การสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบ

ภายใต้เงื่อนไข การสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบ มีกล้องจุลทรรศน์จำนวนมากและวิธีการวัดที่เกี่ยวข้องที่ใช้ในการวิเคราะห์พื้นผิว เทคนิคเหล่านี้จึงเป็นส่วนหนึ่งของฟิสิกส์พื้นผิวและส่วนต่อประสาน กล้องจุลทรรศน์หัววัดการสแกนมีลักษณะเฉพาะคือหัววัดจะถูกนำไปบนพื้นผิวในระยะทางเล็กน้อย

กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนคืออะไร?

กล้องจุลทรรศน์ทุกประเภทที่สร้างภาพขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างโพรบและตัวอย่างเรียกว่ากล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกน สิ่งนี้ทำให้วิธีการเหล่านี้แตกต่างจากทั้งกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ที่นี่ไม่มีการใช้เลนส์ออปติคอลหรืออิเล็กตรอน - ออปติคอล

ด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนพื้นผิวของตัวอย่างจะถูกสแกนทีละนิดด้วยความช่วยเหลือของหัววัด ด้วยวิธีนี้ค่าที่วัดได้จะได้รับสำหรับแต่ละจุดซึ่งจะรวมกันเพื่อสร้างภาพดิจิทัล

วิธีการตรวจสอบการสแกนได้รับการพัฒนาและนำเสนอครั้งแรกในปีพ. ศ. 2524 โดย Rohrer และ Binnig มันขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์ของอุโมงค์ที่เกิดขึ้นระหว่างปลายโลหะและพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ผลกระทบนี้เป็นพื้นฐานสำหรับวิธีการตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบการสแกนทั้งหมดที่พัฒนาในภายหลัง

รูปร่างประเภทและประเภท

มีกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนหลายประเภทซึ่งแตกต่างกันโดยคำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโพรบกับตัวอย่างเป็นหลัก จุดเริ่มต้นคือกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์การสแกนซึ่งในปีพ. ศ. 2525 เป็นครั้งแรกที่เปิดใช้งานการแสดงพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการแก้ไขด้วยอะตอม ในช่วงหลายปีต่อมาได้มีการพัฒนาวิธีการด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนอื่น ๆ อีกมากมาย

ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์การสแกนจะมีการใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างพื้นผิวของตัวอย่างและส่วนปลาย กระแสอุโมงค์จะวัดระหว่างตัวอย่างและส่วนปลายซึ่งไม่ได้รับอนุญาตให้สัมผัส ในปีพ. ศ. 2527 กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลใกล้ฟิลด์ ที่นี่แสงจะถูกส่งผ่านตัวอย่างจากหัววัด ในกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูหัววัดจะหักเหโดยใช้แรงอะตอม โดยปกติจะใช้กองกำลังแวนเดอร์วาลส์ที่เรียกว่า การโก่งตัวของโพรบมีความสัมพันธ์ตามสัดส่วนกับแรงซึ่งกำหนดตามค่าคงที่สปริงของโพรบ

กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมได้รับการพัฒนาในปี 1986 ในช่วงแรกกล้องจุลทรรศน์กำลังปรมาณูทำงานบนพื้นฐานของปลายอุโมงค์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับ ปลายอุโมงค์นี้กำหนดระยะห่างจริงระหว่างพื้นผิวของตัวอย่างและเซ็นเซอร์ เทคโนโลยีนี้ใช้แรงดันไฟฟ้าของอุโมงค์ที่อยู่ระหว่างด้านหลังของเซ็นเซอร์และปลายตรวจจับ

ปัจจุบันวิธีนี้ส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยหลักการตรวจจับด้วยการตรวจจับโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวชี้แสง สิ่งนี้เรียกอีกอย่างว่ากล้องจุลทรรศน์แรงเลเซอร์ นอกจากนี้ยังมีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กซึ่งมีแรงแม่เหล็กระหว่างหัววัดและตัวอย่างเป็นพื้นฐานในการกำหนดค่าที่วัดได้

ในปี 1986 ได้มีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ความร้อนแบบสแกนซึ่งเซ็นเซอร์ขนาดเล็กทำหน้าที่เป็นหัววัดการสแกน นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่าการสแกนด้วยแสงกล้องจุลทรรศน์ใกล้สนามซึ่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโพรบและตัวอย่างประกอบด้วยคลื่นที่หายไป

โครงสร้างและการทำงาน

โดยหลักการแล้วกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนทุกประเภทมีเหมือนกันที่จะสแกนพื้นผิวของตัวอย่างในตาราง ใช้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างหัววัดของกล้องจุลทรรศน์กับพื้นผิวของตัวอย่าง ปฏิสัมพันธ์นี้แตกต่างกันไปตามประเภทของกล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกน หัววัดมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับตัวอย่างที่กำลังตรวจสอบ แต่ก็ยังสามารถระบุคุณสมบัติพื้นผิวเล็ก ๆ ของตัวอย่างได้ อะตอมที่สำคัญที่สุดที่ปลายหัววัดมีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งในจุดนี้

ด้วยความช่วยเหลือของการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบสามารถให้ความละเอียดได้ถึง 10 พิโคมิเตอร์ สำหรับการเปรียบเทียบขนาดของอะตอมอยู่ในช่วง 100 picometers ความแม่นยำของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงถูก จำกัด โดยความยาวคลื่นของแสง ด้วยเหตุนี้จึงมีเพียงความละเอียดประมาณ 200 ถึง 300 นาโนเมตรเท่านั้นที่สามารถทำได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ชนิดนี้ สิ่งนี้สอดคล้องกับความยาวคลื่นครึ่งหนึ่งของแสง ดังนั้นจึงใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแทนแสงในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด โดยการเพิ่มพลังงานในทางทฤษฎีความยาวคลื่นสามารถทำให้สั้นได้ตามต้องการ อย่างไรก็ตามความยาวคลื่นที่เล็กเกินไปจะทำลายตัวอย่าง

ประโยชน์ทางการแพทย์และสุขภาพ

ด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนไม่เพียง แต่สามารถสแกนพื้นผิวของตัวอย่างได้ นอกจากนี้ยังสามารถนำอะตอมแต่ละตัวออกจากตัวอย่างและนำไปฝากอีกครั้งในตำแหน่งที่ระบุได้

ตั้งแต่ต้นทศวรรษที่ 1980 การพัฒนากล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนได้ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็ว ความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการปรับปรุงความละเอียดที่น้อยกว่าไมโครมิเตอร์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความก้าวหน้าทางนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีการพัฒนานี้เกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งตั้งแต่ปี 1990

ตามวิธีการพื้นฐานของการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบปัจจุบันมีการแบ่งวิธีการย่อยอื่น ๆ อีกมากมาย สิ่งเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์ประเภทต่างๆระหว่างปลายโพรบกับพื้นผิวตัวอย่าง

การสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบมีบทบาทสำคัญในงานวิจัยเช่นนาโนเคมีนาโนชีวเคมีนาโนเคมีและนาโนเมดิซีน กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนยังใช้ในการสำรวจดาวเคราะห์ดวงอื่นเช่นดาวอังคาร

การสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบใช้เทคนิคการกำหนดตำแหน่งพิเศษตามลักษณะที่เรียกว่าเพียโซเอฟเฟกต์ อุปกรณ์สำหรับเคลื่อนย้ายโพรบถูกควบคุมโดยคอมพิวเตอร์และทำให้สามารถระบุตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถสแกนพื้นผิวของตัวอย่างในลักษณะที่ควบคุมได้และผลการวัดจะรวมกันเป็นจอแสดงผลที่มีความละเอียดสูงมาก