Unikalne zalety mikroskopii z sondą skanującą
Mikroskopia z sondą skanującą (SPM) działa na zasadzie wykrywania interakcji pomiędzy różnymi właściwościami fizycznymi w zakresie mikroskopowym lub mezoskopowym w oparciu o skanowanie bardzo cienkiej sondy o liniowości atomowej nad powierzchnią badanej substancji, w celu uzyskania właściwości powierzchniowe badanej substancji. Główna różnica między różnymi typami SPM polega na charakterystyce końcówek i odpowiadających im trybach interakcji końcówka-próbka.
Zasada działania wywodzi się z zasady tunelowania w mechanice kwantowej. W jego rdzeniu znajduje się końcówka, która może skanować powierzchnię próbki przy określonym napięciu polaryzacji pomiędzy nią a próbką i której średnica jest w skali atomowej. Ponieważ szansa na tunelowanie elektronów wykazuje ujemną wykładniczą zależność od szerokości bariery potencjału V(r), gdy odległość pomiędzy końcem igły a próbką jest bardzo mała, bariera potencjału między nimi staje się bardzo cienka, a chmury elektronów nakładają się na siebie, a poprzez przyłożenie napięcia pomiędzy końcówką igły a próbką elektrony mogą zostać przeniesione z końcówki do próbki lub z próbki na końcówkę igły poprzez efekt tunelowania, tworząc tunelowanie aktualny. Rejestrując zmiany prądu tunelowego pomiędzy końcówką a próbką, można uzyskać informacje o morfologii powierzchni próbki.
SPM ma wyjątkowe zalety w porównaniu z innymi technikami analizy powierzchni:
(1) Wysoka rozdzielczość na poziomie atomowym, z rozdzielczością 0,1 nm w kierunku równoległym i 0,01 nm w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki, gdzie można rozdzielić poszczególne atomy.
(2) Trójwymiarowy obraz powierzchni w przestrzeni rzeczywistej można uzyskać w czasie rzeczywistym, który można wykorzystać do badania okresowych lub nieokresowych struktur powierzchniowych, a ten obserwowalny przebieg można wykorzystać do badania procesów dynamicznych takie jak dyfuzja powierzchniowa.
(3) Można obserwować lokalną strukturę powierzchni pojedynczej warstwy atomowej, a nie pojedynczy obraz lub przeciętny charakter całej powierzchni, a co za tym idzie, można bezpośrednio obserwować defekty powierzchni, rekonstrukcję powierzchni, morfologię i lokalizację adsorbaty powierzchniowe i rekonstrukcja powierzchni spowodowana adsorbatami.
(4) Może pracować w różnych środowiskach, takich jak próżnia, atmosfera, temperatura pokojowa itp., a nawet zanurzyć próbkę w wodzie i innych roztworach, co nie wymaga specjalnych technik pobierania próbek i nie uszkadza próbki podczas detekcji proces. Cechy te są szczególnie przydatne do badania próbek biologicznych i oceny powierzchni próbki w różnych warunkach eksperymentalnych, takich jak wielofazowy mechanizm katalityczny, mechanizm nadprzewodnictwa i monitorowanie zmian powierzchni elektrod podczas reakcji elektrochemicznych.
(5) W połączeniu ze skaningową spektroskopią tunelową (STS) można uzyskać informacje o strukturze elektronowej powierzchni, takie jak gęstość stanów na różnych poziomach powierzchni, powierzchniowe pułapki elektronowe, zmienność powierzchniowych barier potencjału oraz strukturę luki energetycznej.
