Caracteristicile microscopiei cu sonde de scanare
Când istoria s-a dezvoltat până în anii 1980, a luat naștere un nou tip de instrument de analiză a suprafeței, Scanning probe microscopy (STM), bazat pe fizică și care integrează diverse tehnologii moderne. STM nu numai că are o rezoluție spațială ridicată (până la O.1nm pe orizontală și mai bună decât O.01nm pe verticală), poate observa direct structura atomică a suprafețelor materiale, dar poate și manipula atomii și moleculele, impunând astfel voința subiectivă umană naturii. Se poate spune că microscopia cu sondă de scanare este extinderea ochilor și mâinilor umane și cristalizarea înțelepciunii umane.
Principiul de lucru al microscopiei cu sonde de scanare se bazează pe diferite proprietăți fizice în domeniul microscopic sau mezoscopic. Interacțiunea dintre cele două este detectată prin scanarea sondei atomice liniare extrem de fină deasupra suprafeței materialului studiat pentru a obține caracteristicile de suprafață ale materialului studiat. Principala diferență dintre diferitele tipuri de SPM-uri este caracteristicile vârfurilor și modul de acțiune corespunzător al probelor de vârf.
Principiul de lucru provine din principiul tunelului din mecanica cuantică. Miezul său este un vârf de ac care poate scana pe suprafața probei și are o anumită tensiune de polarizare între acesta și eșantion, cu un diametru de scară atomică. Deoarece probabilitatea tunelului de electroni are o relație exponențială negativă cu lățimea barierei V (r), când distanța dintre vârf și probă este foarte apropiată, bariera dintre ele devine foarte subțire, iar norul de electroni se suprapune cu fiecare. alte. Aplicând o tensiune între vârf și probă, electronii pot fi transferați de la vârf la probă sau de la probă la vârf prin efectul de tunel, formând un curent de tunel. Prin înregistrarea modificărilor curentului de tunel între vârful acului și probă, se pot obține informații despre morfologia suprafeței probei.
În comparație cu alte tehnici de analiză a suprafeței, SPM are avantaje unice:
(1) Are rezoluție ridicată la nivel atomic. Rezoluția STM în direcția paralelă și perpendiculară pe suprafața probei poate atinge 0.1nm și respectiv 0.01nm, ceea ce poate distinge atomi individuali.
(2) Pot fi obținute imagini 3D în timp real ale suprafețelor din spațiul real, care pot fi utilizate pentru studierea structurilor de suprafață cu sau fără periodicitate. Această performanță observabilă poate fi utilizată pentru studierea proceselor dinamice, cum ar fi difuzia de suprafață.
(3) Structura locală a suprafeței unui singur strat atomic poate fi observată, mai degrabă decât proprietățile medii ale imaginii individuale sau ale întregii suprafețe, astfel încât defectele de suprafață, reconstrucția suprafeței, forma și poziția adsorbanților de suprafață și suprafața reconstrucția cauzată de adsorbanți poate fi observată direct.
(4) Poate funcționa în diferite medii, cum ar fi vid, atmosferă și temperatura camerei, și chiar scufunda proba în apă și alte soluții fără a fi nevoie de tehnici speciale de preparare a probei, iar procesul de detectare nu dăunează proba. Aceste caracteristici sunt aplicabile în special studiului probelor biologice și evaluării suprafețelor probei în diferite condiții experimentale, cum ar fi monitorizarea mecanismului de cataliză heterogenă, mecanismul supraconductor și modificările suprafeței electrodului în timpul reacției electrochimice.
(5) Prin cooperarea cu Scanning Tunneling Spectroscopy (STS), se pot obține informații despre structurile electronice de suprafață, cum ar fi densitatea stărilor la diferite niveluri ale suprafeței, puțurile de electroni de suprafață, modificările barierelor de potențial de suprafață și structurile decalajului de energie.
