Jedinečné výhody skenovací sondové mikroskopie
Princip činnosti rastrovacího sondového mikroskopu je založen na různých fyzikálních vlastnostech v mikro nebo mezoskopické oblasti. Interakce mezi těmito dvěma je detekována skenováním povrchu studované látky extrémně jemnou atomovou sondou, aby se získaly povrchové charakteristiky studované látky. Hlavním rozdílem mezi různými typy SPM je jejich charakteristika hrotu jehly a odpovídající metody interakce hrotu jehly.
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. V důsledku negativního exponenciálního vztahu mezi pravděpodobností elektronového tunelu a šířkou potenciálové bariéry V(r), když je vzdálenost mezi hrotem a vzorkem velmi blízko, potenciální bariéra se velmi ztenčí a elektronová mračna se překrývají navzájem. Přivedením napětí mezi hrot a vzorek mohou být elektrony přenášeny z hrotu na vzorek nebo ze vzorku na hrot prostřednictvím tunelovacího efektu, čímž se vytvoří tunelovací 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. Lze tedy přímo pozorovat povrchové defekty, rekonstrukci povrchu, morfologii a polohu povrchových adsorbentů a rekonstrukci povrchu způsobenou adsorbenty.
(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 vhodné pro studium biologických vzorků a hodnocení povrchu vzorků za různých experimentálních podmínek, jako je sledování vícefázového katalytického mechanismu, supravodivého mechanismu a změn povrchu elektrod během elektrochemických reakcí.
(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.
