Charakteristika mikroskopie s rastrovací sondou
Když se historie rozvinula do 80. let 20. století, zrodil se nový typ přístroje pro analýzu povrchu, skenovací sondová mikroskopie (STM), založený na fyzice a integrující různé moderní technologie. STM má nejen vysoké prostorové rozlišení (až 0,1nm horizontálně a lepší než 0,01nm vertikálně), dokáže přímo pozorovat atomovou strukturu povrchů materiálů, ale také manipulovat s atomy a molekulami, čímž vnucuje přírodě lidskou subjektivní vůli. Dá se říci, že mikroskopie s rastrovací sondou je prodloužením lidských očí a rukou a krystalizací lidské moudrosti.
Princip fungování mikroskopie s rastrovací sondou je založen na různých fyzikálních vlastnostech v mikroskopickém nebo mezoskopickém rozsahu. Interakce mezi těmito dvěma je detekována skenováním atomární lineární extrémně jemné sondy nad povrchem studovaného materiálu pro získání povrchových charakteristik studovaného materiálu. Hlavním rozdílem mezi různými typy SPM je jejich charakteristika hrotu a odpovídající Způsob působení vzorků hrotu.
Pracovní princip pochází z tunelového principu v kvantové mechanice. Jeho jádrem je hrot jehly, který dokáže skenovat povrch vzorku a má mezi ním a vzorkem určité předpětí s průměrem atomové stupnice. Protože pravděpodobnost elektronového tunelu má negativní exponenciální vztah k šířce bariéry V (r), když je vzdálenost mezi hrotem a vzorkem velmi blízko, bariéra mezi nimi se velmi ztenčí a elektronový mrak se překrývá s každým jiný. Přivedením napětí mezi hrot a vzorek mohou být elektrony přenášeny z hrotu na vzorek nebo ze vzorku na hrot prostřednictvím tunelového efektu, čímž se vytvoří tunelový proud. Zaznamenáním změn tunelového proudu mezi špičkou jehly a vzorkem lze získat informace o povrchové morfologii vzorku.
Ve srovnání s jinými technikami povrchové analýzy má SPM jedinečné výhody:
(1) Má vysoké rozlišení na atomové úrovni. Rozlišení STM ve směru rovnoběžném a kolmém na povrch vzorku může dosáhnout 0,1nm, respektive 0,01nm, což umožňuje rozlišit jednotlivé atomy.
(2) Lze získat 3D obrazy povrchů v reálném čase v reálném čase, které lze použít pro studium povrchových struktur s periodicitou nebo bez ní. Tento pozorovatelný výkon lze použít pro studium dynamických procesů, jako je povrchová difúze.
(3) Spíše než průměrné vlastnosti jednotlivého obrazu nebo celého povrchu lze pozorovat místní povrchovou strukturu jedné atomové vrstvy, takže povrchové defekty, rekonstrukce povrchu, tvar a poloha povrchových adsorbentů a povrch rekonstrukci způsobenou adsorbenty lze přímo pozorovat.
(4) Může pracovat v různých prostředích, jako je vakuum, atmosféra a pokojová teplota, a dokonce ponořit vzorek do vody a jiných roztoků bez potřeby speciálních technik přípravy vzorku a proces detekce vzorek nepoškodí. Tyto charakteristiky jsou zvláště použitelné pro studium biologických vzorků a hodnocení povrchů vzorků za různých experimentálních podmínek, jako je sledování mechanismu heterogenní katalýzy, supravodivého mechanismu a změn povrchu elektrod během elektrochemické reakce.
(5) Spoluprací se skenovací tunelovací spektroskopií (STS) lze získat informace o povrchových elektronických strukturách, jako je hustota stavů na různých úrovních povrchu, povrchové elektronové jamky, změny povrchových potenciálových bariér a struktury energetických mezer.
