קונספט, עיקרון, מבנה ומאפיינים של מיקרוסקופ סריקה

קונספט, עיקרון, מבנה ומאפיינים של מיקרוסקופ סריקה

מיקרוסקופ בדיקה סורק הוא כינוי כללי למיקרוסקופי בדיקה חדשים שונים (מיקרוסקופ כוח אטומי, מיקרוסקופ כוח אלקטרוסטטי, מיקרוסקופ כוח מגנטי, מיקרוסקופ מוליכות יונים סורק, מיקרוסקופ אלקטרוכימי סורק וכו') שפותחו על בסיס מיקרוסקופ מנהור סורק. פיתח מכשירי ניתוח פני שטח.

העיקרון והמבנה של מיקרוסקופ בדיקה סורק
עקרון העבודה הבסיסי של מיקרוסקופ הבדיקה הסורק הוא להשתמש באינטראקציה בין הבדיקה לבין האטומים והמולקולות של פני השטח של הדגימה, כלומר, השדות הפיזיקליים של אינטראקציות שונות הנוצרים כאשר הבדיקה ומשטח הדגימה קרובים לסקלה הננוטית, ומתקבל על ידי זיהוי הכמויות הפיזיקליות המתאימות מורפולוגיה של משטח מדגם. מיקרוסקופ הבדיקה הסורק מורכב בעיקר מחמישה חלקים: בדיקה, סורק, חיישן תזוזה, בקר, מערכת זיהוי ומערכת תמונה.

הבקר מזיז את הדגימה בכיוון האנכי דרך הסורק כך שהמרחק בין הבדיקה לדגימה (או הכמות הפיזית של האינטראקציה) מיוצב על ערך קבוע; במקביל, הדגימה מועברת במישור האופקי xy כך שהבדיקה עוקבת אחר הסריקה. הנתיב סורק את פני הדגימה. במיקרוסקופ בדיקה סריקה, כאשר המרחק בין הבדיקה לדגימה יציב, מערכת האיתור מזהה את אות הכמות הפיזיקלית הרלוונטית של האינטראקציה בין הבדיקה לדגימה; כאשר הכמות הפיזית של האינטראקציה יציבה, היא מזוהה על ידי חיישן העקירה דרך הכיוון האנכי המרחק בין הבדיקה לדגימה. מערכת התמונות מבצעת עיבוד תמונה כגון הדמיה על פני הדגימה לפי אות הזיהוי (או המרחק בין הבדיקה לדגימה).

מיקרוסקופי בדיקה סורקים מחולקים לסדרות שונות של מיקרוסקופים בהתאם לשדות הפיזיקליים השונים של האינטראקציה בין הבדיקה לדגימה. ביניהם, מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) ומיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) הם שני סוגים של מיקרוסקופי בדיקה סורקים הנמצאים בשימוש נפוץ יותר. מיקרוסקופ המנהור הסורק מזהה את מבנה פני השטח של הדגימה על ידי זיהוי גודל זרם המנהרה בין הבדיקה לדגימה שתיבדק. מיקרוסקופ הכוח האטומי מזהה את פני השטח של הדגימה על ידי זיהוי העיוות של המיקרו-קנטיליבר הנגרם מכוח האינטראקציה בין הקצה לדגימה (שעשוי להיות מושך או דוחה) על ידי חיישן תזוזה פוטו-אלקטרי.

תכונות של מיקרוסקופים סריקה בדיקה
מיקרוסקופ בדיקה סורק הוא המיקרוסקופ השלישי לתצפית על מבנה החומר בקנה מידה אטומי לאחר מיקרוסקופיה של יונים בשדה ומיקרוסקופ אלקטרונים שידור ברזולוציה גבוהה. אם ניקח לדוגמה את מיקרוסקופ מנהור סריקה (STM), הרזולוציה הצדדית שלו היא 0.1~0.2nm, ורזולוציית העומק האנכית שלו היא 0.01nm. רזולוציה כזו יכולה לראות בבירור אטומים בודדים או מולקולות המופצות על פני הדגימה. במקביל, מיקרוסקופ הבדיקה הסורק יכול גם לבצע מחקר תצפית באוויר, גזים אחרים או סביבות נוזליות.

למיקרוסקופים של בדיקה סריקה יש את המאפיינים של רזולוציה אטומית, הובלה אטומית וננו-מיקרו-עיבוד. עם זאת, בשל עקרונות העבודה השונים של מיקרוסקופים סורקים שונים בפירוט, המידע על פני הדגימה המשתקף מהתוצאות המתקבלות על ידם שונה מאוד. מיקרוסקופ מנהור סריקה מודדת את מידע ההפצה של תחנות אלקטרונים על פני הדגימה, שיש לה רזולוציה ברמה אטומית אך עדיין אינה יכולה להשיג את המבנה האמיתי של הדגימה. המיקרוסקופ האטומי מזהה את מידע האינטראקציה בין אטומים, כך שניתן לקבל את מידע הסידור של ההתפלגות האטומית על פני הדגימה, כלומר, המבנה האמיתי של הדגימה. אבל מצד שני, מיקרוסקופ הכוח האטומי אינו יכול למדוד את מידע המצב האלקטרוני שניתן להשוות עם התיאוריה, כך שלשניים יש יתרונות וחסרונות משלהם.