Microscopio de sonda de barrido

Bajo el término Microscopio de sonda de barrido Hay varios microscopios y los métodos de medición asociados que se utilizan para analizar superficies. Por tanto, estas técnicas forman parte de la física de superficies e interfaces. Los microscopios de sonda de barrido se caracterizan porque una sonda de medición se guía sobre una superficie a una pequeña distancia.

¿Qué es un microscopio de sonda de barrido?

Todos los tipos de microscopios en los que se crea la imagen como resultado de una interacción entre la sonda y la muestra se denominan microscopios de sonda de barrido. Esto distingue estos métodos tanto de la microscopía óptica como de la microscopía electrónica de barrido. Aquí no se utilizan lentes ópticas ni electrónicas.

Con el microscopio de sonda de barrido, la superficie de la muestra se explora poco a poco con la ayuda de una sonda. De esta manera, se obtienen valores medidos para cada punto individual, que luego se combinan para crear una imagen digital.

El método de la sonda de exploración fue desarrollado y presentado por primera vez en 1981 por Rohrer y Binnig. Se basa en el efecto túnel que surge entre una punta metálica y una superficie conductora. Este efecto forma la base de todos los métodos de microscopía de sonda de barrido desarrollados posteriormente.

Formas, tipos y tipos

Existen diferentes tipos de microscopios de sonda de barrido, que se diferencian principalmente por la interacción entre la sonda y la muestra. El punto de partida fue la microscopía de túnel de barrido, que en 1982 permitió por primera vez una representación resuelta atómicamente de superficies eléctricamente conductoras. Durante los años siguientes se desarrollaron muchos otros métodos de microscopía de sonda de barrido.

Con el microscopio de túnel de barrido, se aplica un voltaje entre la superficie de la muestra y la punta. La corriente del túnel se mide entre la muestra y la punta, que tampoco pueden tocarse. En 1984 surgió la microscopía óptica de campo cercano. Aquí la luz se envía a través de la muestra desde una sonda. En el microscopio de fuerza atómica, la sonda se desvía por medio de fuerzas atómicas. Normalmente se utilizan las llamadas fuerzas de van der Waals. La deflexión de la sonda tiene una relación proporcional a la fuerza, que se determina de acuerdo con la constante de resorte de la sonda.

La microscopía de fuerza atómica se desarrolló en 1986. Al principio, los microscopios de fuerza atómica funcionaban sobre la base de una punta de túnel que actúa como detector. Esta punta de túnel determina la distancia real entre la superficie de la muestra y el sensor. La tecnología hace uso del voltaje del túnel que existe entre la parte posterior del sensor y la punta de detección.

Hoy en día, este método ha sido reemplazado en gran medida por el principio de detección, con detección mediante un rayo láser que funciona como un puntero de luz. Esto también se conoce como microscopio de fuerza láser. Además, se desarrolló un microscopio de fuerza magnética en el que las fuerzas magnéticas entre la sonda y la muestra sirven como base para determinar los valores medidos.

En 1986 también se desarrolló el microscopio térmico de barrido, en el que un pequeño sensor funciona como sonda de barrido. También existe el llamado microscopio de campo cercano de barrido óptico, en el que la interacción entre la sonda y la muestra consiste en ondas evanescentes.

Estructura y funcionalidad

En principio, todos los tipos de microscopios de sonda de barrido tienen en común que exploran la superficie de la muestra en una rejilla. Se utiliza la interacción entre la sonda del microscopio y la superficie de la muestra. Esta interacción difiere según el tipo de microscopio de sonda de barrido. La sonda es enorme en comparación con la muestra que se está examinando y, sin embargo, es capaz de determinar las pequeñas características superficiales de la muestra. El átomo más adelantado en la punta de la sonda es particularmente relevante en este punto.

Con la ayuda de la microscopía de sonda de barrido, son posibles resoluciones de hasta 10 picómetros. A modo de comparación: el tamaño de los átomos está en el rango de 100 picómetros. La precisión de los microscopios ópticos está limitada por la longitud de onda de la luz. Por esta razón, con este tipo de microscopio solo son posibles resoluciones de alrededor de 200 a 300 nanómetros. Esto corresponde aproximadamente a la mitad de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, se utilizan haces de electrones en lugar de luz en un microscopio electrónico de barrido. Al aumentar la energía, la longitud de onda puede, en teoría, hacerse tan corta como se desee. Sin embargo, una longitud de onda demasiado pequeña destruiría la muestra.

Beneficios médicos y de salud

Con la ayuda de un microscopio de sonda de exploración, no solo es posible explorar la superficie de una muestra. En cambio, los átomos individuales también pueden eliminarse de la muestra y depositarse nuevamente en una ubicación específica.

Desde principios de la década de 1980, el desarrollo de la microscopía de sonda de barrido ha avanzado rápidamente. Las nuevas posibilidades para una resolución mejorada de mucho menos de un micrómetro eran un requisito previo esencial para los avances en nanociencias y nanotecnología. Este desarrollo se ha producido especialmente desde la década de 1990.

Basados ​​en los métodos básicos de microscopía de sonda de barrido, muchos otros submétodos se dividen hoy en día. Éstos aprovechan los diferentes tipos de interacción entre la punta de la sonda y la superficie de la muestra.

Los microscopios de sonda de barrido juegan un papel fundamental en áreas de investigación como la nanoquímica, la nanobiología, la nanobioquímica y la nanomedicina. Los microscopios de sonda de barrido se utilizan incluso para explorar otros planetas como Marte.

Los microscopios de sonda de barrido utilizan una técnica de posicionamiento especial basada en el llamado efecto piezoeléctrico. El aparato para mover la sonda está controlado por la computadora y permite un posicionamiento de alta precisión. Esto permite escanear las superficies de las muestras de forma controlada y combinar los resultados de la medición en una pantalla de resolución extremadamente alta.