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表面の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メートルスケールに近い場合、さまざまな相互作用の物理場は次のようになります。試料の表面形態は、対応する物理量を測定することによって得られます。 走査型プローブ顕微鏡は、プローブ、スキャナー、変位センサー、コントローラー、検出システム、画像システムで構成されています。

コントローラーは、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) を固定値で安定させるために、スキャナーを通してサンプルを垂直方向に移動します。 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距離が安定している場合、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条件下で、垂直変位センサにより探針と試料間の距離を検出します。 画像処理装置は、検出信号（または探針と試料との距離）に基づいて試料表面の画像処理を行う。

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割されます。 その中でも、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 つの走査型プローブ顕微鏡です。 走査型トンネル顕微鏡は、探針と測定試料間のトンネル電流を検出することで試料の表面構造を検出します。 原子間力顕微鏡では、先端と試料の間の相互作用力（引力または斥力）によって生じる微小なカンチレバーの変形を光電変位センサーで検出することで、試料の表面を検出します。