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、探針と試料表面の原子分子との相互作用、つまり探針と試料表面がナノスケールに近づくと様々な相互作用によって形成される物理場を利用し、対応する物理量を検出することで試料の表面形態を取得することです。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、撮像系の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使用してサンプルを垂直方向に移動させ、プローブとサンプル間の距離（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 x- y 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、検出システム内の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。物理量の安定した相互作用の場合、探針と試料間の垂直方向の距離は変位センサによって検出されます。画像化システムは、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。

走査型プローブ顕微鏡は、使用されるプローブとサンプルの間の相互作用の異なる物理的フィールドに基づいて、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の大きさ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、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力（引力または反発力）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し、サンプルの表面を検出します。