Scanning probe microscoop

Onder de term Scanning probe microscoop Er zijn een aantal microscopen en de bijbehorende meetmethoden die worden gebruikt om oppervlakken te analyseren. Deze technieken maken daarom deel uit van de oppervlakte- en grensvlakfysica. Scanning probe microscopen worden gekenmerkt doordat een meetsonde op een kleine afstand over een oppervlak wordt geleid.

Wat is een scanning-probe-microscoop?

Alle soorten microscopen waarin het beeld ontstaat als resultaat van een interactie tussen de sonde en het monster, worden scanning sondemicroscopen genoemd. Dit onderscheidt deze methoden van zowel lichtmicroscopie als scanning elektronenmicroscopie. Hierbij worden noch optische, noch elektronen-optische lenzen gebruikt.

Met de scanning sondemicroscoop wordt het oppervlak van het monster stukje bij beetje gescand met behulp van een sonde. Op deze manier worden voor elk afzonderlijk punt meetwaarden verkregen, die vervolgens worden gecombineerd tot een digitaal beeld.

De scanning probe-methode werd voor het eerst ontwikkeld en gepresenteerd in 1981 door Rohrer en Binnig. Het is gebaseerd op het tunneleffect dat ontstaat tussen een metalen punt en een geleidend oppervlak. Dit effect vormt de basis voor alle later ontwikkelde scanning probe microscopie methoden.

Vormen, soorten en typen

Er zijn verschillende soorten scanning-sondemicroscopen, die voornamelijk verschillen met betrekking tot de interactie tussen de sonde en het monster. Het startpunt was de scanning tunneling microscopie, die in 1982 voor het eerst een atomair opgeloste weergave van elektrisch geleidende oppervlakken mogelijk maakte. In de daaropvolgende jaren ontwikkelden zich talloze andere microscopiemethoden met scanning probe.

Met de scanning tunneling microscoop wordt een spanning aangelegd tussen het oppervlak van het monster en de punt. De tunnelstroom wordt gemeten tussen het monster en de punt, die ook niet mogen aanraken. In 1984 ontstond optische nabij-veldmicroscopie. Hier wordt licht van een sonde door het monster gestuurd. Bij de atoomkrachtmicroscoop wordt de sonde afgebogen door middel van atoomkrachten. Meestal worden de zogenaamde van der Waals-krachten gebruikt. De afbuiging van de sonde heeft een evenredige relatie met de kracht, die wordt bepaald volgens de veerconstante van de sonde.

Atoomkrachtmicroscopie werd ontwikkeld in 1986. In het begin werkten atoomkrachtmicroscopen op basis van een tunneltip die als detector fungeert. Deze tunneltip bepaalt de werkelijke afstand tussen het oppervlak van het monster en de sensor. De technologie maakt gebruik van de tunnelspanning die aanwezig is tussen de achterkant van de sensor en de detectiepunt.

Tegenwoordig is deze methode grotendeels vervangen door het detectieprincipe, met detectie met behulp van een laserstraal die als lichtwijzer fungeert. Dit wordt ook wel een laserkrachtmicroscoop genoemd. Daarnaast is een magneetkrachtmicroscoop ontwikkeld waarbij magnetische krachten tussen sonde en monster als basis dienen voor het bepalen van de meetwaarden.

In 1986 werd ook de thermische scanmicroscoop ontwikkeld, waarin een kleine sensor fungeert als een scansonde. Er is ook een zogenaamde optische scanning nabij-veldmicroscoop, waarbij de interactie tussen sonde en monster bestaat uit vluchtige golven.

Structuur en functionaliteit

In principe hebben alle soorten scanning probe microscopen gemeen dat ze het oppervlak van het monster in een rooster scannen. De interactie tussen de sonde van de microscoop en het oppervlak van het monster wordt gebruikt. Deze interactie verschilt afhankelijk van het type scanning probe microscoop. De sonde is enorm in vergelijking met het monster dat wordt onderzocht, en toch is hij in staat om de kleine oppervlaktekenmerken van het monster te bepalen. Het voorste atoom aan het uiteinde van de sonde is op dit punt bijzonder relevant.

Met behulp van scanning probe microscopie zijn resoluties tot 10 picometer mogelijk. Ter vergelijking: de grootte van atomen ligt in het bereik van 100 picometer. De nauwkeurigheid van lichtmicroscopen wordt beperkt door de golflengte van het licht. Daarom zijn met dit type microscoop alleen resoluties van rond de 200 tot 300 nanometer mogelijk. Dit komt overeen met ongeveer de helft van de golflengte van licht. Daarom worden elektronenbundels gebruikt in plaats van licht in een scanning elektronenmicroscoop. Door het verhogen van de energie kan de golflengte in theorie zo kort worden gemaakt als gewenst. Een te kleine golflengte zou het monster echter vernietigen.

Medische en gezondheidsvoordelen

Met behulp van een scanning probe microscoop is het niet alleen mogelijk om het oppervlak van een monster te scannen. In plaats daarvan kunnen ook individuele atomen uit het monster worden verwijderd en weer op een bepaalde locatie worden afgezet.

Sinds het begin van de jaren tachtig is de ontwikkeling van scanning probe microscopie snel gevorderd. De nieuwe mogelijkheden voor een verbeterde resolutie van veel minder dan een micrometer waren een essentiële voorwaarde voor vooruitgang in nanowetenschappen en nanotechnologie, vooral sinds de jaren negentig.

Op basis van de basismethoden van scanning sondemicroscopie zijn tegenwoordig tal van andere submethoden verdeeld. Deze maken gebruik van verschillende soorten interactie tussen de sondetip en het monsteroppervlak.

Scanning probe microscopen spelen een essentiële rol in onderzoeksgebieden zoals nanochemie, nanobiologie, nanobiochemie en nanogeneeskunde. Scanning probe microscopen worden zelfs gebruikt om andere planeten zoals Mars te verkennen.

Scanning probe microscopen maken gebruik van een speciale positioneringstechniek gebaseerd op het zogenaamde piëzo-effect. Het apparaat voor het verplaatsen van de sonde wordt bestuurd door de computer en maakt een zeer nauwkeurige positionering mogelijk. Hierdoor kunnen de oppervlakken van de monsters op een gecontroleerde manier worden gescand en kunnen de meetresultaten worden gecombineerd tot een display met een extreem hoge resolutie.