Un microscopio a scansione di sonda è uno dei numerosi microscopi che producono immagini di superficie tridimensionali con dettagli molto elevati, inclusa la scala atomica. A seconda della tecnica di microscopia utilizzata, alcuni di questi microscopi possono anche misurare le proprietà fisiche di un materiale, tra cui corrente elettrica, conduttività e campi magnetici. Il primo microscopio a scansione di sonda, chiamato microscopio a scansione a tunnel (STM), è stato inventato nei primi anni ‘1980. Gli inventori dell’STM hanno vinto il premio Nobel per la fisica pochi anni dopo. Da quel momento sono state inventate diverse altre tecniche, fondate sugli stessi principi di base.
Tutte le tecniche di microscopia a scansione di sonda comportano una piccola scansione a punta affilata della superficie del materiale, poiché i dati vengono acquisiti digitalmente dalla scansione. La punta della sonda di scansione deve essere più piccola delle caratteristiche sulla superficie da scansionare, al fine di produrre un’immagine accurata. Questi suggerimenti devono essere sostituiti ogni pochi giorni. Di solito sono montati su cantilever e, in molte tecniche SPM, il movimento del cantilever viene misurato per determinare l’altezza della superficie.
Nella microscopia a scansione a tunnel, viene applicata una corrente elettrica tra la punta di scansione e la superficie da acquisire. Questa corrente viene mantenuta costante regolando l’altezza della punta, generando così un’immagine topografica della superficie. In alternativa, l’altezza della punta può essere mantenuta costante mentre viene misurata la corrente variabile per determinare l’altezza della superficie. Poiché questo metodo utilizza la corrente elettrica, è applicabile solo ai materiali che sono conduttori o semiconduttori.
Diversi tipi di microscopio a scansione di sonda rientrano nella categoria della microscopia a forza atomica (AFM). A differenza della microscopia a scansione a tunnel, l’AFM può essere utilizzato su tutti i tipi di materiali, indipendentemente dalla loro conduttività. Tutti i tipi di AFM utilizzano una misurazione indiretta della forza tra la punta di scansione e la superficie per produrre l’immagine. Ciò si ottiene solitamente attraverso una misurazione della deflessione del cantilever. I vari tipi di microscopio a forza atomica includono AFM a contatto, AFM senza contatto e AFM a contatto intermittente. Diverse considerazioni determinano quale tipo di microscopia a forza atomica è il migliore per una particolare applicazione, inclusa la sensibilità del materiale e la dimensione del campione da scansionare.
Ci sono alcune variazioni sui tipi base di microscopia a forza atomica. La microscopia a forza laterale (LFM) misura la forza di torsione sulla punta di scansione, utile per mappare l’attrito superficiale. La microscopia a scansione di capacità viene utilizzata per misurare la capacità del campione producendo contemporaneamente un’immagine topografica AFM. I microscopi conduttivi a forza atomica (C-AFM) utilizzano una punta conduttiva proprio come fa STM, producendo così un’immagine topografica AFM e una mappa della corrente elettrica. La microscopia a modulazione di forza (FMM) viene utilizzata per misurare le proprietà elastiche di un materiale.
Esistono anche altre tecniche di microscopio a scansione di sonda per misurare proprietà diverse dalla superficie tridimensionale. I microscopi a forza elettrostatica (EFM) vengono utilizzati per misurare la carica elettrica su una superficie. Questi sono a volte usati per testare i chip del microprocessore. La microscopia termica a scansione (SThM) raccoglie dati sulla conduttività termica e mappa la topografia della superficie. I microscopi a forza magnetica (MFM) misurano il campo magnetico sulla superficie insieme alla topografia.