Le terme microscope à sonde à balayage couvre une gamme de microscopes et de techniques de mesure associées qui sont utilisées pour analyser des surfaces. En tant que telles, ces techniques relèvent de la physique de surface et interfaciale. Les microscopes à sonde à balayage sont caractérisés par le passage d'une sonde de mesure sur une surface à une petite distance.
Qu'est-ce qu'un microscope à sonde à balayage?
Le terme microscope à sonde à balayage couvre une gamme de microscopes et leurs techniques de mesure associées qui sont utilisées pour analyser les surfaces. Le microscope à sonde à balayage fait référence à tous les types de microscopes dans lesquels l'image est formée à la suite de l'interaction entre la sonde et l'échantillon. Ainsi, ces méthodes diffèrent à la fois de la microscopie optique et de la microscopie électronique à balayage. Ici, aucune lentille optique ni optique électronique n'est utilisée. Dans le microscope à sonde à balayage, la surface de l'échantillon est scannée pièce par pièce à l'aide d'une sonde. De cette manière, des valeurs mesurées sont obtenues pour chaque spot individuel, qui sont finalement combinées pour produire une image numérique. La méthode de la sonde à balayage a été développée et présentée pour la première fois par Rohrer et Binnig en 1981. Elle est basée sur l'effet tunnel qui se produit entre une pointe métallique et une surface conductrice. Cet effet constitue la base de toutes les techniques de microscopie à sonde à balayage développées plus tard.
Formes, types et styles
Il existe plusieurs types de microscopes à sonde à balayage, qui diffèrent principalement par l'interaction entre la sonde et l'échantillon. Le point de départ était la microscopie à effet tunnel, qui a permis la première imagerie à résolution atomique de surfaces électriquement conductrices en 1982. Au cours des années suivantes, de nombreuses autres techniques de microscopie à sonde à balayage se sont développées. En microscopie à effet tunnel, une tension est appliquée entre la surface de l'échantillon et la pointe. Le courant tunnel entre l'échantillon et la pointe est mesuré et ils ne doivent pas se toucher. En 1984, la microscopie optique en champ proche a été développée pour la première fois. Ici, la lumière est envoyée à travers l'échantillon à partir d'une sonde. Dans le microscope à force atomique, la sonde est déviée au moyen de forces atomiques. En règle générale, les soi-disant forces de Van der Waals sont utilisées. La déflexion de la sonde montre une relation proportionnelle à la force, qui est déterminée en fonction de la constante de ressort de la sonde. La microscopie à force atomique a été développée en 1986. Au début, les microscopes à force atomique fonctionnaient sur la base d'une pointe de tunnel agissant comme un détecteur. Cette pointe de tunnel détermine la distance réelle entre la surface de l'échantillon et le capteur. La technique utilise la tension tunnel qui existe entre l'arrière du capteur et la pointe de détection. Dans les temps modernes, cette technique a été largement remplacée par le principe de détection, où la détection est effectuée à l'aide d'un faisceau laser qui agit comme un pointeur de lumière. Ceci est également connu sous le nom de microscope à force laser. De plus, un microscope à force magnétique a été développé dans lequel les forces magnétiques entre la sonde et l'échantillon servent de base pour déterminer les valeurs mesurées. En 1986, le microscope thermique à balayage a également été développé, dans lequel un minuscule capteur agit comme une sonde à balayage. Il existe également un microscope optique à champ proche à balayage, dans lequel l'interaction entre la sonde et l'échantillon consiste en des ondes évanescentes.
Structure et fonctionnement
En principe, tous les types de microscopes à sonde à balayage ont en commun de balayer la surface de l'échantillon dans une grille. Cela tire parti de l'interaction entre la sonde du microscope et la surface de l'échantillon. Cette interaction diffère selon le type de microscope à sonde à balayage. La sonde est énorme par rapport à l'échantillon examiné, mais capable de détecter les caractéristiques de surface minuscules de l'échantillon. L'atome le plus important à la pointe de la sonde est particulièrement pertinent à ce stade. En utilisant la microscopie à sonde à balayage, des résolutions allant jusqu'à 10 picomètres sont possibles. A titre de comparaison, la taille des atomes est de l'ordre de 100 picomètres. La précision des microscopes optiques est limitée par la longueur d'onde de la lumière. Pour cette raison, seules des résolutions d'environ 200 à 300 nanomètres sont possibles avec ce type de microscope. Cela correspond à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Par conséquent, un microscope électronique à balayage utilise le rayonnement électronique au lieu de la lumière. En augmentant l'énergie, la longueur d'onde peut être rendue arbitrairement courte en théorie. Cependant, une longueur d'onde trop courte détruirait l'échantillon.
Avantages médicaux et de santé
À l'aide d'un microscope à sonde à balayage, il n'est pas seulement possible de scanner la surface d'un échantillon. Au lieu de cela, il est également possible de prélever des atomes individuels de l'échantillon et de les replacer à un emplacement prédéterminé. Depuis le début des années 1980, le développement de la microscopie à sonde à balayage a progressé rapidement. Les nouvelles possibilités d'améliorer la résolution de bien moins d'un micromètre représentaient une condition préalable majeure pour les progrès des nanosciences ainsi que des nanotechnologies. Cette évolution s'est produite surtout depuis les années 1990. Sur la base des méthodes de base de la microscopie à sonde à balayage, de nombreuses autres sous-méthodes sont subdivisées de nos jours. Ceux-ci utilisent différents types d'interaction entre la pointe de la sonde et la surface de l'échantillon. Ainsi, les microscopes à sonde à balayage jouent un rôle essentiel dans des domaines de recherche tels que la nanochimie, la nanobiologie, la nanobiochimie et la nanomédecine. Des microscopes à sonde à balayage sont même utilisés pour explorer d'autres planètes, comme Mars. Les microscopes à sonde à balayage utilisent une technique de positionnement spéciale basée sur l'effet dit piézoélectrique. L'appareil de déplacement de la sonde est commandé à partir d'un ordinateur et permet un positionnement très précis. Cela permet de numériser les surfaces des échantillons de manière contrôlée et d'assembler les résultats de mesure en une image extrêmement haute résolution.