Microscope à sonde à balayage

Sous le terme Microscope à sonde à balayage Il existe un certain nombre de microscopes et les méthodes de mesure associées qui sont utilisés pour analyser les surfaces. Ces techniques font donc partie de la physique des surfaces et des interfaces. Les microscopes à sonde à balayage sont caractérisés en ce qu'une sonde de mesure est guidée sur une surface à une petite distance.

Qu'est-ce qu'un microscope à sonde à balayage?

Tous les types de microscopes dans lesquels l'image est créée à la suite d'une interaction entre la sonde et l'échantillon sont appelés microscopes à sonde à balayage. Cela distingue ces méthodes de la microscopie optique et de la microscopie électronique à balayage. Aucune lentille optique ni optique électronique n'est utilisée ici.

Avec le microscope à sonde à balayage, la surface de l'échantillon est numérisée petit à petit à l'aide d'une sonde. De cette manière, des valeurs mesurées sont obtenues pour chaque point individuel, qui sont ensuite combinées pour créer une image numérique.

La méthode de la sonde à balayage a été développée et présentée pour la première fois en 1981 par Rohrer et Binnig. Il est basé sur l'effet tunnel qui se produit entre une pointe métallique et une surface conductrice. Cet effet constitue la base de toutes les méthodes de microscopie à sonde à balayage développées plus tard.

Formes, types et types

Il existe différents types de microscopes à sonde à balayage, qui diffèrent principalement en ce qui concerne l'interaction entre la sonde et l'échantillon. Le point de départ était la microscopie à effet tunnel, qui, en 1982, a permis pour la première fois une représentation à résolution atomique des surfaces électriquement conductrices. Au cours des années suivantes, de nombreuses autres méthodes de microscopie à sonde à balayage se sont développées.

Avec le microscope à effet tunnel à balayage, une tension est appliquée entre la surface de l'échantillon et la pointe. Le courant tunnel est mesuré entre l'échantillon et la pointe, qui ne sont pas non plus autorisés à se toucher. En 1984, la microscopie optique en champ proche a vu le jour. Ici, la lumière est envoyée à travers l'échantillon à partir d'une sonde. Dans le microscope à force atomique, la sonde est déviée au moyen de forces atomiques. Habituellement, les forces dites de van der Waals sont utilisées. La déflexion de la sonde a une relation proportionnelle à la force, qui est déterminée en fonction de la constante de ressort de la sonde.

La microscopie à force atomique a été développée en 1986. Au début, les microscopes à force atomique fonctionnaient sur la base d'une pointe de tunnel qui agit comme un détecteur. Cette pointe de tunnel détermine la distance réelle entre la surface de l'échantillon et le capteur. La technologie utilise la tension tunnel qui existe entre l'arrière du capteur et la pointe de détection.

De nos jours, cette méthode a été largement remplacée par le principe de détection, avec une détection utilisant un faisceau laser qui fonctionne comme un pointeur lumineux. Ceci est également connu sous le nom de microscope à force laser. De plus, un microscope à force magnétique a été développé dans lequel les forces magnétiques entre la sonde et l'échantillon servent de base pour déterminer les valeurs mesurées.

En 1986, le microscope thermique à balayage a également été développé, dans lequel un minuscule capteur fonctionne comme une sonde à balayage. Il existe également un microscope à champ proche à balayage optique, dans lequel l'interaction entre la sonde et l'échantillon consiste en des ondes évanescentes.

Structure et fonctionnalité

En principe, tous les types de microscopes à sonde à balayage ont en commun de balayer la surface de l'échantillon dans une grille. L'interaction entre la sonde du microscope et la surface de l'échantillon est utilisée. Cette interaction diffère selon le type de microscope à sonde à balayage. La sonde est énorme par rapport à l'échantillon examiné, et pourtant elle est capable de déterminer les minuscules caractéristiques de surface de l'échantillon. L'atome le plus en avant à l'extrémité de la sonde est particulièrement pertinent à ce stade.

Avec l'aide de la microscopie à sonde à balayage, des résolutions allant jusqu'à 10 picomètres sont possibles. A titre de comparaison: la taille des atomes est de l'ordre de 100 picomètres. La précision des microscopes optiques est limitée par la longueur d'onde de la lumière. Pour cette raison, seules des résolutions de l'ordre de 200 à 300 nanomètres sont possibles avec ce type de microscope. Cela correspond à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Par conséquent, des faisceaux d'électrons sont utilisés à la place de la lumière dans un microscope électronique à balayage. En augmentant l'énergie, la longueur d'onde peut en théorie être rendue aussi courte que souhaité. Cependant, une longueur d'onde trop petite détruirait l'échantillon.

Avantages médicaux et de santé

À l'aide d'un microscope à sonde à balayage, il n'est pas seulement possible de scanner la surface d'un échantillon. Au lieu de cela, des atomes individuels peuvent également être retirés de l'échantillon et déposés à nouveau à un emplacement spécifié.

Depuis le début des années 80, le développement de la microscopie à sonde à balayage a progressé rapidement. Les nouvelles possibilités d'amélioration de la résolution bien inférieure au micromètre étaient une condition préalable essentielle aux progrès des nanosciences et des nanotechnologies. Cette évolution s'est produite en particulier depuis les années 90.

Sur la base des méthodes de base de la microscopie à sonde à balayage, de nombreuses autres sous-méthodes sont aujourd'hui divisées. Ceux-ci tirent parti de différents types d'interaction entre la pointe de la sonde et la surface de l'échantillon.

Les microscopes à sonde à balayage jouent un rôle essentiel dans des domaines de recherche tels que la nanochimie, la nanobiologie, la nanobiochimie et la nanomédecine. Des microscopes à sonde à balayage sont même utilisés pour explorer d'autres planètes comme Mars.

Les microscopes à sonde à balayage utilisent une technique de positionnement spéciale basée sur ce que l'on appelle l'effet piézo. L'appareil de déplacement de la sonde est contrôlé par l'ordinateur et permet un positionnement très précis. Cela permet de scanner les surfaces des échantillons de manière contrôlée et de combiner les résultats de mesure dans un affichage à très haute résolution.