Уникалните предимства на сканиращия сондов микроскоп
Когато историята се разви до 80-те години на миналия век, се роди нов инструмент за анализ на повърхността - сканиращ пробен микроскоп (STM), който беше базиран на физиката и интегриран с много съвременни технологии. STM не само има висока пространствена разделителна способност (до 0,1 nm в хоризонтална посока, но по-добра от 0,01 nm във вертикална посока), той може директно да наблюдава атомната структура на повърхността на материята, но също така да манипулира атоми и молекули, като по този начин налагане на човешката субективна воля върху природата. Може да се каже, че сканиращият сонда микроскоп е разширението на човешките очи и ръце и кристализацията на човешката мъдрост.
Принципът на работа на сканиращия сондов микроскоп се основава на различни физични свойства в микроскопски или мезоскопски диапазон и взаимодействието между тях се открива чрез сканиране на ултра фината сонда с атомна линейност над повърхността на изследваното вещество, така че да се получи повърхност характеристики на изследваното вещество. Основната разлика между различните видове SPM се крие в техните характеристики на върха на иглата и съответните режими на взаимодействие на пробите от върха на иглата.
Принципът на работа идва от принципа на тунелиране в квантовата механика. Неговата сърцевина е връх на иглата, който може да сканира по повърхността на пробата, има определено преднапрежение към пробата и диаметърът й е атомен мащаб. Тъй като вероятността за електронно тунелиране има отрицателна експоненциална връзка с ширината на бариерата V(r), когато разстоянието между върха на иглата и пробата е много близко, бариерата между тях става много тънка и електронните облаци се припокриват друго. Когато се приложи напрежение между върха на иглата и пробата, електроните могат да бъдат прехвърлени от върха на иглата към пробата или от пробата към върха на иглата чрез тунелния ефект, образувайки тунелен ток. Чрез записване на промяната на тунелния ток между върха на иглата и пробата може да се получи информация за морфологията на повърхността на пробата.
В сравнение с други технологии 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, така че да може да се различи един атом.
(2) Триизмерното изображение на повърхността в реално пространство може да се получи в реално време, което може да се използва за изследване на структурата на повърхността с или без периодичност и тази наблюдаемост може да се използва за изследване на динамичните процеси като повърхностна дифузия .
(3) Локалната повърхностна структура на единичен атомен слой може да се наблюдава вместо средните свойства на отделно изображение или цялата повърхност, така че повърхностни дефекти, повърхностна реконструкция, формата и позицията на повърхностните адсорбенти и повърхностна реконструкция, причинена от адсорбенти може да се наблюдава директно.
(4) Може да работи в различни среди като вакуум, атмосфера, нормална температура и т.н. и дори пробата може да бъде потопена във вода и други разтвори, без специална технология за подготовка на пробата и процесът на откриване няма увреждане на пробата . Тези характеристики са особено подходящи за изследване на биологични проби и оценка на повърхността на пробите при различни експериментални условия, като хетерогенен каталитичен механизъм, свръхпроводящ механизъм, наблюдение на промените на повърхността на електрода по време на електрохимична реакция и т.н.
(5) Със сканираща тунелна спектроскопия (STS) може да се получи информация за повърхностната електронна структура, като например плътността на състоянията на различни нива на повърхността, повърхностното улавяне на електрони, промяната на повърхностната бариера и структурата на енергийната празнина .
