Kenmerken van scanning-sondemicroscopie
Toen de geschiedenis zich ontwikkelde tot de jaren tachtig, werd een nieuw type oppervlakteanalyse-instrument geboren, Scanning Probe Microscopy (STM), gebaseerd op natuurkunde en met de integratie van verschillende moderne technologieën. STM heeft niet alleen een hoge ruimtelijke resolutie (tot 0,1 nm horizontaal en beter dan 0,01 nm verticaal), het kan direct de atomaire structuur van materiële oppervlakken waarnemen, maar ook atomen en moleculen manipuleren, waardoor de menselijke subjectieve wil aan de natuur wordt opgelegd. Er kan worden gezegd dat scanning-sondemicroscopie het verlengstuk is van menselijke ogen en handen, en de kristallisatie van menselijke wijsheid.
Het werkingsprincipe van scanning-sondemicroscopie is gebaseerd op verschillende fysische eigenschappen in het microscopische of mesoscopische bereik. De interactie tussen de twee wordt gedetecteerd door de atomaire lineaire extreem fijne sonde boven het oppervlak van het bestudeerde materiaal te scannen om de oppervlaktekarakteristieken van het bestudeerde materiaal te verkrijgen. Het belangrijkste verschil tussen verschillende soorten SPM's zijn hun tipkarakteristieken en het overeenkomstige werkingsmechanisme van tipmonsters.
Het werkingsprincipe komt voort uit het tunnelprincipe uit de kwantummechanica. De kern is een naaldpunt die op het oppervlak van het monster kan scannen en een bepaalde voorspanning heeft tussen het monster en het monster, met een diameter op atomaire schaal. Omdat de waarschijnlijkheid van elektronentunneling een negatief exponentiële relatie heeft met de breedte van de barrière V (r), wordt de barrière daartussen erg dun wanneer de afstand tussen de punt en het monster erg klein is, en overlapt de elektronenwolk met elke ander. Door een spanning aan te leggen tussen de punt en het monster, kunnen elektronen worden overgedragen van de punt naar het monster of van het monster naar de punt door het tunneleffect, waardoor een tunnelstroom wordt gevormd. Door de veranderingen in de tunnelstroom tussen de naaldpunt en het monster te registreren, kan informatie over de oppervlaktemorfologie van het monster worden verkregen.
Vergeleken met andere oppervlakteanalysetechnieken heeft SPM unieke voordelen:
(1) Het heeft een hoge resolutie op atomair niveau. De resolutie van STM in de richting evenwijdig aan en loodrecht op het monsteroppervlak kan respectievelijk 0.1 nm en 0.01 nm bereiken, waardoor afzonderlijke atomen kunnen worden onderscheiden.
(2) Er kunnen realtime 3D-beelden van oppervlakken in de echte ruimte worden verkregen, die kunnen worden gebruikt voor het bestuderen van oppervlaktestructuren met of zonder periodiciteit. Deze waarneembare prestatie kan worden gebruikt voor het bestuderen van dynamische processen zoals oppervlaktediffusie.
(3) De lokale oppervlaktestructuur van een enkele atomaire laag kan worden waargenomen, in plaats van de gemiddelde eigenschappen van het individuele beeld of het hele oppervlak, dus de oppervlaktedefecten, oppervlaktereconstructie, de vorm en positie van de oppervlakte-adsorbentia en het oppervlak reconstructie veroorzaakt door de adsorbentia kan direct worden waargenomen.
(4) Het kan werken in verschillende omgevingen, zoals vacuüm, atmosfeer en kamertemperatuur, en zelfs het monster onderdompelen in water en andere oplossingen zonder de noodzaak van speciale monstervoorbereidingstechnieken, en het detectieproces beschadigt het monster niet. Deze kenmerken zijn met name van toepassing op de studie van biologische monsters en de evaluatie van monsteroppervlakken onder verschillende experimentele omstandigheden, zoals het monitoren van het heterogene katalysemechanisme, het supergeleidende mechanisme en veranderingen in het elektrodeoppervlak tijdens elektrochemische reacties.
(5) Door samen te werken met Scanning Tunneling Spectroscopie (STS) kan informatie over elektronische oppervlaktestructuren worden verkregen, zoals de toestandsdichtheid op verschillende niveaus van het oppervlak, oppervlakte-elektronenputten, veranderingen in oppervlaktepotentiaalbarrières en energiekloofstructuren.
