Mõiste skaneeriv sondimikroskoop hõlmab erinevaid mikroskoope ja nendega seotud mõõtmistehnikaid, mida kasutatakse pindade analüüsimiseks. Sellisena langevad need tehnikad pinna- ja pindfüüsika alla. Skaneerivaid sondimikroskoope iseloomustab mõõtesondi juhtimine väikese pinna kohal.
Mis on skaneeriv sondimikroskoop?
Mõiste skaneeriv sondimikroskoop hõlmab erinevaid mikroskoope ja nendega seotud mõõtmistehnikaid, mida kasutatakse pindade analüüsimiseks. Skaneeriv sondimikroskoop viitab igat tüüpi mikroskoobidele, milles pilt moodustub sondi ja proovi vahelise interaktsiooni tulemusena. Seega erinevad need meetodid nii optilisest mikroskoopiast kui skaneerivast elektronmikroskoopiast. Siin ei kasutata optilisi ega elektronoptilisi läätsesid. Skaneeriva sondi mikroskoobis skaneeritakse proovi pind sondi abil tükkhaaval. Nii saadakse iga üksiku koha kohta mõõdetud väärtused, mis lõpuks digitaalse pildi saamiseks ühendatakse. Skaneeriva sondi meetodi töötasid esmakordselt välja ja esitasid Rohrer ja Binnig 1981. aastal. See põhineb tunneli efektil, mis tekib metallotsa ja juhtiva pinna vahel. See efekt on aluseks kõigile hiljem välja töötatud skaneerivate sondide mikroskoopia tehnikatele.
Kujundid, tüübid ja stiilid
On mitmeid skaneerivate sondimikroskoopide tüüpe, mis erinevad peamiselt sondi ja proovi koostoimes. Lähtepunktiks oli tunnelimikroskoopia skaneerimine, mis võimaldas esmakordselt elektrijuhtivate pindade aatomresolutsiooniga pildistamist 1982. aastal. Järgnevate aastate jooksul töötati välja arvukalt muid skaneerivate sondide mikroskoopia meetodeid. Tunnelimikroskoopia skaneerimisel rakendatakse proovi pinna ja otsa vahel pinget. Mõõdetakse tunneli vool proovi ja otsa vahel ning need ei tohi üksteist puudutada. 1984. aastal töötati esmakordselt välja optiline lähivälja mikroskoopia. Siin saadetakse valgus proovi kaudu, alustades sondist. Aatomijõumikroskoobis suunatakse sond aatomijõudude abil kõrvale. Reeglina kasutatakse nn Van der Waalsi jõude. Sondi läbipaine näitab proportsionaalset suhet jõuga, mis määratakse sondi vedrukonstandi järgi. Aatomijõu mikroskoopia töötati välja aastal 1986. Alguses töötasid aatomijõu mikroskoobid detektorina toimiva tunneliotsa alusel. See tunneli ots määrab tegeliku kauguse proovi pinna ja anduri vahel. Tehnika kasutab tunneli pinge, mis on anduri tagaosa ja tuvastamisotsa vahel. Moodsal ajal on selle tehnika suures osas asendanud tuvastamispõhimõte, kus tuvastamine toimub laserkiirega, mis toimib valgusnäiturina. Seda tuntakse ka laserjõumikroskoobina. Lisaks töötati välja magnetjõu mikroskoop, milles sondi ja proovi vahelised magnetjõud on aluseks mõõdetud väärtuste määramisel. 1986. aastal töötati välja ka skaneeriv termomikroskoop, milles pisike sensor toimib skaneeriva sondina. Samuti on olemas nn skaneeriv lähivälja optiline mikroskoop, milles sondi ja proovi vastasmõju koosneb kaduvatest lainetest.
Struktuur ja toimimine
Põhimõtteliselt on kõigil skaneerivate sondimikroskoopide tüüpidel ühine see, et nad skaneerivad proovi pinda võrgus. See kasutab ära mikroskoobi sondi ja proovi pinna vastastikmõju. See interaktsioon erineb skaneeriva sondi mikroskoobi tüübist. Sond on uuritava prooviga võrreldes tohutu, kuid siiski võimeline tuvastama proovi väikseid pinnaomadusi. Selles punktis on eriti oluline sondi otsas olev aatom. Skaneeriva sondi mikroskoopia abil on võimalik eraldusvõime kuni 10 pikomeetrit. Võrdluseks võib öelda, et aatomite suurus jääb vahemikku 100 pikomeetrit. Valgusmikroskoopide täpsust piirab valguse lainepikkus. Sel põhjusel on seda tüüpi mikroskoobiga võimalik ainult eraldusvõime umbes 200 kuni 300 nanomeetrit. See vastab ligikaudu poolele valguse lainepikkusele. Seetõttu kasutab skaneeriv elektronmikroskoop valguse asemel elektronkiirgust. Energiat suurendades saab lainepikkuse teoreetiliselt meelevaldselt lühikeseks muuta. Liiga lühike lainepikkus hävitaks aga proovi.
Meditsiiniline ja tervislik kasu
Skaneeriva sondi mikroskoobi abil pole võimalik skaneerida ainult proovi pinda. Selle asemel on võimalik proovist valida ka üksikud aatomid ja paigutada need ettemääratud kohta tagasi. Alates 1980. aastate algusest on skaneerivate sondide mikroskoopia väljatöötamine kiiresti edasi arenenud. Uued võimalused tunduvalt vähem kui ühe mikromeetri eraldusvõime parandamiseks olid nanoteaduse ja nanotehnoloogia edusammude peamine eeldus. See areng toimus eriti alates 1990. aastatest. Lähtudes sondimikroskoopia skaneerimise põhimeetoditest, jagatakse tänapäeval arvukalt muid alameetodeid. Need kasutavad sondi otsa ja proovi pinna erinevat tüüpi interaktsioone. Seega mängivad sondimikroskoobid olulist rolli sellistes uurimisvaldkondades nagu nanokeemia, nanobioloogia, nanobiokeemia ja nanomeditsiin. Skaneerivaid sondimikroskoope kasutatakse isegi teiste planeetide, näiteks Marsi uurimiseks. Skaneerivad sondimikroskoobid kasutavad spetsiaalset positsioneerimistehnikat, mis põhineb nn piesoelektrilisel efektil. Sondi nihutamise seadet juhitakse arvutist ja see võimaldab väga täpset positsioneerimist. See võimaldab proovide pindu kontrollitult skaneerida ja mõõtmistulemused kokku panna tohutult kõrge eraldusvõimega pildiks.
