مجهر المسح الضوئي

تحت المصطلح مجهر المسح الضوئي هناك عدد من المجاهر وطرق القياس المرتبطة بها والتي تستخدم لتحليل الأسطح. وبالتالي فإن هذه التقنيات هي جزء من فيزياء السطح والواجهة. تتميز مجاهر مجسات المسح بأن مسبار القياس يوجه فوق سطح على مسافة صغيرة.

ما هو مجهر مسبار المسح؟

يشار إلى جميع أنواع المجاهر التي يتم فيها إنشاء الصورة نتيجة للتفاعل بين المجس والعينة باسم مجاهر مسبار المسح. هذا يميز هذه الطرق عن كل من المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني الماسح. لا يتم استخدام العدسات البصرية ولا العدسات الإلكترونية البصرية هنا.

باستخدام مجهر مسبار المسح ، يتم مسح سطح العينة شيئًا فشيئًا بمساعدة مسبار. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على القيم المقاسة لكل نقطة على حدة ، والتي يتم دمجها بعد ذلك لإنشاء صورة رقمية.

تم تطوير طريقة مسبار المسح لأول مرة وتقديمها في عام 1981 من قبل Rohrer و Binnig. يعتمد على تأثير النفق الذي ينشأ بين طرف معدني وسطح موصل. يشكل هذا التأثير الأساس لجميع طرق الفحص المجهري للمسبار التي تم تطويرها لاحقًا.

الأشكال والأنواع والأنواع

هناك أنواع مختلفة من مجاهر مجسات المسح ، والتي تختلف في المقام الأول فيما يتعلق بالتفاعل بين المجس والعينة. كانت نقطة البداية هي الفحص المجهري النفقي المسح ، والذي أتاح في عام 1982 لأول مرة تمثيلًا تم حله ذريًا للأسطح الموصلة كهربائيًا. خلال السنوات التالية ، تم تطوير العديد من طرق الفحص المجهري بمسبار المسح.

باستخدام مجهر المسح النفقي ، يتم تطبيق جهد بين سطح العينة والطرف. يتم قياس تيار النفق بين العينة والطرف ، والتي لا يُسمح أيضًا بلمسها. في عام 1984 ظهر الفحص المجهري البصري للمجال القريب. هنا يتم إرسال الضوء من خلال العينة من المسبار. في مجهر القوة الذرية ، ينحرف المسبار عن طريق القوى الذرية. عادة ما يتم استخدام ما يسمى بقوات فان دير فال. إن انحراف المسبار له علاقة تناسبية مع القوة ، والتي يتم تحديدها وفقًا للثابت الزنبركي للمسبار.

تم تطوير مجهر القوة الذرية في عام 1986. في البداية ، عملت مجاهر القوة الذرية على أساس طرف نفق يعمل ككاشف. يحدد طرف النفق هذا المسافة الفعلية بين سطح العينة والمستشعر. تستفيد التقنية من جهد النفق الموجود بين الجزء الخلفي من المستشعر وطرف الكشف.

في الوقت الحاضر ، تم استبدال هذه الطريقة إلى حد كبير بمبدأ الكشف ، مع الاكتشاف باستخدام شعاع ليزر يعمل كمؤشر ضوئي. يُعرف هذا أيضًا باسم مجهر قوة الليزر. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير مجهر القوة المغناطيسية حيث تعمل القوى المغناطيسية بين المسبار والعينة كأساس لتحديد القيم المقاسة.

في عام 1986 تم أيضًا تطوير المجهر الحراري الماسح ، حيث يعمل مستشعر صغير كمسبار مسح. يوجد أيضًا ما يسمى بمجهر المجال القريب للمسح الضوئي ، والذي يتكون فيه التفاعل بين المسبار والعينة من موجات زائلة.

الهيكل والوظيفة

من حيث المبدأ ، تشترك جميع أنواع مجاهر مجسات المسح في أنها تقوم بمسح سطح العينة في الشبكة. يتم استخدام التفاعل بين مسبار المجهر وسطح العينة. يختلف هذا التفاعل باختلاف نوع مجهر مسبار المسح. يعتبر المسبار ضخمًا مقارنة بالعينة التي يتم فحصها ، ومع ذلك فهو قادر على تحديد ميزات السطح الصغيرة للعينة. الذرة الأولى في طرف المسبار ذات صلة خاصة في هذه المرحلة.

بمساعدة الفحص المجهري للمسبار ، يمكن الحصول على دقة تصل إلى 10 بيكومتر. للمقارنة: حجم الذرات في حدود 100 بيكومتر. دقة المجاهر الضوئية محدودة بطول موجة الضوء. لهذا السبب ، يمكن استخدام دقة تتراوح من 200 إلى 300 نانومتر فقط باستخدام هذا النوع من المجهر. هذا يتوافق مع نصف الطول الموجي للضوء تقريبًا. لذلك ، يتم استخدام حزم الإلكترون بدلاً من الضوء في المجهر الإلكتروني الماسح. من خلال زيادة الطاقة ، يمكن نظريًا جعل الطول الموجي قصيرًا حسب الرغبة. ومع ذلك ، فإن الطول الموجي الصغير جدًا سيدمر العينة.

الفوائد الطبية والصحية

بمساعدة مجهر مسبار المسح ، لا يمكن فقط مسح سطح العينة. بدلاً من ذلك ، يمكن أيضًا إزالة الذرات الفردية من العينة وإيداعها مرة أخرى في موقع محدد.

منذ أوائل الثمانينيات من القرن الماضي ، تطور تطوير الفحص المجهري للمسح الضوئي بسرعة. كانت الاحتمالات الجديدة لتحسين الدقة التي تقل عن ميكرومتر واحدًا شرطًا أساسيًا للتقدم في علوم النانو وتكنولوجيا النانو ، وقد حدث هذا التطور بشكل خاص منذ التسعينيات.

بناءً على الطرق الأساسية لفحص المجس المجهري ، يتم تقسيم العديد من الطرق الفرعية الأخرى في الوقت الحاضر. هذه تستفيد من أنواع مختلفة من التفاعل بين طرف المجس وسطح العينة.

تلعب مجاهر المسح الضوئي دورًا أساسيًا في مجالات البحث مثل الكيمياء النانوية وعلم الأحياء النانوي والكيمياء الحيوية النانوية والطب النانوي. حتى أن مجاهر المسح تستخدم لاستكشاف كواكب أخرى مثل المريخ.

تستخدم مجاهر المسح الضوئي تقنية تحديد المواقع الخاصة بناءً على ما يسمى بتأثير بيزو. يتم التحكم بجهاز تحريك المسبار بواسطة الكمبيوتر ويتيح تحديد المواقع بدقة عالية. يتيح ذلك مسح أسطح العينات ضوئيًا بطريقة مضبوطة ودمج نتائج القياس في شاشة عالية الدقة للغاية.