Begrepet skanningssondemikroskop dekker en rekke mikroskop og tilhørende måleteknikker som brukes til å analysere overflater. Som sådan faller disse teknikkene under overflate- og grensesnittfysikk. Skannende sondemikroskop er preget av å føre en målesonde over en overflate på en liten avstand.
Hva er et skanneprogrammikroskop?
Begrepet skanningssondemikroskop dekker en rekke mikroskoper og deres tilhørende måleteknikker som brukes til å analysere overflater. Skannende probemikroskop refererer til alle typer mikroskop der bildet dannes som et resultat av interaksjon mellom sonden og prøven. Dermed skiller disse metodene seg fra både optisk mikroskopi og skanningelektronmikroskopi. Her brukes verken optiske eller elektronoptiske linser. I skannesondemikroskopet blir overflaten av prøven skannet stykke for stykke ved hjelp av en sonde. På denne måten oppnås måleverdier for hvert enkelt sted, som til slutt kombineres for å produsere et digitalt bilde. Skannesondemetoden ble først utviklet og presentert av Rohrer og Binnig i 1981. Den er basert på tunneleffekten som oppstår mellom en metallspiss og en ledende overflate. Denne effekten danner grunnlaget for alle teknikker for skanning av probemikroskopi som er utviklet senere.
Former, typer og stiler
Det finnes flere typer skanningssondemikroskop, som hovedsakelig skiller seg ut i samspillet mellom sonden og prøven. Utgangspunktet var skanning av tunnelmikroskopi, som først tillot atomoppløsningsbildebehandling av elektrisk ledende overflater i 1982. I løpet av de påfølgende årene utviklet det seg mange andre teknikker for skanningssondmikroskopi. Ved skanning av tunnelmikroskopi påføres en spenning mellom overflaten av prøven og spissen. Tunnelstrømmen mellom prøven og spissen måles, og de må ikke berøre hverandre. I 1984 ble optisk nærfeltmikroskopi først utviklet. Her sendes lys gjennom prøven med utgangspunkt i en sonde. I atomkraftmikroskopet avbøyes sonden ved hjelp av atomkrefter. Som regel brukes de såkalte Van der Waals-styrkene. Avbøyningen av sonden viser et proporsjonalt forhold til kraften, som bestemmes i henhold til sondens vårkonstant. Atomkraftmikroskopi ble utviklet i 1986. I begynnelsen fungerte atomkraftmikroskop på basis av en tunnelspiss som fungerte som en detektor. Denne tunnelspissen bestemmer den faktiske avstanden mellom overflaten av prøven og sensoren. Teknikken bruker tunnelspenningen som eksisterer mellom baksiden av sensoren og deteksjonsspissen. I moderne tid har denne teknikken i stor grad blitt erstattet av deteksjonsprinsippet, der deteksjon gjøres ved hjelp av en laserstråle som fungerer som en lyspeker. Dette er også kjent som et laserkraftmikroskop. I tillegg ble det utviklet et magnetisk kraftmikroskop der magnetiske krefter mellom sonden og prøven tjener som grunnlag for å bestemme de målte verdiene. I 1986 ble det skannende termiske mikroskopet også utviklet, der en liten sensor fungerer som en skanningssonde. Det er også et såkalt skannende nærfelt optisk mikroskop, der samspillet mellom sonde og prøve består av evanescent bølger.
Struktur og drift
I prinsippet har alle typer skanningssondemikroskoper til felles at de skanner overflaten av prøven i et rutenett. Dette utnytter samspillet mellom sonden i mikroskopet og overflaten av prøven. Denne interaksjonen er forskjellig avhengig av typen skanningsprobemikroskop. Sonden er enorm i forhold til prøven som undersøkes, men likevel i stand til å oppdage de små overflatefunksjonene til prøven. Av særlig relevans på dette punktet er det fremste atomet på tuppen av sonden. Ved hjelp av skanningssondemikroskopi er oppløsninger på opptil 10 pikometer mulig. Til sammenligning er størrelsen på atomer i området 100 pikometer. Nøyaktigheten til lysmikroskoper er begrenset av lysets bølgelengde. Av denne grunn er bare oppløsninger på omtrent 200 til 300 nanometer mulig med denne typen mikroskop. Dette tilsvarer omtrent halvparten av lysets bølgelengde. Derfor bruker et skanningelektronmikroskop elektronstråling i stedet for lys. Ved å øke energien kan bølgelengden gjøres vilkårlig kort i teorien. Imidlertid vil en bølgelengde som er for kort ødelegge prøven.
Medisinske og helsemessige fordeler
Ved hjelp av et skanneproskopmikroskop er det ikke bare mulig å skanne overflaten av en prøve. I stedet er det også mulig å plukke individuelle atomer fra prøven og plassere dem tilbake på et forutbestemt sted. Siden begynnelsen av 1980-tallet har utviklingen av skanningssondemikroskopi utviklet seg raskt. De nye mulighetene for forbedret oppløsning på mye mindre enn ett mikrometer representerte en viktig forutsetning for fremgang innen nanovitenskap så vel som nanoteknologi. Denne utviklingen skjedde spesielt siden 1990-tallet. Basert på de grunnleggende metodene for skanning av probemikroskopi, er mange andre undermetoder delt inn i våre dager. Disse bruker forskjellige typer interaksjon mellom sondespissen og prøveoverflaten. Dermed spiller skanningsprobemikroskop en viktig rolle i forskningsfelt som nanokjemi, nanobiologi, nanobiokjemi og nanomedisin. Skannende probemikroskoper brukes til og med for å utforske andre planeter, for eksempel Mars. Skannende sondemikroskop bruker en spesiell posisjoneringsteknikk basert på den såkalte piezoelektriske effekten. Apparatet for å forskyve sonden styres fra en datamaskin og muliggjør svært nøyaktig posisjonering. Dette gjør at overflatene på prøvene kan skannes på en kontrollert måte og måleresultatene samles til et enormt høyoppløselig bilde.
