Характеристики на сканиращата сондова микроскопия
Когато историята се разви до 1980 г., се роди нов тип инструмент за повърхностен анализ, сканираща сондова микроскопия (STM), базиран на физиката и интегриращ различни модерни технологии. STM не само има висока пространствена разделителна способност (до 0,1 nm хоризонтално и по-добра от O,01 nm вертикално), той може директно да наблюдава атомната структура на материалните повърхности, но също така да манипулира атоми и молекули, като по този начин налага човешката субективна воля върху природата. Може да се каже, че микроскопията със сканираща сонда е разширението на човешките очи и ръце и кристализацията на човешката мъдрост.
Принципът на работа на сканиращата сондова микроскопия се основава на различни физични свойства в микроскопския или мезоскопския диапазон. Взаимодействието между двете се открива чрез сканиране на атомната линейна изключително фина сонда над повърхността на изследвания материал, за да се получат повърхностните характеристики на изследвания материал. Основната разлика между различните типове SPM е техните характеристики на върха и съответния начин на действие на образците на върха.
Принципът на работа идва от принципа на тунелиране в квантовата механика. Неговата сърцевина е връх на игла, който може да сканира по повърхността на пробата и има определено преднапрежение между нея и пробата с диаметър на атомна скала. Тъй като вероятността за електронно тунелиране има отрицателна експоненциална връзка с ширината на бариерата V (r), когато разстоянието между върха и пробата е много близко, бариерата между тях става много тънка и електронният облак се припокрива с всеки друго. Чрез прилагане на напрежение между върха и пробата, електроните могат да бъдат прехвърлени от върха към пробата или от пробата към върха чрез тунелния ефект, образувайки тунелен ток. Чрез записване на промените в тунелния ток между върха на иглата и пробата може да се получи информация за повърхностната морфология на пробата.
В сравнение с други техники за повърхностен анализ, SPM има уникални предимства:
(1) Има висока разделителна способност на атомно ниво. Разделителната способност на STM в посока, успоредна и перпендикулярна на повърхността на пробата, може да достигне съответно 0.1nm и 0.01nm, което може да различи отделни атоми.
(2) Могат да се получат 3D изображения в реално време на повърхности в реално пространство, които могат да се използват за изследване на повърхностни структури с или без периодичност. Тази видима производителност може да се използва за изследване на динамични процеси като повърхностна дифузия.
(3) Може да се наблюдава локалната повърхностна структура на единичен атомен слой, а не средните свойства на отделното изображение или цялата повърхност, така че повърхностните дефекти, реконструкцията на повърхността, формата и позицията на повърхностните адсорбенти и повърхността реконструкцията, причинена от адсорбентите, може да се наблюдава директно.
(4) Може да работи в различни среди като вакуум, атмосфера и стайна температура и дори да потапя пробата във вода и други разтвори без необходимост от специални техники за подготовка на пробата, а процесът на откриване не уврежда пробата. Тези характеристики са особено приложими за изследването на биологични проби и оценката на повърхностите на пробите при различни експериментални условия, като наблюдение на механизма на хетерогенна катализа, свръхпроводящ механизъм и промени на повърхността на електрода по време на електрохимична реакция.
(5) Чрез сътрудничество със сканиращата тунелна спектроскопия (STS) може да се получи информация за повърхностните електронни структури, като например плътността на състоянията на различни нива на повърхността, повърхностните електронни ямки, промените в повърхностните потенциални бариери и структурите на енергийните празнини.
