میکروسکوپ پروبی روبشی (SPM)

ابزار و تجهیزات نقش بسیار مهمی در فناوری نانو ایفا می‌کنند، به‌ طوری ‌که امروزه توسعه دنیای نانو، مرهون پیشرفت و تکامل ابزارهای شناسایی ریزساختارها و خواص موضعی مواد است. ساخت دستگاه‌های پیشرفته و ابداع روش‌های نوین شناسایی، بزرگنمایی تا حد تفکیک اتمی را ممکن کرده است و از این راه‌ می​ توان رفتار مواد را به ‌دقت شناسایی و آنها را با ظرافت خاصی دستکاری کرد. محققان با استفاده از روش‌های جدید و بر اساس استفاده از ابزارهای کاوش الکترونی، یونی، مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی و نوترونی بر محدودیت‌های نور مرئی به ‌عنوان یک ردیاب شناسایی فائق آمدند، به‌ گونه‌ای که امروزه بزرگنمایی‌های بزرگتر از یک میلیون برابر و در مقیاس سه بعدی تا حد تفکیک اتمی، امکان‌پذیر است. میکروسکوپ پروبی روبشی یکی از این دستاوردها است که سطح ماده را با توان تفکیکی در مقیاس نانومتر روبش کرده و امکان تهیه تصاویر توپوگرافی یا نقشه‌هایی از یک خاصیت فیزیکی یا شیمیایی سطح ماده را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ، دارای یک سوزن با قطری در مقیاس نانومتر است که در فاصله بسیار کوچکی از اتم‌های سطح نمونه قرار گرفته و سطح را روبش می‌کند. این فاصله می‌تواند آن‌‌قدر کم باشد که الکترون‌های اتم‌های سوزن و سطح با هم برهم​کنش داشته باشند و این برهم​کنش​ها هم می‌توانند آن‌‌قدر قوی باشند که اتم‌ها را از جا کنده و به ‌جای دیگری منتقل کنند.

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی اولین نوع از سری میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که در سال‌۱۹۸۱ میلادی توسط گرد بینیگ و هاینریش روهرر برای بررسی نانو ساختارهای روی سطح، معرفی شد. STM، اولین دستگاهی بود که تصاویر سه بعدی واقعی با توان  تفکیک اتمی از سطوح تولید کرد و این امکان را به دانشمندان داد که برای اولین بار اتم‌ها و مولکول‌ها را مشاهده نموده و مقیاس تصورناپذیر نانومتر را به نمایش در‌آورند. پس از اختراع STM، میکروسکوپ​ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ​ نیروی مغناطیسی(MFM)، میکروسکوپ​ نیروی الکترواستاتیکی(EFM)، میکروسکوپ​ نوری میدان نزدیک (SNOM) و بسیاری دیگر از میکروسکوپهای گروه SPM، در بازه زمانی کوتاهی ساخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفتند.

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM)

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی(STM) اولین نوع از سری میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که در سال ۱۹۸۱میلادی توسط گرد بینیگ و هاینریخ روهرر برای مشاهده و حس نانوساختارهای روی سطح اختراع شد. STM، اولین دستگاهی بود که تصاویر سه بعدی واقعی با قدرت تفکیک اتمی از سطوح تولید کرد و به دانشمندان امکان داد که برای اولین بار اتم‌ها و مولکول‌ها را مشاهده کنند و مقیاس تصورناپذیر نانومتر را به نمایش در‌آورند.

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی تهیه تصویر از اتم‌های سطح مواد را ممکن و در درک توپوگرافی، خواص الکتریکی مواد و رفتار قطعات میکروالکترونیکی نقشی مهم ایفا میکند. همچنین مشاهده نقص‌های سطح، تعیین اندازه و آرایش مولکول و تجمع آنها از دیگر قابلیت‌های این دستگاه به شمار می​روند. STM، برخلاف یک میکروسکوپ نوری، با روبش سطح به‌ کمک سوزنی بسیار تیز که یک اتم در نوک آن وجود دارد، نیروهای الکتریکی بین سوزن و سطح را آشکار می‌کند. به دلیل یک اثر مکانیک کوانتومی موسوم به تونل‌زنی، الکترون‌ها می‌توانند به سادگی از سوزن به سطح و یا بالعکس انتقال یابند. ابتدا سوزن سطح نمونه را روبش می‌کند و سپس بی‌نظمی‌های الکتریکی حاصل از پوسته‌های الکترونی یا ابر الکترونی پیرامون اتم‌ها به کمک رایانه به تصویر تبدیل می‌شوند. توان تفکیک تصاویر در حدود یک نانومتر یا کم‌تر است. اجزای اصلی میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی عبارت‌اند از سوزن، روبش‌گر پیزوالکتریک، سامانه عایق ارتعاشی و رایانه. شکل۱ شمای کلی دستگاه میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی و روبش سوزن را روی سطح نشان می‌دهد.