走査型プローブ顕微鏡の概念・原理・構造・特長
走査型プローブ顕微鏡とは、走査型トンネル顕微鏡をベースに開発された各種の新型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡、静電力顕微鏡、磁力顕微鏡、走査型イオン伝導度顕微鏡、走査型電気化学顕微鏡など）の総称です。近年国際的に開発された表面分析装置です。
走査型プローブ顕微鏡の原理と構造
走査型プローブ顕微鏡の基本的な動作原理は、プローブとサンプルの表面原子および分子の間の相互作用を利用することです。つまり、プローブとサンプル表面がナノスケールに近い場合に、さまざまな物理的相互作用場を形成します。対応する物理量を検出することにより、サンプルの表面形態を取得します。走査型プローブ顕微鏡は、プローブ、スキャナ、変位センサ、コントローラ、検出系、画像系の5つの部分から構成されています。
コントローラーは、スキャナーを通してサンプルを垂直および水平に移動させ、プローブとサンプルの間の距離 (または相互作用の物理量) を固定値に安定させます。同時にサンプルを xy 水平面内で移動させ、プローブが走査経路に沿ってサンプルの表面を走査します。走査型プローブ顕微鏡は、プローブとサンプル間の安定した距離を維持しながら、検出システムによってプローブとサンプル間の相互作用に関連する物理量信号を検出します。安定した相互作用物理量の場合、探針と試料間の距離は垂直変位センサによって検出されます。画像処理装置は、検出信号（または探針と試料間の距離）に基づいて試料表面の画像処理を行う。
使用されるプローブとサンプル間の相互作用の物理的フィールドの違いに応じて、走査型プローブ顕微鏡はさまざまなシリーズの顕微鏡に分類されます。走査型トンネル顕微鏡 (STM) と原子間力顕微鏡 (AFM) は、一般的に使用される 2 つのタイプの走査型プローブ顕微鏡です。走査型トンネル顕微鏡は、プローブと検査対象のサンプル間のトンネル電流を測定することにより、サンプルの表面構造を検出します。原子間力顕微鏡では、引力または斥力のいずれかである光電変位センサーを使用して、針先とサンプルの間の相互作用によって引き起こされる微小なカンチレバーの変形を検出することにより、サンプルの表面を検出します。
走査型プローブ顕微鏡の特徴
走査型プローブ顕微鏡は、電界イオン顕微鏡、高分解能透過型電子顕微鏡に次ぐ、物質の構造を原子スケールで観察する第3の顕微鏡です。走査トンネル顕微鏡（STM）を例にとると、その横方向の解像度は 0.1-0.2nm、縦方向の深さの解像度は 0.01nm です。この解像度により、サンプルの表面に分布する個々の原子または分子を明確に観察できます。一方、走査型プローブ顕微鏡は、空気、その他の気体、液体環境での観察や研究にも使用できます。
走査型プローブ顕微鏡は、原子分解能、原子輸送、ナノ加工などの特徴を持っています。ただし、さまざまな走査型顕微鏡の動作原理が異なるため、得られる結果はサンプルの非常に異なる表面情報を反映しています。走査型トンネル顕微鏡は、試料表面の電子ステージの分布情報を計測するもので、原子レベルの分解能はありますが、試料の真の構造を知ることはできません。また、原子顕微鏡では原子間の相互作用情報を検出することで、試料の真の構造である試料表面の原子分布の配置情報を得ることができます。一方、原子間力顕微鏡では理論と比較できるほどの電子状態情報を測定することができないため、どちらも一長一短があります。
