De term scanning probe microscope omvat een reeks microscopen en bijbehorende meettechnieken die worden gebruikt om oppervlakken te analyseren. Als zodanig vallen deze technieken onder de oppervlakte- en grensvlakfysica. Scanning probe microscopen worden gekenmerkt doordat ze een meetsonde op een kleine afstand over een oppervlak laten gaan.
Wat is een scanning-probe-microscoop?
De term scanning-sondemicroscoop omvat een reeks microscopen en de bijbehorende meettechnieken die worden gebruikt om oppervlakken te analyseren. Scanning probe microscope verwijst naar alle soorten microscopen waarin het beeld wordt gevormd als resultaat van interactie tussen de sonde en het monster. Deze methoden verschillen dus van zowel optische microscopie als scanning-elektronenmicroscopie. Hier worden noch optische, noch elektronen-optische lenzen gebruikt. Bij de scanning sondemicroscoop wordt met behulp van een sonde het oppervlak van het monster stuk voor stuk gescand. Op deze manier worden voor elke individuele spot gemeten waarden verkregen die uiteindelijk worden gecombineerd om een digitaal beeld te produceren. De scanning probe-methode werd voor het eerst ontwikkeld en gepresenteerd door Rohrer en Binnig in 1981. Het is gebaseerd op het tunneleffect dat optreedt tussen een metalen punt en een geleidend oppervlak. Dit effect vormt de basis voor alle later ontwikkelde scanning sondemicroscopietechnieken.
Vormen, typen en stijlen
Er bestaan verschillende soorten scanning-sondemicroscopen, die voornamelijk verschillen in de interactie tussen de sonde en het monster. Het uitgangspunt was scanning tunneling microscopie, die in 1982 voor het eerst beeldvorming met atomaire resolutie van elektrisch geleidende oppervlakken mogelijk maakte. In de daaropvolgende jaren ontwikkelden zich tal van andere scanning probe microscopie technieken. Bij scanning tunneling microscopie wordt een spanning aangelegd tussen het oppervlak van het monster en de punt. De tunnelstroom tussen het monster en de punt wordt gemeten en ze mogen elkaar niet raken. In 1984 werd voor het eerst optische nabij-veldmicroscopie ontwikkeld. Hier wordt licht door het monster gestuurd, beginnend bij een sonde. Bij de atoomkrachtmicroscoop wordt de sonde afgebogen door middel van atoomkrachten. In de regel worden de zogenaamde Van der Waals-krachten gebruikt. De afbuiging van de sonde vertoont 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 fungeerde. Deze tunneltip bepaalt de werkelijke afstand tussen het oppervlak van het monster en de sensor. De techniek maakt gebruik van de tunnelspanning die aanwezig is tussen de achterkant van de sensor en de detectietip. In de moderne tijd is deze techniek grotendeels achterhaald door het detectieprincipe, waarbij detectie wordt gedaan 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 de sonde en het 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 scanning near field optische microscoop, waarbij de interactie tussen sonde en sample bestaat uit vluchtige golven.
Structuur en werking
In principe hebben alle soorten scanning-sondemicroscopen gemeen dat ze het oppervlak van het monster in een rooster scannen. Dit maakt gebruik van de interactie tussen de sonde van de microscoop en het oppervlak van het monster. Deze interactie verschilt afhankelijk van het type scanning probe microscoop. De sonde is enorm in vergelijking met het monster dat wordt onderzocht, maar kan de minuscule oppervlaktekenmerken van het monster detecteren. Van bijzonder belang op dit punt is het voorste atoom aan het uiteinde van de sonde. 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. Om deze reden zijn met dit type microscoop alleen resoluties van ongeveer 200 tot 300 nanometer mogelijk. Dit komt overeen met ongeveer de helft van de golflengte van licht. Daarom gebruikt een scanning elektronenmicroscoop elektronenstraling in plaats van licht. Door de energie te verhogen, kan de golflengte in theorie willekeurig kort worden gemaakt. Een te korte 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 is het ook mogelijk om individuele atomen uit het monster te halen en deze terug te plaatsen op een vooraf bepaalde locatie. 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 één micrometer vormden een belangrijke voorwaarde voor vooruitgang in zowel nanowetenschap als nanotechnologie. Deze ontwikkeling deed zich vooral voor sinds de jaren negentig. Gebaseerd op de basismethoden van scanning probe microscopie, worden tegenwoordig tal van andere submethoden onderverdeeld. Deze maken gebruik van verschillende soorten interactie tussen de sondetip en het monsteroppervlak. Scanningsprobe-microscopen spelen dus een essentiële rol in onderzoeksgebieden zoals nanochemie, nanobiologie, nanobiochemie en nanogeneeskunde. Scanning-sondemicroscopen worden zelfs gebruikt om andere planeten, zoals Mars, te verkennen. Scanning probe microscopen maken gebruik van een speciale positioneringstechniek gebaseerd op het zogenaamde piëzo-elektrische effect. Het apparaat voor het verplaatsen van de sonde wordt bestuurd vanaf een computer en maakt een zeer nauwkeurige positionering mogelijk. Hierdoor kunnen de oppervlakken van de monsters gecontroleerd worden gescand en kunnen de meetresultaten worden samengevoegd tot een beeld met een enorm hoge resolutie.
