Pojem skenovací sondový mikroskop pokrýva celý rad mikroskopov a súvisiacich meracích techník, ktoré sa používajú na analýzu povrchov. Preto tieto techniky spadajú pod povrchovú a medzifázovú fyziku. Mikroskopy skenovacej sondy sa vyznačujú prechodom meracej sondy po povrchu v malej vzdialenosti.
Čo je to mikroskop so skenovacou sondou?
Pojem mikroskop so skenovacou sondou pokrýva celý rad mikroskopov a s nimi spojené meracie techniky, ktoré sa používajú na analýzu povrchov. Mikroskop skenovacej sondy označuje všetky typy mikroskopov, v ktorých sa obraz vytvára v dôsledku interakcie medzi sondou a vzorkou. Tieto metódy sa teda líšia od optickej mikroskopie aj od skenovacej elektrónovej mikroskopie. Tu sa nepoužívajú optické ani elektrónoptické šošovky. V mikroskope skenovacej sondy sa povrch vzorky skenuje kúsok po kúsku pomocou sondy. Týmto spôsobom sa získajú namerané hodnoty pre každý jednotlivý bod, ktoré sa nakoniec skombinujú a vytvorí sa digitálny obraz. Metóda skenovacej sondy bola prvýkrát vyvinutá a predstavená Rohrerom a Binnigom v roku 1981. Je založená na tunelovom efekte, ktorý sa vyskytuje medzi kovovým hrotom a vodivým povrchom. Tento efekt predstavuje základ pre všetky techniky mikroskopie skenovacej sondy vyvinuté neskôr.
Tvary, typy a štýly
Existuje niekoľko typov mikroskopov skenovacej sondy, ktoré sa líšia predovšetkým interakciou medzi sondou a vzorkou. Východiskovým bodom bola skenovacia tunelovacia mikroskopia, ktorá ako prvá umožnila zobrazovanie elektricky vodivých povrchov v atómovom rozlíšení v roku 1982. Počas nasledujúcich rokov sa vyvinulo množstvo ďalších techník mikroskopie skenovacej sondy. Pri skenovacej tunelovacej mikroskopii sa na povrch vzorky a hrot privádza napätie. Meria sa prúd tunela medzi vzorkou a špičkou a nesmú sa navzájom dotýkať. V roku 1984 bola prvýkrát vyvinutá optická mikroskopia blízkeho poľa. Tu sa cez vzorku vysiela svetlo vychádzajúce zo sondy. V mikroskope s atómovými silami je sonda odklonená pomocou atómových síl. Spravidla sa používajú takzvané Van der Waalsove sily. Vychýlenie sondy ukazuje proporcionálny vzťah k sile, ktorá sa určuje podľa pružinovej konštanty sondy. Mikroskopia atómovej sily bola vyvinutá v roku 1986. Spočiatku mikroskopy atómovej sily fungovali na báze špičky tunela fungujúcej ako detektor. Tento hrot tunela určuje skutočnú vzdialenosť medzi povrchom vzorky a snímačom. Táto technika využíva napätie tunela, ktoré existuje medzi zadnou časťou snímača a detekčným hrotom. V modernej dobe bola táto technika do značnej miery nahradená princípom detekcie, keď sa detekcia vykonáva pomocou laserového lúča, ktorý funguje ako svetelný ukazovateľ. Toto je tiež známe ako laserový silový mikroskop. Ďalej bol vyvinutý magnetický silový mikroskop, v ktorom magnetické sily medzi sondou a vzorkou slúžia ako základ pre stanovenie nameraných hodnôt. V roku 1986 bol tiež vyvinutý skenovací termálny mikroskop, v ktorom malý snímač slúži ako skenovacia sonda. Existuje tiež takzvaný skenovací optický mikroskop s blízkym poľom, v ktorom interakciu medzi sondou a vzorkou tvoria evanescentné vlny.
Štruktúra a prevádzka
V zásade majú všetky typy mikroskopov skenovacej sondy spoločné to, že skenujú povrch vzorky v mriežke. Toto využíva výhody interakcie medzi sondou mikroskopu a povrchom vzorky. Táto interakcia sa líši v závislosti od typu mikroskopu skenovacej sondy. Sonda je obrovská v porovnaní so vzorkou, ktorá sa má skúmať, a napriek tomu dokáže detegovať charakteristické vlastnosti povrchu vzorky. V tomto bode je obzvlášť dôležitý najpoprednejší atóm na konci sondy. Pomocou mikroskopie skenovacej sondy je možné rozlíšenie až 10 pikometrov. Pre porovnanie, veľkosť atómov sa pohybuje v rozmedzí 100 pikometrov. Presnosť svetelných mikroskopov je obmedzená vlnovou dĺžkou svetla. Z tohto dôvodu je pri tomto type mikroskopu možné iba rozlíšenie asi 200 až 300 nanometrov. To zodpovedá približne polovici vlnovej dĺžky svetla. Preto skenovací elektrónový mikroskop používa namiesto svetla elektrónové žiarenie. Zvyšovaním energie je možné teoreticky vlnovú dĺžku ľubovoľne skrátiť. Príliš krátka vlnová dĺžka by však vzorku zničila.
Lekárske a zdravotné výhody
Pomocou mikroskopu so skenovacou sondou nie je možné skenovať iba povrch vzorky. Namiesto toho je tiež možné vybrať jednotlivé atómy zo vzorky a umiestniť ich späť na vopred určené miesto. Od začiatku 1980. rokov vývoj mikroskopie skenovacej sondy rýchlo napredoval. Nové možnosti zlepšeného rozlíšenia oveľa menej ako jedného mikrometra predstavovali hlavný predpoklad pokroku v oblasti nanovied a nanotechnológií. Tento vývoj nastal najmä od 1990. rokov. Na základe základných metód mikroskopie skenovacej sondy je v dnešnej dobe rozdelených mnoho ďalších čiastkových metód. Tieto využívajú rôzne typy interakcie medzi hrotom sondy a povrchom vzorky. Mikroskopy skenovacej sondy teda hrajú zásadnú úlohu vo výskumných oblastiach, ako sú nanochémia, nanobiológia, nanobiochémia a nanomedicína. Mikroskopy skenovacej sondy sa dokonca používajú na prieskum iných planét, napríklad Marsu. Mikroskopy skenovacej sondy využívajú špeciálnu techniku určovania polohy založenú na takzvanom piezoelektrickom efekte. Prístroj na premiestňovanie sondy je ovládaný z počítača a umožňuje vysoko presné určovanie polohy. To umožňuje riadené skenovanie povrchov vzoriek a zhromažďovanie výsledkov meraní do obrazu s vysokým rozlíšením.
