Thuật ngữ kính hiển vi thăm dò quét bao gồm một loạt các kính hiển vi và các kỹ thuật đo lường liên quan được sử dụng để phân tích bề mặt. Như vậy, các kỹ thuật này thuộc vật lý bề mặt và giao diện. Kính hiển vi thăm dò quét được đặc trưng bằng cách đưa một đầu dò đo qua bề mặt ở một khoảng cách nhỏ.
Kính hiển vi thăm dò quét là gì?
Thuật ngữ kính hiển vi thăm dò quét bao gồm một loạt các kính hiển vi và các kỹ thuật đo lường liên quan của chúng được sử dụng để phân tích bề mặt. Kính hiển vi đầu dò quét dùng để chỉ tất cả các loại kính hiển vi trong đó hình ảnh được hình thành do tương tác giữa đầu dò và mẫu. Do đó, các phương pháp này khác với cả kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét. Ở đây, cả thấu kính quang học và thấu kính quang điện tử đều không được sử dụng. Trong kính hiển vi đầu dò quét, bề mặt của mẫu được quét từng mảnh với sự hỗ trợ của đầu dò. Bằng cách này, các giá trị đo được thu được cho từng điểm riêng lẻ, cuối cùng được kết hợp để tạo ra hình ảnh kỹ thuật số. Phương pháp thăm dò quét lần đầu tiên được phát triển và trình bày bởi Rohrer và Binnig vào năm 1981. Nó dựa trên hiệu ứng đường hầm xảy ra giữa một đầu kim loại và một bề mặt dẫn điện. Hiệu ứng này tạo cơ sở cho tất cả các kỹ thuật hiển vi đầu dò quét được phát triển sau này.
Hình dạng, loại và phong cách
Có một số loại kính hiển vi thăm dò quét, khác nhau chủ yếu ở sự tương tác giữa đầu dò và mẫu. Khởi điểm là kính hiển vi quét đường hầm, lần đầu tiên cho phép chụp ảnh độ phân giải nguyên tử của các bề mặt dẫn điện vào năm 1982. Trong những năm sau đó, nhiều kỹ thuật hiển vi thăm dò quét khác đã được phát triển. Trong kính hiển vi quét đường hầm, một điện áp được đặt giữa bề mặt của mẫu và đầu mút. Đo dòng điện đường hầm giữa mẫu và đầu ống, và chúng không được chạm vào nhau. Năm 1984, kính hiển vi trường gần quang học lần đầu tiên được phát triển. Tại đây, ánh sáng được truyền qua mẫu bắt đầu từ một đầu dò. Trong kính hiển vi lực nguyên tử, đầu dò bị lệch hướng bởi lực nguyên tử. Theo quy luật, cái gọi là lực Van der Waals được sử dụng. Độ lệch của đầu dò cho thấy mối quan hệ tỷ lệ với lực, được xác định theo hằng số lò xo của đầu dò. Kính hiển vi lực nguyên tử được phát triển vào năm 1986. Ban đầu, kính hiển vi lực nguyên tử hoạt động trên cơ sở một đầu đường hầm hoạt động như một máy dò. Đầu đường hầm này xác định khoảng cách thực tế giữa bề mặt của mẫu và cảm biến. Kỹ thuật sử dụng điện áp đường hầm tồn tại giữa mặt sau của cảm biến và đầu dò. Trong thời hiện đại, kỹ thuật này đã được thay thế phần lớn bởi nguyên tắc phát hiện, trong đó việc phát hiện được thực hiện bằng cách sử dụng chùm tia laze hoạt động như một con trỏ ánh sáng. Đây còn được gọi là kính hiển vi tia laze. Ngoài ra, một kính hiển vi lực từ đã được phát triển trong đó lực từ giữa đầu dò và mẫu dùng làm cơ sở để xác định các giá trị đo được. Năm 1986, kính hiển vi nhiệt quét cũng được phát triển, trong đó một cảm biến nhỏ hoạt động như một đầu dò quét. Ngoài ra còn có một cái gọi là kính hiển vi quang học trường gần quét, trong đó sự tương tác giữa đầu dò và mẫu bao gồm các sóng phát sáng.
Cấu trúc và hoạt động
Về nguyên tắc, tất cả các loại kính hiển vi đầu dò quét đều có điểm chung là quét bề mặt mẫu theo dạng lưới. Điều này tận dụng sự tương tác giữa đầu dò của kính hiển vi và bề mặt của mẫu. Sự tương tác này khác nhau tùy thuộc vào loại kính hiển vi đầu dò quét. Đầu dò rất lớn so với mẫu đang được kiểm tra, nhưng có khả năng phát hiện các đặc điểm bề mặt nhỏ của mẫu. Điểm liên quan đặc biệt ở điểm này là nguyên tử quan trọng nhất ở đầu của tàu thăm dò. Sử dụng kính hiển vi đầu dò quét, có thể có độ phân giải lên đến 10 picometers. Để so sánh, kích thước của nguyên tử nằm trong khoảng 100 picometers. Độ chính xác của kính hiển vi ánh sáng bị giới hạn bởi bước sóng của ánh sáng. Vì lý do này, chỉ có thể có độ phân giải khoảng 200 đến 300 nanomet với loại kính hiển vi này. Điều này tương ứng với khoảng một nửa bước sóng của ánh sáng. Do đó, kính hiển vi điện tử quét sử dụng bức xạ điện tử thay vì ánh sáng. Bằng cách tăng năng lượng, trên lý thuyết có thể làm cho bước sóng ngắn tùy ý. Tuy nhiên, bước sóng quá ngắn sẽ phá hủy mẫu.
Các lợi ích y tế và sức khỏe
Sử dụng kính hiển vi đầu dò quét, không chỉ có thể quét bề mặt của mẫu. Thay vào đó, cũng có thể chọn các nguyên tử riêng lẻ từ mẫu và đặt chúng trở lại vị trí xác định trước. Từ đầu những năm 1980, sự phát triển của kính hiển vi thăm dò quét đã tiến triển nhanh chóng. Các khả năng mới để cải thiện độ phân giải nhỏ hơn một micromet đại diện cho một tiền đề chính cho những tiến bộ trong khoa học nano cũng như công nghệ nano. Sự phát triển này đặc biệt xảy ra từ những năm 1990. Dựa trên các phương pháp cơ bản của kính hiển vi đầu dò quét, ngày nay nhiều phương pháp phụ khác được chia nhỏ. Chúng sử dụng các kiểu tương tác khác nhau giữa đầu dò và bề mặt mẫu. Vì vậy, kính hiển vi thăm dò quét đóng một vai trò thiết yếu trong các lĩnh vực nghiên cứu như hóa học nano, sinh học nano, hóa sinh nano và y học nano. Kính hiển vi thăm dò quét thậm chí còn được sử dụng để khám phá các hành tinh khác, chẳng hạn như sao Hỏa. Kính hiển vi thăm dò quét sử dụng một kỹ thuật định vị đặc biệt dựa trên cái gọi là hiệu ứng áp điện. Thiết bị di chuyển đầu dò được điều khiển từ máy tính và cho phép định vị chính xác cao. Điều này cho phép các bề mặt của mẫu được quét một cách có kiểm soát và kết quả đo được tập hợp thành một hình ảnh có độ phân giải cực cao.
