Unieke voordelen van scanning probe-microscopie
Voorwoord:
Toen de geschiedenis zich in de jaren tachtig ontwikkelde, werd een nieuw type oppervlakteanalyse-instrument geboren, gebaseerd op de natuurkunde en waarin een verscheidenheid aan moderne technologieën werd geïntegreerd, de scanning probe microscoop (STM). De STM heeft niet alleen een hoge ruimtelijke resolutie (tot O.1 nm in de transversale richting, en beter dan O,01 nm in de longitudinale richting), die in staat is om direct te observeren. Het heeft niet alleen een hoge ruimtelijke resolutie (O,1 nm in horizontaal en O,01 nm in verticaal), het kan de atomaire structuur op het oppervlak van de materie rechtstreeks waarnemen, maar het kan ook atomen en moleculen manipuleren, waardoor de subjectieve wil van mensen op de natuur wordt uitgeoefend. Er kan worden gezegd dat de scanning-sondemicroscoop het verlengstuk is van menselijke ogen en handen, en de kristallisatie van menselijke wijsheid.
Het werkingsprincipe van Scanning Probe Microscopy is gebaseerd op verschillende fysische eigenschappen in het microscopische of mesoscopische bereik, en de interactie daartussen wordt gedetecteerd door middel van een zeer fijne sonde met atomaire lineariteit die boven het oppervlak van de onderzochte stof scant, om zo Om de oppervlakte-eigenschappen van de onderzochte stof te verkrijgen, ligt het belangrijkste verschil tussen de verschillende soorten SPM's in de verschillen in de kenmerken van hun naalden en hun overeenkomstige manieren van interactie met de monsters van de naalden.
Het werkingsprincipe is afgeleid van het tunneling-through-principe uit de kwantummechanica. In de kern bevindt zich een punt die over het monsteroppervlak kan scannen met een bepaalde voorspanning tussen het monster en het monster, en waarvan de diameter op atomaire schaal ligt. Omdat de kans op elektronentunneling een negatief exponentiële relatie vertoont met de breedte van de potentiële barrière V(r), wordt de potentiële barrière daartussen erg dun wanneer de afstand tussen de punt van de naald en het monster zeer klein is, en de elektronenwolken overlappen elkaar, en door een spanning aan te leggen tussen de punt van de naald en het monster, kunnen de elektronen via het tunneleffect van de punt naar het monster of van het monster naar de punt van de naald worden overgebracht om een tunnel te vormen huidig. Door de veranderingen in de tunnelstroom tussen de punt en het monster te registreren, kan informatie over de oppervlaktemorfologie van het monster worden verkregen.
SPM heeft unieke voordelen ten opzichte van andere oppervlakteanalysetechnieken:
(1) Hoge resolutie op atomair niveau, met resoluties van 0.1 nm parallel en 0.01 nm loodrecht op het monsteroppervlak, waar individuele atomen kunnen worden opgelost.
(2) Er kan in realtime een driedimensionaal beeld van het oppervlak in de werkelijke ruimte worden verkregen, dat kan worden gebruikt voor de studie van periodieke of niet-periodieke oppervlaktestructuren, en deze waarneembare prestatie kan worden gebruikt voor de studie van dynamische processen zoals oppervlaktediffusie.
(3) Het is mogelijk om de lokale oppervlaktestructuur van een enkele atoomlaag waar te nemen in plaats van het individuele beeld of de gemiddelde aard van het gehele oppervlak, en dus is het mogelijk om direct oppervlaktedefecten, oppervlaktereconstructie, de morfologie en locatie van oppervlakteadsorbaten en oppervlaktereconstructie veroorzaakt door adsorbaten.
(4) Het kan in verschillende omgevingen werken, zoals vacuüm, atmosfeer, kamertemperatuur, enz., en kan het monster zelfs onderdompelen in water en andere oplossingen, waarvoor geen speciale bemonsteringstechnieken nodig zijn en het monster tijdens de detectie niet beschadigt proces. Deze kenmerken zijn met name geschikt voor de studie van biologische monsters en de evaluatie van het monsteroppervlak onder verschillende experimentele omstandigheden, zoals voor het meerfasige katalytische mechanisme, het supergeleidingsmechanisme en het monitoren van 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 toestandsdichtheid op verschillende niveaus van het oppervlak, de elektronenvallen aan het oppervlak, de variatie van de oppervlaktepotentiaalbarrières en de energiekloofstructuur.
