Унікальні переваги скануючого зондового мікроскопа
Коли історія розвивалася до 1980-х років, народився новий інструментальний скануючий зондовий мікроскоп (STM) для аналізу поверхні, який базувався на фізиці та інтегрувався з багатьма сучасними технологіями. STM не тільки має високу просторову роздільну здатність (до 0,1 нм у горизонтальному напрямку, але кращу, ніж 0,01 нм у вертикальному напрямку), він може безпосередньо спостерігати за атомною структурою на поверхні матерії, але також маніпулювати атомами та молекулами, таким чином нав'язування суб'єктивної волі людини природі. Можна сказати, що скануючий зондовий мікроскоп є продовженням людських очей і рук і кристалізацією людської мудрості.
Принцип роботи скануючого зондового мікроскопа базується на різних фізичних властивостях у мікроскопічному або мезоскопічному діапазоні, і взаємодія між ними виявляється шляхом сканування ультратонкого зонда з атомною лінійністю над поверхнею досліджуваної речовини, щоб отримати поверхню характеристики досліджуваної речовини. Основна відмінність між різними типами СЗМ полягає в їхніх характеристиках кінчика голки та відповідних режимах взаємодії зразків кінчика голки.
Принцип роботи походить від принципу тунелювання в квантовій механіці. Його стрижень — це наконечник голки, який може сканувати поверхню зразка, має певну напругу зміщення зі зразком, а його діаметр дорівнює атомному масштабу. Оскільки ймовірність тунелювання електронів має негативну експоненціальну залежність від ширини бар’єру V(r), коли відстань між кінчиком голки та зразком дуже близька, бар’єр між ними стає дуже тонким, і електронні хмари перекривають кожну інший. Коли між кінчиком голки та зразком подається напруга, електрони можуть переноситися від кінчика голки до зразка або від зразка до кінчика голки через ефект тунелювання, утворюючи тунельний струм. Записуючи зміну тунельного струму між кінчиком голки та зразком, можна отримати інформацію про морфологію поверхні зразка.
У порівнянні з іншими технологіями аналізу поверхні SPM має унікальні переваги:
(1) Має високу роздільну здатність на атомарному рівні. Роздільна здатність СТМ у напрямку, паралельному та перпендикулярному поверхні зразка, може досягати 0.1 нм і 0.01 нм відповідно, так що можна розрізнити один атом.
(2) Тривимірне зображення поверхні в реальному просторі можна отримати в режимі реального часу, яке можна використовувати для вивчення структури поверхні з періодичністю або без неї, і цю спостережливість можна використовувати для вивчення динамічних процесів, таких як поверхнева дифузія .
(3) Місцеву поверхневу структуру окремого атомарного шару можна спостерігати замість середніх властивостей окремого зображення або всієї поверхні, тому поверхневі дефекти, реконструкція поверхні, форма та положення поверхневих адсорбентів і реконструкція поверхні, викликана адсорбентами можна безпосередньо спостерігати.
(4) Він може працювати в різних середовищах, таких як вакуум, атмосфера, нормальна температура тощо, і навіть зразок можна занурювати у воду та інші розчини без спеціальної технології підготовки зразка, і процес виявлення не завдає шкоди зразку . Ці характеристики особливо підходять для вивчення біологічних зразків і оцінки поверхні зразків у різних експериментальних умовах, таких як гетерогенний каталітичний механізм, надпровідний механізм, моніторинг змін поверхні електродів під час електрохімічної реакції тощо.
(5) За допомогою скануючої тунельної спектроскопії (STS) можна отримати інформацію про електронну структуру поверхні, таку як щільність станів на різних рівнях поверхні, поверхневу електронну пастку, зміну поверхневого бар’єру та структуру енергетичної щілини. .
