji postoji između stražnje strane senzora i vrha detekcije. U moderno doba ovu je tehniku u velikoj mjeri zamijenio princip otkrivanja, gdje se otkrivanje vrši pomoću laserske zrake koja djeluje kao svjetlosni pokazivač. Ovo je također poznato kao laserski mikroskop. Uz to je razvijen magnetski mikroskop s magnetnom silom u kojem magnetske sile između sonde i uzorka služe kao osnova za određivanje izmjerenih vrijednosti. 1986. godine razvijen je i termički mikroskop za skeniranje, u kojem maleni senzor djeluje kao sonda za skeniranje. Postoji i takozvani skenirajući optički mikroskop bliskog polja, u kojem se interakcija između sonde i uzorka sastoji od prolaznih valova.
Struktura i rad
U principu je svim vrstama mikroskopa sondi za skeniranje zajedničko to što skeniraju površinu uzorka u mreži. To iskorištava interakciju između sonde mikroskopa i površine uzorka. Ova se interakcija razlikuje ovisno o vrsti mikroskopa sonde za skeniranje. Sonda je ogromna u usporedbi s uzorkom koji se ispituje, no ipak može otkriti značajke sitne površine uzorka. U ovom je trenutku posebno važan najvažniji atom na vrhu sonde. Korištenjem mikroskopije sonde za skeniranje moguće su razlučivosti do 10 pikometara. Za usporedbu, veličina atoma je u rasponu od 100 pikometra. Točnost svjetlosnih mikroskopa ograničena je valnom duljinom svjetlosti. Iz tog su razloga s ovom vrstom mikroskopa moguće samo razlučivosti od oko 200 do 300 nanometara. To odgovara približno polovici valne duljine svjetlosti. Stoga skenirajući elektronski mikroskop koristi elektronsko zračenje umjesto svjetlosti. Povećavanjem energije valnu duljinu u teoriji možemo učiniti proizvoljno kratkom. Međutim, prekratka valna duljina uništila bi uzorak.
Medicinske i zdravstvene prednosti
Korištenjem mikroskopa sonde za skeniranje nije moguće skenirati samo površinu uzorka. Umjesto toga, također je moguće odabrati pojedine atome iz uzorka i vratiti ih na unaprijed određeno mjesto. Od ranih 1980-ih, razvoj mikroskopije sonde za skeniranje brzo je napredovao. Nove mogućnosti za poboljšanu razlučivost mnogo manju od jednog mikrometra predstavljale su glavni preduvjet za napredak u nanoznanosti kao i nanotehnologiji. Taj se razvoj dogodio posebno od 1990-ih. Na temelju osnovnih metoda skeniranja mikroskopije sonde, danas se dijele brojne druge pod-metode. Oni koriste različite vrste interakcija između vrha sonde i površine uzorka. Dakle, sondni mikroskopi za skeniranje igraju ključnu ulogu u istraživačkim poljima kao što su nanokemija, nanobiologija, nanobiokemija i nanomedicina. Sondni mikroskopi za skeniranje koriste se čak i za istraživanje drugih planeta, poput Marsa. Skenirajući sondni mikroskopi koriste se posebnom tehnikom pozicioniranja koja se temelji na takozvanom piezoelektričnom efektu. Uređaj za pomicanje sonde kontrolira se s računala i omogućuje vrlo precizno pozicioniranje. To omogućuje kontrolirano skeniranje površina uzoraka i prikupljanje rezultata mjerenja u sliku izuzetno visoke rezolucije.
