Skaneeriva sondi mikroskoop

Mõiste all Skaneeriva sondi mikroskoop Pindade analüüsimiseks kasutatakse mitmeid mikroskoope ja nendega seotud mõõtmismeetodeid. Seetõttu on need tehnikad osa pinna- ja liidesefüüsikast. Skaneeriva sondi mikroskoope iseloomustab see, et mõõtesond juhitakse pinnale väikese vahemaa tagant.

Mis on skaneeriva sondi mikroskoop?

Igat tüüpi mikroskoope, milles pilt luuakse sondi ja proovi vahelise vastasmõju tulemusel, nimetatakse skaneerivateks sondi mikroskoopideks. See eristab neid meetodeid nii valgusmikroskoopiast kui ka skaneeriva elektronmikroskoopiaga. Siin ei kasutata ei optilisi ega elektron-optilisi läätsi.

Skaneeriva sondimikroskoobi abil skaneeritakse proovi pinda sondi abil natukehaaval. Sel viisil saadakse iga punkti jaoks mõõdetud väärtused, mis seejärel ühendatakse, et luua digitaalne pilt.

Skaneeriva sondimeetodi töötasid esmakordselt välja ja tutvustasid 1981. aastal Rohrer ja Binnig. See põhineb tunneliefektil, mis tekib metallilise otsa ja juhtiva pinna vahel. See efekt on aluseks kõigile hiljem välja töötatud skaneerimissondide mikroskoopia meetoditele.

Kujundid, tüübid ja tüübid

Skaneeriva sondi mikroskoope on erinevat tüüpi, mis erinevad peamiselt sondi ja proovi vahelise interaktsiooni osas. Lähtepunktiks oli skaneeriva tunnelmikroskoopia, mis 1982. aastal võimaldas esimest korda elektrit juhtivate pindade atomaarselt lahendatud kujutist. Järgnevate aastate jooksul on välja töötatud arvukalt muid skaneerivate sondide mikroskoopia meetodeid.

Skaneeriva tunnelmikroskoobiga rakendatakse proovi pinna ja otsa vahele pinget. Tunneli voolu mõõdetakse proovi ja otsa vahel, millel samuti pole lubatud puutuda. 1984. aastal tekkis optiline lähivälja mikroskoopia. Siin saadetakse valgus proovi kaudu sondist. Aatomjõu mikroskoobis deformeeritakse sond aatomjõudude abil. Tavaliselt kasutatakse nn van der Waalsi vägesid. Sondi läbipaindel on proportsionaalne suhe jõuga, mis määratakse kindlaks sondi vedrukonstandi järgi.

Aatomjõu mikroskoopia töötati välja 1986. aastal. Alguses töötasid tuumajõumikroskoobid tunneli otsa alusel, mis toimib detektorina. See tunneli ots määrab proovi pinna ja anduri vahelise tegeliku vahemaa. Tehnoloogia kasutab tunneli pinget, mis on anduri tagaosa ja tuvastusotsaku vahel.

Tänapäeval on see meetod suures osas asendatud tuvastuspõhimõttega, mille tuvastuseks kasutatakse valguskursorina toimivat laserkiirt. Seda tuntakse ka kui laserjõumikroskoopi. Lisaks töötati välja magnetilise jõu mikroskoop, milles mõõdetud väärtuste määramiseks võetakse sondi ja proovi vahel olevad magnetjõud.

1986. aastal töötati välja ka skaneerimise termomikroskoop, milles pisike andur töötab skaneeriva sondina. Samuti on olemas nn optilise skaneerimise lähiväljas mikroskoop, milles sondi ja proovi vastastikmõju koosneb hõõguvatest lainetest.

Struktuur ja funktsionaalsus

Põhimõtteliselt on igat tüüpi skaneerivate sondimikroskoopide puhul tavaline, et nad skaneerivad proovi pinda ruudustikus. Kasutatakse mikroskoobi sondi ja proovi pinna vastastikmõju. See interaktsioon on erinev sõltuvalt skaneeriva sondi mikroskoobi tüübist. Sond on uuritava prooviga võrreldes tohutu, kuid suudab siiski kindlaks teha proovi pisikesed pinnaomadused. Selles osas on eriti oluline sondi tipus asuv peamine aatom.

Skaneeriva sondmikroskoopia abil on võimalik eraldada kuni 10 pikomeetrit. Võrdluseks: aatomite suurus on vahemikus 100 pikomeetrit. Valgusmikroskoopide täpsust piirab valguse lainepikkus. Sel põhjusel on seda tüüpi mikroskoobiga võimalik eraldada ainult umbes 200–300 nanomeetrit. See vastab umbes poolele valguse lainepikkusele. Seetõttu kasutatakse skaneerivas elektronmikroskoobis valguse asemel elektronkiiri. Energia suurendamisega saab lainepikkuse teoreetiliselt muuta nii lühikeseks kui soovitakse. Liiga väike lainepikkus hävitaks siiski proovi.

Meditsiiniline ja tervislik kasu

Skaneeriva sondmikroskoobi abil pole võimalik skaneerida ainult proovi pinda. Selle asemel võib üksikud aatomid ka proovist eemaldada ja uuesti kindlaksmääratud kohta paigutada.

Alates 1980. aastate algusest on skaneeriva sondmikroskoopia areng kiiresti edasi arenenud. Nanoteaduste ja nanotehnoloogia edusammude oluliseks eeltingimuseks olid uued, vähem kui mikromeetrise eraldusvõime paremad võimalused, mis on toimunud eriti alates 1990ndatest.

Sondmikroskoopia skaneerimise põhimeetodite põhjal jagatakse tänapäeval arvukalt muid alameetodeid. Nendes kasutatakse ära sondi otsa ja proovi pinna vahelist erinevat tüüpi interaktsiooni.

Skaneerivate sondimikroskoopidega on oluline roll sellistes uurimisvaldkondades nagu nanokeemia, nanobioloogia, nanobiokeemia ja nanomeditsiin. Skaneeriva sondi mikroskoope kasutatakse isegi teiste planeetide, näiteks Marsi, uurimiseks.

Skaneerivate sondimikroskoopide puhul kasutatakse spetsiaalset positsioneerimistehnikat, mis põhineb nn pieso-efektil. Anduri liigutamiseks mõeldud seadet juhib arvuti ja see võimaldab ülitäpset positsioneerimist. See võimaldab proovide pindu kontrollitud viisil skaneerida ja mõõtmistulemused ühendada äärmiselt suure eraldusvõimega ekraaniks.