Skaneeriva sondi mikroskoopia omadused
Kui ajalugu arenes 1980. aastateni, sündis uut tüüpi pinnaanalüüsi instrument STM (Scanning Probe microscopy), mis põhineb füüsikal ja integreerib erinevaid kaasaegseid tehnoloogiaid. STM-il pole mitte ainult kõrge ruumiline eraldusvõime (horisontaalselt kuni 0,1 nm ja vertikaalselt parem kui 0,01 nm), vaid see võib otseselt jälgida materjali pindade aatomistruktuuri, vaid ka manipuleerida aatomite ja molekulidega, surudes seeläbi peale inimese subjektiivset tahet loodusele. Võib öelda, et skaneeriva sondi mikroskoopia on inimese silmade ja käte pikendamine ning inimliku tarkuse kristalliseerimine.
Skaneeriva sondi mikroskoopia tööpõhimõte põhineb erinevatel füüsikalistel omadustel mikroskoopilises või mesoskoopilises vahemikus. Nende kahe vaheline interaktsioon tuvastatakse aatomilise lineaarse ülipeen sondi skaneerimisega uuritava materjali pinna kohal, et saada uuritava materjali pinnaomadused. Peamine erinevus erinevat tüüpi SPM-ide vahel on nende otsiku omadused ja nende näidiste vastav toimeviis.
Tööpõhimõte tuleneb kvantmehaanika tunneldamise põhimõttest. Selle südamik on nõela ots, mis suudab skaneerida proovi pinda ja millel on selle ja proovi vahel teatud nihkepinge, mille läbimõõt on aatomskaala. Kuna elektronide tunneldamise tõenäosusel on negatiivne eksponentsiaalne seos barjääri laiusega V (r), siis kui tipu ja proovi vaheline kaugus on väga väike, muutub barjäär nende vahel väga õhukeseks ja elektronipilv kattub kõigiga. muud. Rakendades pinge otsa ja proovi vahel, saab elektrone üle kanda tipust proovi või proovist tipusse tunneliefekti kaudu, moodustades tunnelivoolu. Registreerides tunneli voolu muutusi nõela otsa ja proovi vahel, saab teavet proovi pinnamorfoloogia kohta.
Võrreldes teiste pinnaanalüüsi tehnikatega on SPM-il ainulaadsed eelised:
(1) Sellel on kõrge eraldusvõime aatomitasemel. STM-i eraldusvõime proovipinnaga paralleelses ja risti olevas suunas võib ulatuda vastavalt 0,1 nm ja 0,01 nm, mis võimaldab eristada üksikuid aatomeid.
(2) Reaalruumis asuvatest pindadest saab saada reaalajas 3D kujutisi, mida saab kasutada pinnastruktuuride uurimiseks perioodilisusega või ilma. Seda jälgitavat jõudlust saab kasutada dünaamiliste protsesside, näiteks pinna difusiooni uurimiseks.
(3) Vaadelda saab üksiku aatomikihi lokaalset pinnastruktuuri, mitte üksiku kujutise või kogu pinna keskmisi omadusi, seega pinnadefekte, pinna rekonstrueerimist, pinna adsorbentide kuju ja asendit ning pinda. adsorbentide poolt põhjustatud rekonstrueerimist saab vahetult jälgida.
(4) See võib töötada erinevates keskkondades, nagu vaakum, atmosfäär ja toatemperatuur, ning isegi sukeldada proovi vette ja muudesse lahustesse, ilma et oleks vaja spetsiaalseid proovi ettevalmistamise tehnikaid ning tuvastamisprotsess ei kahjusta proovi. Need omadused on eriti kasutatavad bioloogiliste proovide uurimisel ja proovipindade hindamisel erinevates katsetingimustes, näiteks heterogeense katalüüsi mehhanismi, ülijuhtivusmehhanismi ja elektroodide pinna muutuste jälgimisel elektrokeemilise reaktsiooni käigus.
(5) Tehes koostööd skaneeriva tunneldusspektroskoopiaga (STS), on võimalik saada teavet pinna elektrooniliste struktuuride kohta, näiteks pinna erinevatel tasanditel olevate olekute tiheduse, pinna elektronsüvendite, pinnapotentsiaalibarjääride muutuste ja energiavahe struktuuride kohta.
