Характеристика скануючої зондової мікроскопії
Коли історія розвивалася до 1980-х років, народився новий тип приладу для аналізу поверхні, скануюча зондова мікроскопія (СТМ), заснована на фізиці та інтегруюча різноманітні сучасні технології. STM не тільки має високу просторову роздільну здатність (до 0,1 нм по горизонталі та кращу, ніж 0,01 нм по вертикалі), він може безпосередньо спостерігати за атомною структурою поверхонь матеріалу, але також маніпулювати атомами та молекулами, тим самим нав’язуючи суб’єктивну волю людини природі. Можна сказати, що скануюча зондова мікроскопія є продовженням людських очей і рук і кристалізацією людської мудрості.
Принцип роботи скануючої зондової мікроскопії базується на різних фізичних властивостях у мікроскопічному або мезоскопічному діапазоні. Взаємодія між ними виявляється шляхом сканування атомним лінійним надзвичайно тонким зондом над поверхнею досліджуваного матеріалу для отримання характеристик поверхні досліджуваного матеріалу. Основною відмінністю між різними типами СЗМ є їх характеристики наконечника та відповідний спосіб дії зразків наконечника.
Принцип роботи походить від принципу тунелювання в квантовій механіці. Його стрижень являє собою кінчик голки, який може сканувати поверхню зразка та має певну напругу зміщення між ним і зразком діаметром атомного масштабу. Оскільки ймовірність тунелювання електронів має негативну експоненціальну залежність від ширини бар’єру V (r), коли відстань між кінчиком і зразком дуже близька, бар’єр між ними стає дуже тонким, і електронна хмара перекривається з кожним інший. Застосовуючи напругу між кінчиком і зразком, електрони можуть переноситися від кінчика до зразка або від зразка до кінчика через ефект тунелювання, утворюючи тунельний струм. Записуючи зміни тунельного струму між кінчиком голки та зразком, можна отримати інформацію про морфологію поверхні зразка.
У порівнянні з іншими методами аналізу поверхні, SPM має унікальні переваги:
(1) Має високу роздільну здатність на атомному рівні. Роздільна здатність СТМ у напрямку, паралельному та перпендикулярному до поверхні зразка, може досягати 0.1 нм та 0.01 нм відповідно, що дозволяє розрізняти окремі атоми.
(2) Можна отримати тривимірні зображення поверхонь у реальному просторі в режимі реального часу, які можна використовувати для вивчення структур поверхні з періодичністю або без неї. Цю спостережувану продуктивність можна використовувати для вивчення динамічних процесів, таких як поверхнева дифузія.
(3) Можна спостерігати локальну поверхневу структуру одного атомарного шару, а не середні властивості окремого зображення чи всієї поверхні, тому поверхневі дефекти, реконструкція поверхні, форма та положення поверхневих адсорбентів і поверхня можна безпосередньо спостерігати реконструкцію, викликану адсорбентами.
(4) Він може працювати в різних середовищах, таких як вакуум, атмосфера та кімнатна температура, і навіть занурювати зразок у воду та інші розчини без необхідності спеціальних методів підготовки зразка, і процес виявлення не пошкоджує зразок. Ці характеристики особливо застосовні для вивчення біологічних зразків і оцінки поверхонь зразків за різних експериментальних умов, таких як моніторинг механізму гетерогенного каталізу, механізму надпровідності та змін поверхні електродів під час електрохімічної реакції.
(5) Співпрацюючи зі скануючою тунельною спектроскопією (STS), можна отримати інформацію про поверхневі електронні структури, такі як щільність станів на різних рівнях поверхні, поверхневі електронні ями, зміни в поверхневих потенційних бар’єрах і структури енергетичної щілини.
