คำว่ากล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนครอบคลุมกล้องจุลทรรศน์และเทคนิคการวัดที่เกี่ยวข้องซึ่งใช้ในการวิเคราะห์พื้นผิว ด้วยเหตุนี้เทคนิคเหล่านี้จึงตกอยู่ภายใต้พื้นผิวและฟิสิกส์เชิงเชื่อมโยง การสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบมีลักษณะเฉพาะโดยการส่งหัววัดผ่านพื้นผิวในระยะทางเล็กน้อย
กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนคืออะไร?
คำว่ากล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนครอบคลุมกล้องจุลทรรศน์หลายชนิดและเทคนิคการวัดที่เกี่ยวข้องซึ่งใช้ในการวิเคราะห์พื้นผิว กล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนหมายถึงกล้องจุลทรรศน์ทุกประเภทที่มีการสร้างภาพอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างหัววัดและตัวอย่าง ดังนั้นวิธีการเหล่านี้จึงแตกต่างจากทั้งกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด ที่นี่ไม่มีการใช้เลนส์ออพติคอลหรืออิเลคตรอน ในกล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนพื้นผิวของตัวอย่างจะถูกสแกนทีละชิ้นโดยใช้หัววัด ด้วยวิธีนี้ค่าที่วัดได้จะได้รับสำหรับแต่ละจุดซึ่งในที่สุดจะรวมกันเพื่อสร้างภาพดิจิทัล วิธีการตรวจสอบการสแกนได้รับการพัฒนาและนำเสนอครั้งแรกโดย Rohrer และ Binnig ในปี 1981 โดยอาศัยเอฟเฟกต์ของอุโมงค์ที่เกิดขึ้นระหว่างปลายโลหะและพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ผลกระทบนี้เป็นพื้นฐานสำหรับเทคนิคกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนทั้งหมดที่พัฒนาขึ้นในภายหลัง
รูปร่างประเภทและลักษณะ
กล้องจุลทรรศน์โพรบการสแกนมีอยู่หลายประเภทโดยหลัก ๆ แล้วจะแตกต่างกันในปฏิสัมพันธ์ระหว่างหัววัดและตัวอย่าง จุดเริ่มต้นคือการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ซึ่งอนุญาตให้ถ่ายภาพความละเอียดระดับอะตอมของพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้เป็นครั้งแรกในปี 1982 ในช่วงหลายปีต่อมาได้มีการพัฒนาเทคนิคกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนอื่น ๆ ในการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์จะมีการใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างพื้นผิวของตัวอย่างและส่วนปลาย มีการวัดกระแสอุโมงค์ระหว่างตัวอย่างและส่วนปลายและต้องไม่สัมผัสกัน ในปีพ. ศ. 1984 กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลระยะใกล้ได้รับการพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรก ที่นี่แสงจะถูกส่งผ่านตัวอย่างโดยเริ่มจากหัววัด ในกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูหัววัดจะหักเหโดยใช้แรงปรมาณู ตามกฎแล้วจะใช้กองกำลัง Van der Waals ที่เรียกว่า การโก่งตัวของโพรบแสดงความสัมพันธ์ตามสัดส่วนกับแรงซึ่งกำหนดตามค่าคงที่สปริงของหัววัด กล้องจุลทรรศน์กำลังปรมาณูได้รับการพัฒนาในปี 1986 ในช่วงแรกกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทำงานบนพื้นฐานของปลายอุโมงค์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับ ปลายอุโมงค์นี้กำหนดระยะห่างจริงระหว่างพื้นผิวของตัวอย่างและเซ็นเซอร์ เทคนิคนี้ใช้แรงดันไฟฟ้าของอุโมงค์ที่อยู่ระหว่างด้านหลังของเซ็นเซอร์และปลายตรวจจับ ในยุคปัจจุบันเทคนิคนี้ถูกแทนที่อย่างมากโดยหลักการตรวจจับซึ่งการตรวจจับทำได้โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวชี้แสง สิ่งนี้เรียกอีกอย่างหนึ่งว่ากล้องจุลทรรศน์แรงเลเซอร์ นอกจากนี้ยังมีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กซึ่งแรงแม่เหล็กระหว่างหัววัดและตัวอย่างใช้เป็นพื้นฐานในการกำหนดค่าที่วัดได้ ในปี 1986 ได้มีการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ความร้อนแบบสแกนซึ่งเซ็นเซอร์ขนาดเล็กทำหน้าที่เป็นหัววัดการสแกน นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่เรียกว่าการสแกนกล้องจุลทรรศน์ออปติคอลระยะใกล้ซึ่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโพรบและตัวอย่างประกอบด้วยคลื่นที่หายไป
โครงสร้างและการทำงาน
โดยหลักการแล้วกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนทุกประเภทมีเหมือนกันที่จะสแกนพื้นผิวของตัวอย่างในตาราง สิ่งนี้ใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์ระหว่างหัววัดของกล้องจุลทรรศน์กับพื้นผิวของตัวอย่าง ปฏิสัมพันธ์นี้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของกล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกน หัววัดมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับตัวอย่างที่ตรวจสอบ แต่ยังสามารถตรวจจับคุณสมบัติพื้นผิวนาทีของตัวอย่างได้ ความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะ ณ จุดนี้คืออะตอมที่สำคัญที่สุดที่ปลายหัววัด การใช้กล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนทำให้มีความละเอียดได้ถึง 10 พิโคมิเตอร์ สำหรับการเปรียบเทียบขนาดของอะตอมอยู่ในช่วง 100 picometers ความแม่นยำของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงถูก จำกัด ด้วยความยาวคลื่นของแสง ด้วยเหตุนี้กล้องจุลทรรศน์ชนิดนี้จึงมีความละเอียดประมาณ 200 ถึง 300 นาโนเมตรเท่านั้น สิ่งนี้สอดคล้องกับประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของแสงดังนั้นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดจึงใช้รังสีอิเล็กตรอนแทนแสง โดยการเพิ่มพลังงานความยาวคลื่นสามารถทำให้สั้นโดยพลการในทางทฤษฎี อย่างไรก็ตามความยาวคลื่นที่สั้นเกินไปจะทำลายตัวอย่าง
ประโยชน์ทางการแพทย์และสุขภาพ
การใช้กล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนไม่เพียง แต่สแกนพื้นผิวของตัวอย่างเท่านั้น แต่ยังสามารถเลือกอะตอมแต่ละตัวจากตัวอย่างและวางกลับในตำแหน่งที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้ ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1980 เป็นต้นมาการพัฒนากล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการปรับปรุงความละเอียดที่น้อยกว่าหนึ่งไมโครมิเตอร์แสดงถึงข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับความก้าวหน้าด้านนาโนศาสตร์และนาโนเทคโนโลยี การพัฒนานี้เกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งตั้งแต่ปี 1990 ตามวิธีการพื้นฐานในการสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบปัจจุบันมีการแบ่งย่อยวิธีการย่อยอื่น ๆ อีกมากมาย สิ่งเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากปฏิสัมพันธ์ประเภทต่างๆระหว่างปลายหัววัดกับพื้นผิวตัวอย่าง ดังนั้นกล้องจุลทรรศน์โพรบแบบสแกนจึงมีบทบาทสำคัญในสาขาการวิจัยเช่นนาโนเคมีนาโนชีววิทยานาโนเคมีและนาโนเมดิซีน กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนยังใช้ในการสำรวจดาวเคราะห์ดวงอื่นเช่นดาวอังคาร การสแกนกล้องจุลทรรศน์โพรบใช้เทคนิคการกำหนดตำแหน่งพิเศษโดยอาศัยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกที่เรียกว่า อุปกรณ์สำหรับการถอดหัววัดได้รับการควบคุมจากคอมพิวเตอร์และทำให้สามารถระบุตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถสแกนพื้นผิวของตัวอย่างในลักษณะที่มีการควบคุมและนำผลการวัดมาประกอบเป็นภาพที่มีความละเอียดสูงอย่างมหาศาล
