Kiedy historia rozwinęła się w latach osiemdziesiątych0, narodził się nowy instrument do analizy powierzchni, oparty na fizyce i integrujący różnorodne nowoczesne technologie – mikroskop z sondą skanującą (STM). STM ma nie tylko bardzo wysoką rozdzielczość przestrzenną (do 0,1 nm w kierunku poprzecznym i lepszą niż 0,01 nm w kierunku wzdłużnym), może bezpośrednio obserwować strukturę atomową powierzchni materiału, a także może manipulować atomami i cząsteczkami, przekształcając w ten sposób człowieka. Subiektywna wola jest narzucona naturze. 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. Interakcję między nimi wykrywa się poprzez skanowanie ultracienkiej sondy linii atomowych nad powierzchnią badanej substancji w celu uzyskania wyników interakcji między nimi. Aby zbadać właściwości powierzchni materii, główną różnicą między różnymi typami SPM są właściwości końcówki i odpowiadający im sposób interakcji końcówka-próbka.
Zasada działania wywodzi się z zasady penetracji tunelu w mechanice kwantowej. Jego rdzeń stanowi końcówka, która skanuje powierzchnię próbki i pomiędzy nią a próbką występuje określone napięcie polaryzacji. Jego średnica jest w skali atomowej. Ponieważ prawdopodobieństwo tunelowania elektronów ma ujemną wykładniczą zależność od szerokości bariery potencjału V(r), gdy odległość między końcówką a próbką jest bardzo mała, bariera potencjału staje się bardzo cienka, a chmury elektronów nakładają się na siebie. Po przyłożeniu napięcia elektrony mogą zostać przeniesione z końcówki do próbki lub z próbki do końcówki poprzez efekt tunelowy, tworząc prąd tunelowy. Rejestrując zmiany prądu tunelowego pomiędzy końcówką a próbką, można uzyskać informacje o morfologii powierzchni próbki.
W porównaniu z innymi technologiami analizy powierzchni, SPM ma unikalne zalety:
(1) Z wysoką rozdzielczością na poziomie atomowym. Rozdzielczość STM w kierunkach równoległych i prostopadłych do powierzchni próbki może osiągnąć odpowiednio 0,1 nm i 0,01 nm i można rozdzielić pojedyncze atomy.
(2) Trójwymiarowy obraz powierzchni w przestrzeni rzeczywistej można uzyskać w czasie rzeczywistym, co można wykorzystać do badania struktur powierzchniowych z okresowością lub bez. Tę obserwowalną wydajność można wykorzystać do badania procesów dynamicznych, takich jak dyfuzja powierzchniowa.
(3) Można obserwować lokalną strukturę powierzchni pojedynczej warstwy atomowej, a nie pojedynczy obraz lub średnie właściwości całej powierzchni. Dzięki temu można bezpośrednio obserwować defekty powierzchni, rekonstrukcję powierzchni, kształt i położenie ciał zaadsorbowanych na powierzchni oraz skutki wywoływane przez ciała zaadsorbowane. Rekonstrukcja powierzchni itp.
(4) Może pracować w różnych środowiskach, takich jak próżnia, atmosfera i normalna temperatura, a nawet może zanurzać próbki w wodzie i innych roztworach. Nie jest wymagana żadna specjalna technologia przygotowania próbki, a proces wykrywania nie uszkodzi próbek. Funkcje te są szczególnie przydatne do badania próbek biologicznych i oceny powierzchni próbek w różnych warunkach eksperymentalnych, takich jak monitorowanie heterogenicznych mechanizmów katalitycznych, mechanizmów nadprzewodzących i zmian powierzchni elektrod podczas reakcji elektrochemicznych.
(5) W połączeniu ze skaningową spektroskopią tunelową (STS) można uzyskać informacje o powierzchniowej strukturze elektronowej, takie jak gęstość stanów na różnych poziomach powierzchni, powierzchniowe pułapki elektronów, zmiany powierzchniowych barier potencjału i struktury przerwy energetycznej .
