Microscopio a sonda a scansione

Sotto il termine Microscopio a sonda a scansione Esistono numerosi microscopi e i metodi di misurazione associati utilizzati per analizzare le superfici. Queste tecniche fanno quindi parte della fisica delle superfici e dell'interfaccia. I microscopi con sonda a scansione sono caratterizzati dal fatto che una sonda di misurazione è guidata su una superficie a una piccola distanza.

Cos'è un microscopio con sonda a scansione?

Tutti i tipi di microscopi in cui l'immagine viene creata a seguito di un'interazione tra la sonda e il campione sono indicati come microscopi con sonda a scansione. Ciò distingue questi metodi sia dalla microscopia ottica che dalla microscopia elettronica a scansione. Qui non vengono utilizzate né lenti ottiche né ottiche elettroniche.

Con il microscopio a sonda di scansione, la superficie del campione viene scansionata bit per bit con l'aiuto di una sonda. In questo modo si ottengono valori misurati per ogni singolo punto, che vengono poi combinati per creare un'immagine digitale.

Il metodo della sonda di scansione è stato sviluppato e presentato per la prima volta nel 1981 da Rohrer e Binnig. Si basa sull'effetto tunnel che si crea tra una punta metallica e una superficie conduttiva. Questo effetto costituisce la base per tutti i metodi di microscopia con sonda a scansione sviluppati successivamente.

Forme, tipi e tipi

Esistono diversi tipi di microscopi con sonda a scansione, che differiscono principalmente per quanto riguarda l'interazione tra la sonda e il campione. Il punto di partenza è stata la microscopia a scansione a tunnel, che nel 1982 per la prima volta ha consentito una rappresentazione a risoluzione atomica di superfici elettricamente conduttive. Negli anni successivi furono sviluppati numerosi altri metodi di microscopia con sonda a scansione.

Con il microscopio a tunnel a scansione, viene applicata una tensione tra la superficie del campione e la punta. La corrente del tunnel viene misurata tra il campione e la punta, che non possono nemmeno toccarsi. Nel 1984 è emersa la microscopia ottica a campo vicino. Qui la luce viene inviata attraverso il campione da una sonda. Nel microscopio a forza atomica, la sonda viene deviata per mezzo di forze atomiche. Di solito vengono utilizzate le cosiddette forze di van der Waals. La deflessione della sonda ha una relazione proporzionale alla forza, che è determinata in base alla costante della molla della sonda.

La microscopia a forza atomica è stata sviluppata nel 1986. All'inizio, i microscopi a forza atomica lavoravano sulla base di una punta del tunnel che funge da rilevatore. Questa punta del tunnel determina la distanza effettiva tra la superficie del campione e il sensore. La tecnologia utilizza la tensione del tunnel che esiste tra la parte posteriore del sensore e la punta di rilevamento.

Al giorno d'oggi, questo metodo è stato ampiamente sostituito dal principio di rilevamento, con il rilevamento che utilizza un raggio laser che funziona come un puntatore luminoso. Questo è anche noto come microscopio a forza laser. Inoltre, è stato sviluppato un microscopio a forza magnetica in cui le forze magnetiche tra la sonda e il campione servono come base per determinare i valori misurati.

Nel 1986 è stato sviluppato anche il microscopio termico a scansione, in cui un minuscolo sensore funziona come una sonda di scansione. Esiste anche un cosiddetto microscopio a scansione ottica a campo vicino, in cui l'interazione tra sonda e campione è costituita da onde evanescenti.

Struttura e funzionalità

In linea di principio, tutti i tipi di microscopi a sonda di scansione hanno in comune il fatto di scansionare la superficie del campione in una griglia. Viene utilizzata l'interazione tra la sonda del microscopio e la superficie del campione. Questa interazione varia a seconda del tipo di microscopio con sonda a scansione. La sonda è enorme rispetto al campione in esame, eppure è in grado di determinare le minuscole caratteristiche della superficie del campione. Il primo atomo sulla punta della sonda è particolarmente rilevante a questo punto.

Con l'aiuto della microscopia con sonda a scansione, sono possibili risoluzioni fino a 10 picometri. Per confronto: la dimensione degli atomi è nell'intervallo di 100 picometri. La precisione dei microscopi ottici è limitata dalla lunghezza d'onda della luce. Per questo motivo, con questo tipo di microscopio sono possibili solo risoluzioni da 200 a 300 nanometri. Ciò corrisponde a circa la metà della lunghezza d'onda della luce. Pertanto, i fasci di elettroni vengono utilizzati al posto della luce in un microscopio elettronico a scansione. Aumentando l'energia, la lunghezza d'onda può in teoria essere ridotta quanto si desidera. Tuttavia, una lunghezza d'onda troppo piccola distruggerebbe il campione.

Benefici medici e per la salute

Con l'aiuto di un microscopio a sonda di scansione, non è solo possibile scansionare la superficie di un campione. Invece, i singoli atomi possono anche essere rimossi dal campione e depositati nuovamente in una posizione specificata.

Dall'inizio degli anni '80, lo sviluppo della microscopia con sonda a scansione è progredito rapidamente. Le nuove possibilità di una risoluzione migliorata di molto meno di un micrometro erano un prerequisito essenziale per i progressi nelle nanoscienze e nelle nanotecnologie, sviluppo che si è verificato in particolare a partire dagli anni '90.

Sulla base dei metodi di base della microscopia con sonda a scansione, numerosi altri sotto-metodi sono oggi divisi. Questi sfruttano diversi tipi di interazione tra la punta della sonda e la superficie del campione.

I microscopi a sonda a scansione svolgono un ruolo essenziale in aree di ricerca quali nanochemistry, nanobiology, nanobiochemistry e nanomedicine. I microscopi a sonda a scansione vengono persino utilizzati per esplorare altri pianeti come Marte.

I microscopi con sonda a scansione utilizzano una speciale tecnica di posizionamento basata sul cosiddetto effetto piezo. L'apparato per lo spostamento della sonda è controllato dal computer e consente un posizionamento estremamente preciso. Ciò consente di scansionare le superfici dei campioni in modo controllato e di combinare i risultati della misurazione in un display ad altissima risoluzione.