Termins skenējošais zondes mikroskops aptver virkni mikroskopu un ar tiem saistītās mērīšanas metodes, kas tiek izmantotas virsmu analīzei. Šīs metodes kā tādas ietilpst virsmas un saskarnes fizikā. Skenējošo zondes mikroskopus raksturo mērīšanas zondes izlaišana pa virsmu nelielā attālumā.
Kas ir skenējošais zondes mikroskops?
Termins skenējošais zondes mikroskops aptver virkni mikroskopu un ar tiem saistītās mērīšanas metodes, kas tiek izmantotas, lai analizētu virsmas. Skenējošais zondes mikroskops attiecas uz visu veidu mikroskopiem, kuros attēls veidojas zondes un parauga mijiedarbības rezultātā. Tādējādi šīs metodes atšķiras gan no optiskās mikroskopijas, gan skenējošās elektronu mikroskopijas. Šeit netiek izmantotas ne optiskās, ne elektronoptiskās lēcas. Skenējošā zondes mikroskopā parauga virsma tiek skenēta pa daļām ar zondes palīdzību. Tādā veidā katram atsevišķam punktam tiek iegūtas izmērītās vērtības, kuras beidzot tiek apvienotas, lai iegūtu digitālu attēlu. Skenēšanas zondes metodi pirmoreiz izstrādāja un prezentēja Rohrers un Binnigs 1981. gadā. Tās pamatā ir tuneļa efekts, kas rodas starp metāla galu un vadošu virsmu. Šis efekts ir pamats visām skenēšanas zondes mikroskopijas metodēm, kas izstrādātas vēlāk.
Formas, veidi un stili
Pastāv vairāki skenējošo zondes mikroskopu veidi, kas galvenokārt atšķiras no zondes un parauga mijiedarbības. Sākumpunkts bija skenējošā tuneļa mikroskopija, kas vispirms ļāva elektriski vadošu virsmu atomu izšķirtspējas attēlveidošanu 1982. gadā. Turpmākajos gados tika izstrādātas daudzas citas skenēšanas zondes mikroskopijas metodes. Skenēšanas tuneļa mikroskopijā starp parauga virsmu un galu tiek uzlikts spriegums. Tiek mērīta tuneļa strāva starp paraugu un galu, un tie nedrīkst pieskarties viens otram. 1984. gadā pirmo reizi tika izstrādāta optiskā tuvlauka mikroskopija. Šeit gaisma caur paraugu tiek nosūtīta, sākot no zondes. Atomu spēku mikroskopā zondi novirza ar atomu spēku palīdzību. Parasti tiek izmantoti tā sauktie Van der Vālsa spēki. Zondes novirze parāda proporcionālu attiecību ar spēku, kas tiek noteikts atbilstoši zondes atsperes konstantei. Atomu spēka mikroskopija tika izstrādāta 1986. gadā. Sākumā atomu spēka mikroskopi darbojās, pamatojoties uz tuneļa galu, kas darbojās kā detektors. Šis tuneļa gals nosaka faktisko attālumu starp parauga virsmu un sensoru. Šajā tehnikā tiek izmantots tuneļa spriegums, kas pastāv starp sensora aizmuguri un detektora uzgali. Mūsdienās šo paņēmienu lielā mērā aizstāj noteikšanas princips, kad noteikšana tiek veikta, izmantojot lāzera staru, kas darbojas kā gaismas rādītājs. To sauc arī par lāzera spēka mikroskopu. Turklāt tika izstrādāts magnētiskā spēka mikroskops, kurā magnētiskie spēki starp zondi un paraugu kalpo par pamatu izmērīto vērtību noteikšanai. 1986. gadā tika izstrādāts arī skenējošais termālais mikroskops, kurā niecīgs sensors darbojas kā skenēšanas zonde. Ir arī tā sauktais skenējošais tuvlauka optiskais mikroskops, kurā zondes un parauga mijiedarbība sastāv no nemīkstinošiem viļņiem.
Struktūra un darbība
Principā visiem skenējošo zondes mikroskopu tipiem ir kopīga iezīme, ka tie skenē parauga virsmu režģī. Tas izmanto mijiedarbību starp mikroskopa zondi un parauga virsmu. Šī mijiedarbība atšķiras atkarībā no skenējošā zondes mikroskopa veida. Zonde ir milzīga, salīdzinot ar pārbaudāmo paraugu, tomēr spēj noteikt parauga virsmas īpatnības. Īpaša nozīme šajā brīdī ir vissvarīgākais atoms zondes galā. Izmantojot skenējošās zondes mikroskopu, ir iespējama līdz 10 pikometru izšķirtspēja. Salīdzinājumam atomu izmērs ir 100 pikometru diapazonā. Gaismas mikroskopu precizitāti ierobežo gaismas viļņa garums. Šī iemesla dēļ ar šāda veida mikroskopu ir iespējamas tikai aptuveni 200 līdz 300 nanometru izšķirtspējas. Tas atbilst apmēram pusei gaismas viļņa garuma. Tāpēc skenējošais elektronu mikroskops gaismas vietā izmanto elektronu starojumu. Palielinot enerģiju, teorētiski viļņa garumu var patvaļīgi saīsināt. Tomēr pārāk īss viļņa garums iznīcinātu paraugu.
Medicīniskās un veselības priekšrocības
Izmantojot skenējošo zondes mikroskopu, ir iespējams skenēt ne tikai parauga virsmu. Tā vietā ir iespējams arī atlasīt atsevišķus atomus no parauga un novietot tos atpakaļ iepriekš noteiktā vietā. Kopš 1980. gadu sākuma skenējošās zondes mikroskopijas attīstība ir strauji progresējusi. Jaunās iespējas uzlabot daudz mazāk nekā viena mikrometra izšķirtspēju bija galvenais priekšnoteikums nanozinātnes, kā arī nanotehnoloģijas attīstībai. Šī attīstība notika īpaši kopš 1990. gadiem. Balstoties uz zondes mikroskopijas skenēšanas pamatmetodēm, daudzas citas apakšmetodes mūsdienās ir sadalītas sīkāk. Tie izmanto dažāda veida mijiedarbību starp zondes galu un parauga virsmu. Tādējādi zondes skenēšanas mikroskopiem ir būtiska loma tādās pētniecības jomās kā nanohīmija, nanobioloģija, nanobiohīmija un nanomedicīna. Skenējošie zondes mikroskopi tiek izmantoti pat citu planētu, piemēram, Marsa, izpētei. Skenējošie zondes mikroskopi izmanto īpašu pozicionēšanas tehniku, kuras pamatā ir tā dēvētais pjezoelektriskais efekts. Aparātu zondes pārvietošanai kontrolē no datora, un tas nodrošina ļoti precīzu pozicionēšanu. Tas ļauj kontrolētā veidā skenēt paraugu virsmas un apkopot mērījumu rezultātus ārkārtīgi augstas izšķirtspējas attēlā.
