Jedinstvene prednosti skenirajućeg sondnog mikroskopa
Kada se povijest razvijala do 1980-ih, rođen je novi mikroskop sa sondama za analizu površine (STM), koji se temeljio na fizici i integriran s mnogim modernim tehnologijama. STM ne samo da ima visoku prostornu rezoluciju (do 0,1 nm u vodoravnom smjeru, ali bolju od 0,01 nm u okomitom smjeru), može izravno promatrati atomsku strukturu na površini materije, ali i manipulirati atomima i molekulama, na taj način nametanje ljudske subjektivne volje prirodi. Može se reći da je skenirajući sondni mikroskop produžetak ljudskih očiju i ruku i kristalizacija ljudske mudrosti.
Princip rada skenirajućeg sondnog mikroskopa temelji se na različitim fizičkim svojstvima u mikroskopskom ili mezoskopskom rasponu, a interakcija između njih detektira se skeniranjem ultra-fine sonde s atomskom linearnošću iznad površine proučavane tvari, kako bi se dobila površina karakteristike proučavane tvari. Glavna razlika između različitih tipova SPM leži u karakteristikama vrha igle i odgovarajućim načinima interakcije uzoraka vrha igle.
Princip rada dolazi od principa tuneliranja u kvantnoj mehanici. Njegova jezgra je vrh igle koji može skenirati na površini uzorka, ima određeni prednapon s uzorkom, a njegov promjer je atomske skale. Budući da je vjerojatnost tuneliranja elektrona u negativnom eksponencijalnom odnosu sa širinom barijere V(r), kada je udaljenost između vrha igle i uzorka vrlo blizu, barijera između njih postaje vrlo tanka, a oblaci elektrona se preklapaju drugo. Kada se napon primijeni između vrha igle i uzorka, elektroni se mogu prenijeti s vrha igle na uzorak ili s uzorka na vrh igle kroz učinak tuneliranja, stvarajući struju tuneliranja. Bilježenjem promjene struje tunela između vrha igle i uzorka mogu se dobiti informacije o morfologiji površine uzorka.
U usporedbi s drugim tehnologijama površinske analize, SPM ima jedinstvene prednosti:
(1) Ima visoku rezoluciju na atomskoj razini. Razlučivost STM-a u smjeru paralelnom i okomitom na površinu uzorka može doseći 0.1nm odnosno 0.01nm, tako da se može razlikovati jedan atom.
(2) Trodimenzionalna slika površine u stvarnom prostoru može se dobiti u stvarnom vremenu, što se može koristiti za proučavanje površinske strukture sa ili bez periodičnosti, a ta se vidljivost može koristiti za proučavanje dinamičkih procesa kao što je površinska difuzija .
(3) Lokalna površinska struktura jednog atomskog sloja može se promatrati umjesto prosječnih svojstava pojedine slike ili cijele površine, tako da površinski defekti, rekonstrukcija površine, oblik i položaj površinskih adsorbenata i rekonstrukcija površine uzrokovana adsorbensima može se izravno promatrati.
(4) Može raditi u različitim okruženjima kao što su vakuum, atmosfera, normalna temperatura itd., pa čak i uzorak može biti uronjen u vodu i druge otopine, bez posebne tehnologije pripreme uzorka, a proces detekcije nema oštećenja uzorka . Ove su karakteristike posebno prikladne za proučavanje bioloških uzoraka i procjenu površine uzoraka pod različitim eksperimentalnim uvjetima, kao što su heterogeni katalitički mehanizam, supravodljivi mehanizam, praćenje promjena površine elektrode tijekom elektrokemijske reakcije i tako dalje.
(5) Pomoću skenirajuće tunelske spektroskopije (STS) mogu se dobiti informacije o površinskoj elektronskoj strukturi, kao što su gustoća stanja na različitim razinama površine, površinska zamka elektrona, promjena površinske barijere i struktura energetskog jaza. .
