Când istoria s-a dezvoltat în anii 1980, s-a născut un nou instrument de analiză a suprafeței bazat pe fizică și care integrează o varietate de tehnologii moderne - microscopul cu sondă de scanare (STM). STM nu numai că are o rezoluție spațială foarte mare (până la 0.1nm în direcția laterală și mai bună decât 0.01nm în direcția longitudinală), poate observa direct structura atomică a suprafeței materialului și poate, de asemenea manipulează atomii și moleculele, transformând astfel uman Voința subiectivă este impusă naturii. Se poate spune că microscopul cu sondă de scanare este o extensie a ochilor și mâinilor umane și cristalizarea înțelepciunii umane.
Principiul de funcționare al microscopului cu sondă de scanare se bazează pe diferite proprietăți fizice în domeniul microscopic sau mezoscopic. Interacțiunea dintre cele două este detectată prin scanarea unei sonde ultrafină de linii atomice deasupra suprafeței substanței studiate, pentru a obține rezultatele interacțiunii dintre cele două. Pentru a studia proprietățile de suprafață ale materiei, principala diferență dintre diferitele tipuri de SPM este proprietățile vârfului și modul lor corespunzător de interacțiune vârf-probă.
Principiul de lucru provine din principiul penetrarii tunelului din mecanica cuantica. Miezul său este un vârf care poate scana pe suprafața probei și are o anumită tensiune de polarizare între acesta și eșantion. Diametrul său este la scara atomică. Deoarece probabilitatea tunelului de electroni are o relație exponențială negativă cu lățimea barierei de potențial V(r), când distanța dintre vârf și probă este foarte apropiată, bariera de potențial devine foarte subțire și norii de electroni se suprapun unul pe altul. Când se aplică o tensiune, 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 vârf și probă, se pot obține informații despre morfologia suprafeței probei.
În comparație cu alte tehnologii de analiză a suprafețelor, SPM are avantaje unice:
(1) Cu rezoluție înaltă la nivel atomic. Rezoluția STM în direcțiile paralele și perpendiculare pe suprafața probei poate ajunge la 0.1nm și, respectiv, 0.01nm, iar atomii unici pot fi rezolvați.
(2) Imaginea tridimensională a suprafeței în spațiu real poate fi obținută în timp real, care poate fi utilizată pentru studiul structurilor de suprafață cu sau fără periodicitate. Această performanță observabilă poate fi utilizată pentru a studia procese dinamice, cum ar fi difuzia de suprafață.
(3) Se poate observa structura locală a suprafeței unui singur strat atomic, mai degrabă decât imaginea individuală sau proprietățile medii ale întregii suprafețe. Prin urmare, defectele de suprafață, reconstrucția suprafeței, forma și poziția corpurilor de suprafață adsorbite și efectele cauzate de corpurile adsorbite pot fi observate direct. Reconstituirea suprafeței etc.
(4) Poate funcționa în diferite medii, cum ar fi vid, atmosferă și temperatura normală, și poate chiar scufunda mostre în apă și alte soluții. Nu este necesară nicio tehnologie specială de pregătire a probelor, iar procesul de detectare nu va deteriora mostrele. Aceste caracteristici sunt adecvate în special pentru studierea probelor biologice și evaluarea suprafețelor probei în diferite condiții experimentale, cum ar fi monitorizarea mecanismelor catalitice eterogene, mecanismele supraconductoare și modificările suprafeței electrodului în timpul reacțiilor electrochimice.
(5) În combinație cu Scanning Tunneling Spectroscopy (STS), pot fi obținute informații despre structura electronică de suprafață, cum ar fi densitatea stărilor la diferite niveluri de pe suprafață, capcanele de electroni de suprafață, modificările barierelor de potențial de suprafață și structurile gapului de energie. .
