Unieke voordelen van scanning probe-microscopen
Het werkingsprincipe van de scanning-sondemicroscoop is gebaseerd op verschillende fysische eigenschappen in het microscopische of mesoscopische bereik. De interactie tussen de twee wordt gedetecteerd door een ultrafijne sonde van atoomlijnen boven het oppervlak van de te bestuderen stof te scannen, om de resultaten van de interactie tussen de twee te verkrijgen. Om de oppervlakte-eigenschappen van materie te bestuderen, is het belangrijkste verschil tussen verschillende soorten SPM hun tipeigenschappen en hun overeenkomstige manier van tip-monster-interactie.
Het werkingsprincipe komt voort uit het tunnelpenetratieprincipe uit de kwantummechanica. De kern is een punt die op het oppervlak van het monster kan scannen en een bepaalde voorspanning heeft tussen de punt en het monster. De diameter is op atomaire schaal. Omdat de waarschijnlijkheid van elektronentunneling een negatief exponentiële relatie heeft met de breedte van de potentiële barrière V(r), wordt de potentiële barrière erg dun wanneer de afstand tussen de punt en het monster zeer klein is en overlappen de elektronenwolken elkaar. Wanneer een spanning wordt aangelegd, kunnen elektronen via het tunneleffect van de punt naar het monster of van het monster naar de punt worden overgebracht, waardoor een tunnelstroom ontstaat. Door de veranderingen in de tunnelstroom tussen de punt en het monster te registreren, kan informatie over de oppervlaktemorfologie van het monster worden verkregen.
Vergeleken met andere oppervlakteanalysetechnologieën heeft SPM unieke voordelen:
(1) Het heeft een hoge resolutie op atomair niveau. De resolutie van STM in de richtingen evenwijdig aan en loodrecht op het monsteroppervlak kan respectievelijk 0.1 nm en 0.01 nm bereiken, en afzonderlijke atomen kunnen worden opgelost.
(2) Het driedimensionale beeld van het oppervlak in de werkelijke ruimte kan in realtime worden verkregen, wat kan worden gebruikt om oppervlaktestructuren met of zonder periodiciteit te bestuderen. Deze waarneembare prestatie kan worden gebruikt om dynamische processen zoals oppervlaktediffusie te bestuderen.
(3) De lokale oppervlaktestructuur van een enkele atomaire laag kan worden waargenomen, in plaats van het individuele beeld of de gemiddelde eigenschappen van het gehele oppervlak. Daarom kunnen oppervlaktedefecten, oppervlaktereconstructie, de vorm en positie van aan het oppervlak geadsorbeerde lichamen en de effecten veroorzaakt door geadsorbeerde lichamen direct worden waargenomen. Oppervlaktereconstructie, enz.
(4) Het kan werken in verschillende omgevingen, zoals vacuüm, atmosfeer en normale temperatuur, en kan zelfs monsters onderdompelen in water en andere oplossingen. Er is geen speciale monstervoorbereidingstechnologie vereist en het detectieproces zal de monsters niet beschadigen. Deze kenmerken zijn met name geschikt voor het bestuderen van biologische monsters en het evalueren van monsteroppervlakken onder verschillende experimentele omstandigheden, zoals het monitoren van heterogene katalytische mechanismen, supergeleidende mechanismen en veranderingen aan het elektrodeoppervlak tijdens elektrochemische reacties.
(5) In combinatie met Scanning Tunneling Spectroscopie (STS) kan informatie over de elektronische structuur van het oppervlak worden verkregen, zoals de dichtheid van toestanden op verschillende niveaus op het oppervlak, oppervlakte-elektronenvallen, veranderingen in oppervlaktepotentiaalbarrières en energiekloofstructuren .
