Skanningssonemikroskopi
Scanning probe microscopy ( engelsk scanning probe microscopy SPM) er paraplybetegnelsen for alle typer mikroskopi der bildet ikke er med en optisk eller elektronoptisk avbildning ( produserte linser ) som lysmikroskop (LM) eller skanneelektronmikroskop (SEM) ), men om samspillet mellom en såkalt sonde og prøven. Prøveoverflaten som skal undersøkes skannes punkt for punkt ved hjelp av denne sonden i en rasterprosess. De målte verdiene som resulterer for hvert enkelt punkt blir deretter kombinert for å danne et digitalt bilde.
funksjonalitet
Grovt forenklet kan man forestille seg hvordan en SPM fungerer som å skanne en plate med nålen. Imidlertid avvises nålen med dreieskiven rent mekanisk av mikroskopiske ujevnheter i sporet. Med SPM er imidlertid interaksjonen mellom sonden (nålen) og prøven av en annen art. Avhengig av type interaksjon skilles det mellom følgende typer SPM:
- Skanningstunnelmikroskop (RTM), engl. scanning tunneling microscope (STM): En spenning påføres mellom prøven og spissen, som ikke berører hverandre, og den resulterende tunnellstrømmen måles.
- Atomic Force Microscope (RKM), engl. atomkraftmikroskop (AFM, også SFM): Sonden avbøyes av atomkrefter, vanligvis van der Waals-krefter . Avbøyningen er proporsjonal med kraften, som kan beregnes ved hjelp av sondens fjærkonstant.
- Magnetisk kraftmikroskop (MKM), engl. magnetisk kraftmikroskop (MFM): Her måles magnetkreftene mellom sonden og prøven.
- Optisk skanning nær feltmikroskop , engl. nærfelt skanning optisk mikroskop (SNOM, også NSOM): Samspillet her består av unnvikende bølger .
- Akustisk skanning nær feltmikroskop , engl. skanning av akustisk mikroskop i nærområdet (SNAM eller NSAM)
Følgende størrelsessammenligning er interessant: Hvis atomene i prøven var størrelsen på bordtennisballer , ville sonden (målespissen) være størrelsen på Matterhorn . At man kan skanne slike fine strukturer med en slik grov spiss kan forklares som følger. Atomisk sett, uansett hvor sløv spissen av sonden kan være, vil noen av atomene være på toppen. Siden interaksjonen mellom prøven og spissen avtar eksponensielt med avstanden mellom prøven og spissen, er det bare det fremste (øverste) atomet i spissen som gir et betydelig bidrag.
Løser kraft og manipulasjoner av enkeltatomer
Med denne metoden kan oppløsninger på opptil 10 pikometer (pm) oppnås ( atomer har en størrelse i området 100 pm). Lysmikroskop er begrenset av lysets bølgelengde og oppnår vanligvis bare oppløsninger på ca. 200 til 300 nm, dvs. omtrent halvparten av lysets bølgelengde. Skannelektronmikroskopet bruker derfor elektronstråler i stedet for lys. Teoretisk kan bølgelengden gjøres så liten som ønsket ved å øke energien, men strålen blir så "hard" at den ville ødelegge prøven.
SPM kan ikke bare skanne overflater, men det er også mulig å fjerne individuelle atomer fra prøven og plassere dem tilbake på et definert sted. Slike nanomanipulasjoner ble kjent gjennom bildet av IBMs forskningslaboratorium, hvor selskapets bokstaver ble representert av individuelle xenonatomer .
Med en variant av atomkraftmikroskopet av Leo Gross og Gerhard Meyer ble bruken av den kjemiske strukturen belyst av for eksempel organiske molekyler demonstrert i 2009 og Michael Crommie og Felix R.Fischer fulgte en reaksjon av aromater i organisk kjemi i 2013.
Innflytelse på naturvitenskapene
Utviklingen av skannende probemikroskoper siden begynnelsen av 1980-tallet var en viktig forutsetning for den eksplosive utviklingen av nanovitenskap og nanoteknologi siden midten av 1990-tallet , på grunn av den betydelig forbedrede oppløsningen på godt under 1 mikrometer og muligheten for nanomanipulering . Med utgangspunkt i de grunnleggende metodene som er beskrevet ovenfor, skilles det i dag mellom mange andre delmetoder som adresserer visse tilleggsaspekter av interaksjonen som brukes og gjenspeiles i en rekke utvidede forkortelser:
- STS ( skanning tunnelspektroskopi ),
- STL ( skanning av tunneling luminescens ),
- XSTM ( tverrsnittsskanning tunnelmikroskopi ),
- XSTS ( tverrsnittsskanning tunnelspektroskopi ),
- SPSTM ( spin-polarized scanning tunneling microscopy ),
- VT-STM ( variabel temperatur skanning tunnelmikroskopi ),
- UHV-AFM ( ultrahøyt vakuum atomkraftmikroskop ),
- ASNOM ( apertureless scanning nær-felt optisk mikroskopi ) og mye mer
Analogt med dette dukket forskningsområder som nanobiologi , nanokjemi , nanobiokjemi, nanotribologi, nanomedisin og mange flere opp. En AFM ( atomkraftmikroskop ) er nå til og med blitt sendt til planeten Mars for å undersøke overflaten.
Se også
- Gerd Binnig , fysiker, nobelprisvinner og oppfinner av STM
- Nanomanipulator
litteratur
- B. Voigtländer: Scanning Probe Microscopy . Springer, 2015, ISBN 978-3-662-45239-4 , doi : 10.1007 / 978-3-662-45240-0 .
- B. Voigtländer: Atomic Force Microscopy . Springer, 2019, ISBN 978-3-03013653-6 , doi : 10.1007 / 978-3-030-13654-3 .
- C. Julian Chen: Introduksjon til Scanning Tunneling Microscopy . Oxford University Press, Oxford 1993, ISBN 0-19-507150-6 (engelsk).
- Roland Wiesendanger : Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy - Methods and Applications . Cambridge University Press, Cambridge 1994, ISBN 0-521-42847-5 (engelsk).
Individuelle bevis
- ↑ IBM-bokstaver laget av individuelle xenonatomer
- ↑ Første AFM på Mars , inneholder animasjoner om hvordan AFM fungerer