走査型プローブ顕微鏡の概念・原理・構造・特徴

走査型プローブ顕微鏡の概念・原理・構造・特徴

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しいプローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡、静電力顕微鏡、磁力顕微鏡、走査型イオンコンダクタンス顕微鏡、走査型電気化学顕微鏡など）の総称です。 表面分析装置を開発。

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、つまりプローブとサンプル表面がナノスケールに近いときに形成されるさまざまな相互作用の物理場を利用することです。対応する物理量を検出することによって得られるサンプル表面形態。 走査型プローブ顕微鏡は主にプローブ、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、プローブとサンプル間の距離（または相互作用の物理量）が一定値で安定するように、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、サンプルは xy 水平面内で移動し、プローブが走査に従うようになります。パスはサンプル表面を走査します。 走査型プローブ顕微鏡では、プローブとサンプル間の距離が安定している場合、検出システムは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。 相互作用の物理量が安定している場合、探針と試料の間の垂直方向の距離を介して変位センサによって検出されます。 画像系は、検出信号（あるいは探針と試料間の距離）に応じて試料表面を画像化する等の画像処理を行う。

走査型プローブ顕微鏡は、プローブとサンプル間の相互作用の異なる物理領域に応じて、さまざまなシリーズの顕微鏡に分類されます。 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、より一般的に使用されている 2 種類の走査型プローブ顕微鏡です。 走査型トンネル顕微鏡は、探針と被検試料との間のトンネル電流の大きさを検出することにより、試料の表面構造を検出する。 原子間力顕微鏡は、先端と試料との間の相互作用力（引力または斥力）によるマイクロ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、試料表面を検出します。

走査型プローブ顕微鏡の特長
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ための第3の顕微鏡です。 走査型トンネル顕微鏡(STM)を例にとると、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。 このような分解能により、サンプルの表面に分布する単一の原子または分子を明確に観察できます。 同時に、走査型プローブ顕微鏡は、空気、その他の気体、液体環境での観察研究も行うことができます。

走査型プローブ顕微鏡は、原子分解能、原子輸送、ナノ微細加工という特徴を持っています。 しかし、さまざまな走査型顕微鏡の動作原理が詳細に異なるため、それらによって得られた結果に反映される試料表面の情報は大きく異なります。 走査型トンネル顕微鏡では、試料表面の電子ステーションの分布情報を測定しますが、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。 原子顕微鏡は原子間の相互作用情報を検出することで、試料表面の原子分布の配置情報、すなわち試料の実際の構造を得ることができます。 しかしその一方で、原子間力顕微鏡は理論と比較できるような電子状態情報を測定することができないため、両者には一長一短があります。