Karakteristike skenirajuće sonde mikroskopije
Kada se povijest razvila do 1980-ih, rođena je nova vrsta instrumenta za analizu površine, mikroskopija sa skenirajućom sondom (STM), koja se temelji na fizici i integrira različite moderne tehnologije. STM ne samo da ima visoku prostornu rezoluciju (do 0,1 nm vodoravno i bolju od 0,01 nm okomito), može izravno promatrati atomsku strukturu materijalnih površina, već i manipulirati atomima i molekulama, namećući tako ljudsku subjektivnu volju prirodi. Može se reći da je skenirajuća sondna mikroskopija produžetak ljudskih očiju i ruku, te kristalizacija ljudske mudrosti.
Princip rada skenirajuće mikroskopije sonde temelji se na različitim fizičkim svojstvima u mikroskopskom ili mezoskopskom području. Interakcija između to dvoje detektira se skeniranjem atomske linearne iznimno fine sonde iznad površine proučavanog materijala kako bi se dobile karakteristike površine proučavanog materijala. Glavna razlika između različitih tipova SPM-a je njihova karakteristika vrha i odgovarajući način djelovanja uzoraka vrha.
Princip rada dolazi od principa tuneliranja u kvantnoj mehanici. Njegova jezgra je vrh igle koji može skenirati površinu uzorka i ima određeni prednapon između njega i uzorka, s promjerom atomske skale. Budući da je vjerojatnost tuneliranja elektrona u negativnom eksponencijalnom odnosu sa širinom barijere V (r), kada je udaljenost između vrha i uzorka vrlo blizu, barijera između njih postaje vrlo tanka, a elektronski oblak se preklapa sa svakim drugo. Primjenom napona između vrha i uzorka, elektroni se mogu prenijeti s vrha na uzorak ili s uzorka na vrh kroz efekt tunela, tvoreći tunelsku struju. Bilježenjem promjena u tunelskoj struji između vrha igle i uzorka mogu se dobiti informacije o morfologiji površine uzorka.
U usporedbi s drugim tehnikama površinske analize, SPM ima jedinstvene prednosti:
(1) Ima visoku razlučivost na atomskoj razini. Razlučivost STM-a u smjeru paralelnom i okomitom na površinu uzorka može doseći 0.1nm odnosno 0.01nm, što može razlikovati pojedinačne atome.
(2) Mogu se dobiti 3D slike površina u realnom prostoru u stvarnom vremenu, koje se mogu koristiti za proučavanje površinskih struktura sa ili bez periodičnosti. Ova vidljiva izvedba može se koristiti za proučavanje dinamičkih procesa kao što je površinska difuzija.
(3) Može se promatrati lokalna površinska struktura jednog atomskog sloja, a ne prosječna svojstva pojedinačne slike ili cijele površine, tako da površinski defekti, rekonstrukcija površine, oblik i položaj površinskih adsorbenata i površina rekonstrukcija uzrokovana adsorbensima može se izravno promatrati.
(4) Može raditi u različitim okruženjima kao što su vakuum, atmosfera i sobna temperatura, pa čak i uroniti uzorak u vodu i druge otopine bez potrebe za posebnim tehnikama pripreme uzorka, a postupak detekcije ne oštećuje uzorak. Ove su karakteristike posebno primjenjive na proučavanje bioloških uzoraka i procjenu površina uzoraka pod različitim eksperimentalnim uvjetima, kao što je praćenje mehanizma heterogene katalize, supravodljivog mehanizma i promjena površine elektrode tijekom elektrokemijske reakcije.
(5) Suradnjom sa skenirajućom tunelskom spektroskopijom (STS) mogu se dobiti informacije o površinskim elektroničkim strukturama, kao što su gustoća stanja na različitim razinama površine, površinske elektronske jame, promjene površinskih potencijalnih barijera i strukture energetskog jaza.
