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走査型トンネル顕微鏡から原子力顕微鏡まで：なぜそれほど強力なのか？
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) は、物理的なプローブを使用してサンプルの表面をスキャンして画像を形成する顕微鏡の分野です。 SPM は、原子レベルで表面を画像化できる装置である走査型トンネル顕微鏡が 1981 年に発明されて以来、急速に進歩してきました。ゲルト・ビニッヒとハインリッヒ・ローラーの成功した実験がこの分野の始まりを示し、その鍵はサンプルとプローブ間の距離を制御するためにフィードバック ループを使用することでした。
走査型プローブ顕微鏡は、圧電アクチュエータを使用して電子制御で原子スケールまたはより微細な動きをします。これにより、通常は2次元グリッドの形でデータを効率的に取得し、それをコンピューターに送信できます。イメージが視覚化されます。走査型プローブ顕微鏡の解像度は技術によって異なりますが、一部のプローブ技術は非常に優れた原子分解能を達成できます。
走査型プローブ顕微鏡のさまざまなタイプ
SPM の分野には、原子間力顕微鏡 (AFM)、化学力顕微鏡 (CFM)、走査トンネル顕微鏡 (STM) など、確立された技術が数多くあります。これらのテクノロジーはそれぞれ独自の特性があり、さまざまなアプリケーション要件に応じて選択できます。
走査型プローブ顕微鏡のデータは、多くの場合、ヒートマップとして表示され、最終画像が生成されます。
画像形成技術
走査型プローブ顕微鏡の画像は通常、ラスタースキャン技術を使用して生成されます。プローブはサンプル表面上に描画され、各スキャンポイントで特定の値が記録されます。このプロセス中に記録される値は、特定の動作モードによって異なる場合があります。
モデルとテクノロジーの違い
一般的な 2 つの操作モードには、一定相互作用モードと一定高さモードがあります。一定相互作用モードでは、プローブとサンプル間の距離はフィードバック ループを通じて調整され、安定した相互作用が維持されます。一定高さモードでは、プローブの Z 軸は動かないため、プローブとサンプルが衝突するリスクが高まります。
プローブの設計と特性
SPM プローブの形状と材質は使用される特定の技術によって異なり、プローブ先端の形状は顕微鏡の解像度に大きく影響します。プローブが細ければ細いほど解像度は高くなりますが、原子レベルの解像度を達成するには、プローブの先端が単一の原子である必要があります。
走査プローブ顕微鏡の利点と欠点顕微鏡画像撮影中、プローブの先端が期待どおりの解像度を達成できない場合があります。これは、プローブの鈍さが大きすぎるか、ピークが複数あることが原因である可能性があります。
走査型プローブ顕微鏡の主な利点は回折のない分解能ですが、長い走査時間が必要となるため、この機能は限界にもなります。スキャンプロセス中の空間情報は時系列に埋め込まれるため、測定の不確実性につながる可能性があります。
走査型光電流顕微鏡 (SPCM)
走査型プローブ顕微鏡の一種である SPCM は、集束レーザービームを局所励起源として使用し、材料の光電子特性を調べます。この技術は半導体ナノ構造の研究にとって特に重要です。
SPCM を使用すると、電流特性長、再結合速度、ドーピング濃度などの重要なパラメータを分析できます。
データ視覚化および分析ソフトウェア
走査型プローブ顕微鏡によって生成されたデータは、多くの場合、専門的な視覚化ソフトウェアを使用して分析および提示する必要があります。市場には、取得したデータをユーザーがよりよく理解できるようにするさまざまな商用および無料のソフトウェア オプションがあります。
走査型トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡の発展はナノテクノロジーの進歩を推進し続けていますが、これは将来さらに多くの課題に直面することになるという意味でしょうか?
