Kjennetegn ved skanningsprobemikroskopi
Da historien utviklet seg til 1980-tallet, ble en ny type overflateanalyseinstrument, Scanning Probe Microscopy (STM), basert på fysikk og integrering av ulike moderne teknologier, født. STM har ikke bare høy romlig oppløsning (opptil O.1nm horisontalt og bedre enn O.01nm vertikalt), den kan direkte observere atomstrukturen til materialoverflater, men også manipulere atomer og molekyler, og dermed påtvinge naturen menneskelig subjektiv vilje. Det kan sies at skanningsprobemikroskopi er forlengelsen av menneskelige øyne og hender, og krystalliseringen av menneskelig visdom.
Arbeidsprinsippet for skanningsprobemikroskopi er basert på ulike fysiske egenskaper i det mikroskopiske eller mesoskopiske området. Samspillet mellom de to oppdages ved å skanne den atomære lineære ekstremt fine sonden over overflaten av det studerte materialet for å oppnå overflatekarakteristikkene til det studerte materialet. Hovedforskjellen mellom forskjellige typer SPM er deres spissegenskaper og den tilsvarende virkemåten til spissprøver.
Arbeidsprinsippet kommer fra tunnelprinsippet i kvantemekanikk. Kjernen er en nålespiss som kan skanne på overflaten av prøven og har en viss forspenning mellom den og prøven, med en diameter på atomskala. Siden sannsynligheten for elektrontunnelering har et negativt eksponentielt forhold til bredden på barrieren V(r), når avstanden mellom spissen og prøven er veldig nær, blir barrieren mellom dem veldig tynn, og elektronskyen overlapper med hver annen. Ved å påføre en spenning mellom spissen og prøven, kan elektroner overføres fra spissen til prøven eller fra prøven til spissen gjennom tunneleffekten, og danner en tunnelstrøm. Ved å registrere endringene i tunnelstrøm mellom nålespissen og prøven, kan informasjon om overflatemorfologien til prøven fås.
Sammenlignet med andre overflateanalyseteknikker har SPM unike fordeler:
(1) Den har høy oppløsning på atomnivå. Oppløsningen til STM i retningen parallell og vinkelrett på prøveoverflaten kan nå henholdsvis 0.1nm og 0.01nm, noe som kan skille individuelle atomer.
(2) Sanntids 3D-bilder av overflater i virkelig rom kan oppnås, som kan brukes til å studere overflatestrukturer med eller uten periodisitet. Denne observerbare ytelsen kan brukes til å studere dynamiske prosesser som overflatediffusjon.
(3) Den lokale overflatestrukturen til et enkelt atomlag kan observeres, snarere enn gjennomsnittsegenskapene til det individuelle bildet eller hele overflaten, så overflatedefektene, overflaterekonstruksjon, formen og posisjonen til overflateadsorbentene og overflaten rekonstruksjon forårsaket av adsorbentene kan observeres direkte.
(4) Den kan fungere i forskjellige miljøer som vakuum, atmosfære og romtemperatur, og til og med dyppe prøven i vann og andre løsninger uten behov for spesielle prøveforberedelsesteknikker, og deteksjonsprosessen skader ikke prøven. Disse egenskapene er spesielt anvendelige for studiet av biologiske prøver og evaluering av prøveoverflater under forskjellige eksperimentelle forhold, for eksempel overvåking av heterogen katalysemekanisme, superledende mekanisme og elektrodeoverflateendringer under elektrokjemisk reaksjon.
(5) Ved å samarbeide med Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) kan informasjon om overflateelektroniske strukturer oppnås, slik som tettheten av tilstander på forskjellige nivåer av overflaten, overflateelektronbrønner, endringer i overflatepotensialbarrierer og energigapstrukturer.
