Уникални предимства на сканиращата сондова микроскопия
Предговор:
Когато историята се разви през 80-те години на миналия век, се роди нов тип инструмент за повърхностен анализ, базиран на физиката и интегриращ различни съвременни технологии, сканиращият сондов микроскоп (STM). STM не само има висока пространствена разделителна способност (до O.1 nm в напречна посока и по-добра от 0,01 nm в надлъжна посока), което е в състояние директно да наблюдава. Той не само има висока пространствена разделителна способност (0,1 nm в хоризонтална и 0,01 nm във вертикална), може директно да наблюдава атомната структура на повърхността на материята, но също така може да манипулира атоми и молекули, като по този начин упражнява субективната воля на хората върху природата. Може да се каже, че сканиращият сондов микроскоп е продължението на човешките очи и ръце и е кристализацията на човешката мъдрост.
Принципът на работа на сканиращата сондова микроскопия се основава на различни физични свойства в микроскопския или мезоскопския диапазон и взаимодействието между тях се открива с помощта на много фина сонда за атомна линейност, сканираща над повърхността на изследваното вещество, за да се за да се получат повърхностните свойства на изследваното вещество, основната разлика между различните видове SPM се крие в разликите в характеристиките на техните игли и съответните им начини на взаимодействие с пробите от иглите.
Принципът на действие произлиза от принципа на тунелиране в квантовата механика. В основата му е накрайник, който може да сканира повърхността на пробата с определено напрежение на отклонение между нея и пробата и чийто диаметър е в атомната скала. Тъй като шансът за тунелиране на електрони показва отрицателна експоненциална връзка с ширината на потенциалната бариера V(r), когато разстоянието между върха на иглата и пробата е много близко, потенциалната бариера между тях става много тънка и електронните облаци се припокриват един с друг и чрез прилагане на напрежение между върха на иглата и пробата, електроните могат да бъдат прехвърлени от върха към пробата или от пробата към върха на иглата чрез тунелния ефект, за да образуват тунел текущ. Чрез записване на промените в тунелния ток между върха и пробата може да се получи информация за повърхностната морфология на пробата.
SPM има уникални предимства пред други техники за повърхностен анализ:
(1) Висока разделителна способност на атомно ниво, с разделителна способност от 0.1 nm в паралела и 0.01 nm в перпендикулярна посока към повърхността на пробата, където отделните атоми могат да бъдат разделени.
(2) Триизмерно изображение на повърхността в реално пространство може да бъде получено в реално време, което може да се използва за изследване на периодични или непериодични повърхностни структури, а това наблюдаемо представяне може да се използва за изследване на динамични процеси като повърхностна дифузия.
(3) Възможно е да се наблюдава локалната повърхностна структура на единичен атомен слой, а не индивидуалното изображение или средната природа на цялата повърхност и по този начин е възможно директно да се наблюдават повърхностни дефекти, повърхностна реконструкция, морфология и местоположение на повърхностни адсорбати и повърхностна реконструкция, причинена от адсорбати.
(4) Може да работи в различни среди, като вакуум, атмосфера, стайна температура и т.н., и дори може да потопи пробата във вода и други разтвори, което не изисква специални техники за вземане на проби и не уврежда пробата по време на откриването процес. Тези характеристики са особено подходящи за изследване на биологични проби и оценка на повърхността на пробата при различни експериментални условия, като например за многофазен каталитичен механизъм, механизъм на свръхпроводимост и наблюдение на промените на повърхността на електрода по време на електрохимични реакции.
(5) В комбинация със сканираща тунелна спектроскопия (STS) може да се получи информация за електронната структура на повърхността, като например плътността на състоянията на различни нива на повърхността, повърхностните електронни капани, изменението на повърхностните потенциални бариери и структурата на енергийната празнина.
