走査型プローブ顕微鏡とは何ですか?

走査プローブ顕微鏡は、原子スケールを含む非常に詳細な3次元表面画像を生成するいくつかの顕微鏡のいずれかです。 使用する顕微鏡技術に応じて、これらの顕微鏡の一部は、電流、導電率、磁場などの材料の物理的特性も測定できます。 走査トンネル顕微鏡 (STM)と呼ばれる最初の走査プローブ顕微鏡は、1980年代初期に発明されました。 STMの発明者は、数年後に物理学でノーベル賞を受賞しました。 その時以来、同じ基本原理に基づいたいくつかの他の技術が発明されました。

すべての走査型プローブ顕微鏡技術では、データがスキャンからデジタルで取得されるため、材料表面の小さな鋭い先端のスキャンが必要です。 正確な画像を生成するために、スキャンプローブの先端は、スキャンされる表面の特徴よりも小さくなければなりません。 これらのヒントは数日ごとに交換する必要があります。 通常、カンチレバーに取り付けられ、多くのSPM技術では、カンチレバーの動きを測定して表面の高さを決定します。

走査型トンネル顕微鏡では、電流が走査先端と画像化される表面の間に印加されます。 この電流は、先端の高さを調整することで一定に保たれ、表面の地形画像を生成します。 あるいは、先端の高さを一定に保ちながら、変化する電流を測定して表面の高さを決定することもできます。 この方法は電流を使用するため、導体または半導体である材料にのみ適用できます。

いくつかのタイプの走査型プローブ顕微鏡は、 原子間力顕微鏡 (AFM)のカテゴリーに分類されます。 走査型トンネル顕微鏡とは異なり、AFMは導電率に関係なく、あらゆる種類の材料で使用できます。 すべてのタイプのAFMは、スキャンチップと表面の間の力の間接測定を使用して、画像を生成します。 これは通常、カンチレバーのたわみを測定することで達成されます。 原子間力顕微鏡のさまざまなタイプには、接触AFM、非接触AFM、および間欠接触AFMが含まれます。 材料の感度やスキャンするサンプルのサイズなど、特定のアプリケーションに最適な原子間力顕微鏡法のタイプを決定するいくつかの考慮事項があります。

原子間力顕微鏡の基本的な種類にはいくつかのバリエーションがあります。 横力顕微鏡(LFM)は、表面の摩擦をマッピングするのに便利な、走査チップのねじり力を測定します。 走査型静電容量顕微鏡を使用して、サンプルの静電容量を測定し、同時にAFMトポグラフィー画像を生成します。 導電性原子間力顕微鏡(C-AFM)は、STMと同様に導電性チップを使用するため、AFMの地形画像と電流のマップを生成します。 材料の弾性特性を測定するには、力変調顕微鏡法(FMM)が使用されます。

三次元表面以外の特性を測定するための他の走査プローブ顕微鏡技術も存在します。 表面の電荷を測定するために、静電力顕微鏡(EFM)が使用されます。 これらは、マイクロプロセッサチップのテストに使用されることがあります。 走査型熱顕微鏡(SThM)は、熱伝導率に関するデータを収集するとともに、表面のトポグラフィーをマッピングします。 磁気力顕微鏡(MFM)は、地形とともに表面の磁場を測定します。

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