Электронная микроскопия, введение

На что похожи были бы атомы, если б мы могли их реально увидеть? Обычный оптический микроскоп может лишь отличать объекты, которые в несколько тысяч раз больше  чем атомы. Электронный микроскоп, разработанный в 1931 году, достигает более высокого разрешения, используя пучки электронов высокой энергии, фокусируемых магнитными полями вместо света фокусирующих линз. Сканирующий электронный микроскоп делает изображения трехмерного качества, но его разрешение еще на 50 -100 порядков больше размера самого атома. 

Просвечивающие электронные микроскопы имеют немного лучшее разрешение, но делают только двумерные изображения и требуют сложной подготовки образца. Поскольку электроны высокой энергии  проникают глубоко, то  электронные микроскопы предоставляют информацию только о внутренней структуре исследуемого материала и совсем ничего о его поверхности.

В 1981 году двое ученых из Zurich Research - исследовательской лаборатории, компании IBM,  разработали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который может увидеть (имеет разрешение) детали размером до 0,1 нм в ширину и 0,01 нм в глубину (толщину). С этим разрешением СТМ может фактически "видеть" атомы на поверхности материала. СТМ работает используя  небольшое напряжения между крошечным зондом и поверхностью образца . Это напряжение приводит к '' туннельному " току, который очень чувствителен к ширине зазора между зондом и образцом. Зонд сканирует поверхность, его наконечник перемещается вверх и вниз для того, чтобы сохранить напряжение постоянным. На основе таких движений вверх и вниз, компьютер может получить трехмерное изображение атомов на поверхности образца.

СТМ используются, чтобы посмотреть на структуру поверхности металлов и полупроводников. Биологи используют СТМ для изучения вирусов и спиральной структуры ДНК, в то время химики исследуют реакции, протекающие на поверхности материалов. Преимущества СТМ состоят из  высокой разрешающей способности и легкой подготовкой проб. Однако, изображение сделанное СТМ, иногда сложно расшифровать, если несколько типов атомов присутствуют на поверхности образца. Кроме того, он не работает на непроводящих (ток) материалах. Ограничения СТМ привели исследователей к разработке различных типов сканирующих микроскопов. Многие функционируют аналогично СТМ, но зависят от различных взаимодействий между зондом и наконечником, таких, например, как трение или магнитное поле.