Che cos'è un microscopio con sonda a scansione?

Un microscopio con sonda a scansione è uno dei numerosi microscopi che producono immagini di superficie tridimensionali con dettagli molto elevati, compresa la scala atomica. A seconda della tecnica di microscopia utilizzata, alcuni di questi microscopi possono anche misurare le proprietà fisiche di un materiale, inclusi corrente elettrica, conducibilità e campi magnetici. Il primo microscopio con sonda a scansione, chiamato microscopio a tunnel di scansione (STM), è stato inventato nei primi anni '80. Gli inventori della STM vinsero il premio Nobel per la fisica qualche anno dopo. Da allora sono state inventate diverse altre tecniche, basate sugli stessi principi di base.

Tutte le tecniche di microscopia con sonda di scansione comportano una scansione di piccole dimensioni della superficie del materiale, poiché i dati vengono acquisiti digitalmente dalla scansione. La punta della sonda di scansione deve essere più piccola delle funzioni sulla superficie da scansionare, al fine di produrre un'immagine accurata. Questi suggerimenti devono essere sostituiti ogni pochi giorni. Di solito sono montati su cantilever e, in molte tecniche SPM, il movimento del cantilever viene misurato per determinare l'altezza della superficie.

Nella microscopia a tunnel di scansione, viene applicata una corrente elettrica tra la punta di scansione e la superficie da acquisire. Questa corrente viene mantenuta costante regolando l'altezza della punta, generando così un'immagine topografica della superficie. In alternativa, l'altezza della punta può essere mantenuta costante mentre la corrente variabile viene misurata per determinare l'altezza della superficie. Poiché questo metodo utilizza corrente elettrica, è applicabile solo a materiali che sono conduttori o semiconduttori.

Diversi tipi di microscopi a sonda di scansione rientrano nella categoria della microscopia a forza atomica (AFM). A differenza della microscopia a tunnel di scansione, AFM può essere utilizzato su tutti i tipi di materiali, indipendentemente dalla loro conduttività. Tutti i tipi di AFM utilizzano alcune misure indirette della forza tra la punta di scansione e la superficie per produrre l'immagine. Ciò si ottiene generalmente attraverso una misurazione della deflessione a sbalzo. I vari tipi di microscopio a forza atomica includono AFM a contatto, AFM senza contatto e AFM a contatto intermittente. Diverse considerazioni determinano quale tipo di microscopia a forza atomica è la migliore per una particolare applicazione, inclusa la sensibilità del materiale e la dimensione del campione da scansionare.

Esistono alcune variazioni sui tipi base di microscopia a forza atomica. La microscopia a forza laterale (LFM) misura la forza di torsione sulla punta di scansione, utile per mappare l'attrito superficiale. La microscopia a capacità di scansione viene utilizzata per misurare la capacità del campione producendo contemporaneamente un'immagine topografica AFM. I microscopi a forza atomica conduttiva (C-AFM) usano una punta conduttiva proprio come fa STM, producendo così un'immagine topografica AFM e una mappa della corrente elettrica. La microscopia a modulazione di forza (FMM) viene utilizzata per misurare le proprietà elastiche di un materiale.

Esistono anche altre tecniche al microscopio con sonda a scansione per misurare proprietà diverse dalla superficie tridimensionale. I microscopi a forza elettrostatica (EFM) vengono utilizzati per misurare la carica elettrica su una superficie. Questi vengono talvolta utilizzati per testare chip a microprocessore. La microscopia termica a scansione (SThM) raccoglie dati sulla conducibilità termica e mappa la topografia della superficie. I microscopi a forza magnetica (MFM) misurano il campo magnetico sulla superficie insieme alla topografia.

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