Unikalne zalety mikroskopu z sondą skanującą
Kiedy historia rozwinęła się do lat 80. XX wieku, narodził się nowy mikroskop z sondą skaningową (STM) do analizy powierzchni, oparty na fizyce i zintegrowany z wieloma nowoczesnymi technologiami. STM ma nie tylko wysoką rozdzielczość przestrzenną (do 0,1 nm w kierunku poziomym, ale lepszą niż 0,01 nm w kierunku pionowym), może bezpośrednio obserwować strukturę atomową na powierzchni materii, ale także manipulować atomami i cząsteczkami, dzięki czemu narzucanie naturze ludzkiej, subiektywnej woli. Można powiedzieć, że mikroskop z sondą skanującą jest przedłużeniem ludzkich oczu i dłoni oraz krystalizacją ludzkiej mądrości.
Zasada działania mikroskopu z sondą skanującą opiera się na różnych właściwościach fizycznych w zakresie mikroskopowym lub mezoskopowym, a interakcję między nimi wykrywa się skanując ultracienką sondę z liniowością atomową nad powierzchnią badanej substancji, tak aby uzyskać powierzchnię charakterystyka badanej substancji. Główna różnica między różnymi typami SPM polega na ich charakterystyce końcówki igły i odpowiednich trybach interakcji próbek końcówki igły.
Zasada działania wywodzi się z zasady tunelowania w mechanice kwantowej. Jego rdzeniem jest końcówka igły, która może skanować powierzchnię próbki, ma określone napięcie polaryzacji względem próbki, a jej średnica jest w skali atomowej. Ponieważ prawdopodobieństwo tunelowania elektronów ma ujemną wykładniczą zależność od szerokości bariery V(r), gdy odległość między końcem igły a próbką jest bardzo mała, bariera między nimi staje się bardzo cienka, a chmury elektronów zachodzą na siebie Inny. Po przyłożeniu napięcia pomiędzy końcówką igły a próbką elektrony mogą zostać przeniesione z końcówki igły do próbki lub z próbki do końcówki igły w wyniku efektu tunelowania, tworząc prąd tunelowy. Rejestrując zmianę prądu tunelowego pomiędzy końcówką igły a próbką, można uzyskać informację o morfologii powierzchni próbki.
W porównaniu z innymi technologiami analizy powierzchni, SPM ma unikalne zalety:
(1) Ma wysoką rozdzielczość na poziomie atomowym. Rozdzielczość STM w kierunku równoległym i prostopadłym do powierzchni próbki może osiągnąć odpowiednio 0.1 nm i 0.01 nm, dzięki czemu można rozróżnić pojedynczy atom.
(2) Trójwymiarowy obraz powierzchni w przestrzeni rzeczywistej można uzyskać w czasie rzeczywistym, co można wykorzystać do badania struktury powierzchni z okresowością lub bez, a tę obserwowalność można wykorzystać do badania procesów dynamicznych, takich jak dyfuzja powierzchniowa .
(3) Zamiast średnich właściwości pojedynczego obrazu lub całej powierzchni można zaobserwować lokalną strukturę powierzchni pojedynczej warstwy atomowej, a więc defekty powierzchni, rekonstrukcję powierzchni, kształt i położenie adsorbentów powierzchniowych oraz rekonstrukcję powierzchni spowodowaną adsorbentami można bezpośrednio zaobserwować.
(4) Może pracować w różnych środowiskach, takich jak próżnia, atmosfera, normalna temperatura itp., a nawet próbkę można zanurzyć w wodzie i innych roztworach, bez specjalnej technologii przygotowania próbki, a proces wykrywania nie powoduje uszkodzenia próbki . Charakterystyki te są szczególnie przydatne do badania próbek biologicznych i oceny powierzchni próbek w różnych warunkach eksperymentalnych, takich jak heterogeniczny mechanizm katalityczny, mechanizm nadprzewodzący, monitorowanie zmian powierzchni elektrody podczas reakcji elektrochemicznej i tak dalej.
(5) Za pomocą skaningowej spektroskopii tunelowej (STS) można uzyskać informacje o strukturze elektronowej powierzchni, takie jak gęstość stanów na różnych poziomach powierzchni, powierzchniowa pułapka elektronowa, zmiana bariery powierzchniowej i struktura przerwy energetycznej .
