走査プローブ型顕微鏡

最初に開発されたのが、1982年の走査型トンネル顕微鏡(STM)です。
当時、原子の姿が捉えられたと一般紙にも記事が載り、写真が掲載されました。それは、コンピュータグラフィックスで、いわば、3次元グラフです。卵のケースを裏返しにして、並べたようなものでした。その球状の一つが一つが原子一つだというのです。もちろん、原子を光で見る事はできないので、写真のような物が見られるはずもありませんが、CGモデルの様なもを、これが原子だと見せられても、にわかには信じがたい、画像でした。

走査型トンネル顕微鏡(STM)
探針、プローブは文字通り針を使っていました。なんとその先端の細さは原子1つ分だというのです。これも、別のSTMで証明されています。
原理は、試料と針の間に、生じるトンネル効果によって、距離を測定します。通常、針と試料が離れれば、流れる電気の量は減っていきますが、逆に原子数個から一個分の近くでは、電流は大きく増えます。このため、試料と針の距離を正確に知ることができます。
針は、ピエゾ素子で精密に走査されていて、針が試料の上を一定の距離を保ちながら(トンネル電流が一定になるように)、なぞっていきます。針の先端の位置が立体的にコンピュータで再現されます。

原子間力顕微鏡(AFM)
STMはトンネル効果を利用して、試料と針の距離を測定するので、試料は電気を通す物質に限られました。原子間力顕微鏡は、試料に針を限界まで近づけたときに、原子間力で針が動くのを検知して、高さ方向の距離を測定します。このため、絶縁体でも、水中でも測定が可能です。
プローブはやはり針で、試料の走査は、STMと同様に、ピエゾ素子で精密に走査され、試料の位置と針の位置が立体的にコンピュータで再現されます。
AFMもSTMと、同じ、IBMのチューリッヒ研究所のゲルト・ビーニッヒが開発したため、ダイヤモンド製のカンチレバー(長い腕の先端に、針が下向きに取り付けらた部品。試料上なぞって動く部分。原子間力によって、腕がたわむ。)を用い、STMによって、カンチレバーの変位を測定していた。その後、カンチレバーはケイ素になり、レーザー光で変位量検出する光てこなどによって、非常に安価な装置となった。

現在では、磁性や導電性を帯びたカンチレバーを使い、磁気像を観察できる磁気力顕微鏡や、電気勾配力を観察できる電気力顕微鏡などにも発展している。また、共焦点レーザー顕微鏡やラマン顕微鏡などとも組み合わせている。