Уникальные преимущества сканирующей зондовой микроскопии
Принцип работы сканирующего зондового микроскопа основан на различных физических свойствах в микро- или мезоскопическом диапазоне. Взаимодействие между ними обнаруживается путем сканирования поверхности изучаемого вещества чрезвычайно тонким атомным зондом с целью получения характеристик поверхности изучаемого вещества. Основное различие между различными типами СЗМ заключается в характеристиках кончика иглы и соответствующих методах взаимодействия с образцом кончика иглы.
Принцип работы основан на принципе туннелирования в квантовой механике. Его ядро представляет собой кончик иглы, который может сканировать поверхность образца и имеет определенное напряжение смещения между ним и образцом диаметром атомного масштаба. Из-за отрицательной экспоненциальной связи между вероятностью туннелирования электронов и шириной потенциального барьера V(r) при очень близком расстоянии между иглой и образцом потенциальный барьер становится очень тонким, и электронные облака перекрываются друг друга. При приложении напряжения между иглой и образцом электроны могут переноситься от иглы к образцу или от образца к игле за счет туннельного эффекта, образуя туннельный ток. Регистрируя изменения туннельного тока между кончиком иглы и образцом, можно получить информацию о морфологии поверхности образца.
По сравнению с другими методами анализа поверхности СЗМ имеет уникальные преимущества:
(1) Он имеет высокое разрешение на атомном уровне. Разрешение СТМ в направлении, параллельном и перпендикулярном поверхности образца, может достигать 0.1 нм и 0.01 нм соответственно, что позволяет различать отдельные атомы.
(2) Могут быть получены трехмерные изображения поверхностей в реальном времени в реальном времени, которые можно использовать для изучения поверхностных структур с периодичностью или без нее. Эти наблюдаемые характеристики можно использовать для изучения динамических процессов, таких как поверхностная диффузия.
(3) Можно наблюдать локальную поверхностную структуру одного атомного слоя, а не усредненные свойства отдельного изображения или всей поверхности. Таким образом, можно напрямую наблюдать поверхностные дефекты, реконструкцию поверхности, морфологию и положение поверхностных адсорбентов, а также реконструкцию поверхности, вызванную адсорбентами.
(4) Он может работать в различных средах, таких как вакуум, атмосфера и комнатная температура, и даже погружать образец в воду и другие растворы без необходимости использования специальных методов подготовки образца, а процесс обнаружения не повреждает образец. Эти характеристики особенно подходят для изучения биологических образцов и оценки поверхности образцов в различных экспериментальных условиях, таких как мониторинг многофазного каталитического механизма, сверхпроводящего механизма и изменений поверхности электродов во время электрохимических реакций.
(5) Сотрудничая со сканирующей туннельной спектроскопией (STS), можно получить информацию о поверхностных электронных структурах, таких как плотность состояний на разных уровнях поверхности, поверхностные электронные ямы, изменения в поверхностных потенциальных барьерах и структурах с энергетической щелью.
