یک مقاله برای آشنایی شما با تاریخچه توسعه میکروسکوپ پروب روبشی

تاریخچه میکروسکوپ پروب روبشی (SPM) یک پیشرفت علمی قابل توجه است که پایه و اساس علوم نانو و فناوری نانو را بنا می نهد. از دهه 1980، ظهور و حفظ SPM نه تنها دانشمندان را قادر ساخته است تا مواد را با دقت اتمی و مولکولی مشاهده و دستکاری کنند، بلکه تحقیقات در بسیاری از زمینه های مرتبط را نیز ترویج کرده است. در زیر نقاط عطف کلیدی در توسعه SPM آمده است:

1981: فیزیکدانان آلمانی گِرد بینینگ و هاینریش رورر میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) را در آزمایشگاه تحقیقاتی IBM زوریخ اختراع کردند. اختراع STM آغاز میکروسکوپی پروب روبشی را رقم زد.^[1]

بینینگ.

لورل

اولین میکروسکوپ تونلی روبشی جهان^[2]

1986: بینینگ و لورل جایزه نوبل فیزیک را برای اختراع STM دریافت کردند. کار آنها نشان داد که STM ها می توانند با وضوح اتمی تصویربرداری شوند و درک جدیدی از ساختار ماده را باز می کنند.

1989: دانشمندان IBM تکنیکی را نشان دادند که قادر به دستکاری اتم های منفرد است. آنها با استفاده از یک میکروسکوپ تونلی روبشی، 35 اتم زنون منفرد را روی یک بستر کریستالی سرد از نیکل مرتب کردند و سه حرف از سرنام شرکت را هجی کردند. این اولین باری است که اتم ها با دقت در یک صفحه قرار گرفته اند.^[3]

هجی کردن "IBM" با 35 اتم زنون"

1986: بینینگ، کالوین کویت و کریستوف گربر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را اختراع کردند. AFM می تواند روی مواد غیر رسانا کار کند و دامنه کاربرد فناوری SPM را گسترش دهد. [4] AFM از نیروی واندروالس بین پروب و سطح نمونه برای تصویربرداری استفاده می کند و می تواند در محیط های خلاء، هوا و مایع کار کند، بنابراین طیف وسیعی از کاربردها در علوم مواد و تحقیقات بیولوژیکی دارد.

اولین میکروسکوپ نیروی اتمی

نمودار شماتیک میکروسکوپ نیروی اتمی

1. میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM): میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM) در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990 اختراع شد. با استفاده از یک پروب با پوشش مغناطیسی، پروب اندازه گیری با سطح نمونه تعامل می کند تا به تصویربرداری دامنه مغناطیسی با وضوح بالا در مقیاس نانو دست یابد. این نوآوری به محققان اجازه می دهد تا در مورد خواص مغناطیسی ماده بینش کسب کنند.

مطالعه نقص های ریزساختاری توسط میکروسکوپ نیروی مغناطیسی میدان مغناطیسی بالا در دمای پایین

2. میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک (EFM): میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک (EFM) توسط استفان کالپس (Stephen Kalb) و هورست اف. فامر (Horst F.Hamann) در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990 اختراع شد. این نیروهای الکترواستاتیک را از طریق پروب های شارژ شده اندازه گیری می کند و تصویربرداری الکتریکی با وضوح بالا در مقیاس نانو را محقق می کند. EFM به طور گسترده در مطالعه مواد نیمه هادی، دستگاه های ذخیره بار و نانوالکترونیک استفاده می شود.

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک (NSOM یا SNOM): میکروسکوپ نوری میدان نزدیک (NSOM) توسط اریک بتزیگ و جان تراوتمن در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990 اختراع شد. NSOM از یک پروب فیبر نوری با دیافراگم زیر طول موج برای گرفتن تصاویر نوری با وضوح بالا با محدود کردن نور در یک ناحیه بسیار کوچک و اسکن سطح نمونه استفاده می کند. این به طور گسترده در علوم مواد، زیست شناسی، شیمی و تحقیقات نیمه هادی استفاده می شود.

اصول کلی NSOM

1. وضوح بالا و حساسیت بالا: با توسعه فناوری پروب، سیستم کنترل و فناوری پردازش داده ها، وضوح و حساسیت SPM به طور مداوم بهبود می یابد.

2. پروب چند منظوره: پروب هایی با خواص شیمیایی، مکانیکی، مغناطیسی یا مکانیکی خاص توسعه یافته اند که امکان شناسایی و دستکاری متنوع تری از SPM ها را فراهم می کنند.

3. تصویربرداری چند حالته: همراه با حالت های تصویربرداری متعدد، اطلاعات چندگانه از ویژگی های نمونه را می توان به طور همزمان به دست آورد.

ترکیب حالت های متعدد میکروسکوپی پروب روبشی

4. تصویربرداری در سطح ویفر: با افزایش چشمگیر مقیاس مدارهای مجتمع، نمونه های بزرگ باید تصویربرداری شوند.

تراشه ماشینکاری شده روی ویفر

5. کاربرد در زیست شناسی: SPM بیشتر و بیشتر در مطالعه مولکول ها و سلول های بیولوژیکی استفاده می شود که می تواند مستقیماً ساختار و فرآیند دینامیکی ماکرومولکول های بیولوژیکی را مشاهده کند.

فناوری میکروسکوپی پروب روبشی همچنان در حال تکامل است و تکنیک ها و کاربردهای جدیدی در حال ظهور هستند. میکروسکوپ های نیروی اتمی چند منظوره و میکروسکوپ های نیروی اتمی در مقیاس ویفر که توسط Zhiguo Precision Instruments توسعه یافته اند، از شناسایی نمونه های با اندازه بزرگ پشتیبانی می کنند وعملکردهای تجزیه و تحلیل مغناطیسی، پیزوالکتریک، اسکن کلوین و فاز مایع یکپارچه، داردسطح نویز بسیار پایین، و داردتجزیه و تحلیل پردازش داده های هوشمند بر اساس یادگیری عمیق. آینده همچنان بر روی وضوح بالاتر، سرعت تصویربرداری سریعتر و تحقیقات تجهیزات SPM چند منظوره قوی تر برای پاسخگویی به نیازهای تحقیقات علمی و کاربردهای صنعتی متمرکز خواهد بود.

میکروسکوپ نیروی اتمی چند منظوره AtomEdge که به طور مستقل توسط شرکت Zhizhen توسعه یافته است