Особые преимущества сканирующей зондовой микроскопии
Уникальные преимущества сканирующего зондового микроскопа. Предисловие:
Когда история дошла до 1980-х годов, родился новый тип приборов для анализа поверхности, основанный на физике и объединяющий множество современных технологий - сканирующий зондовый микроскоп (СТМ). СТМ не только имеет очень высокое пространственное разрешение (до 0,1 нм в горизонтальном направлении, лучше, чем 0,01 нм в вертикальном направлении), он может напрямую наблюдать атомную структуру поверхности материала, а также манипулировать атомами и молекулы, так что Субъективная воля человека навязана природе. Можно сказать, что сканирующий зондовый микроскоп — это продолжение человеческих глаз и рук и кристаллизация человеческой мудрости.
Принцип работы сканирующего зондового микроскопа основан на различных физических характеристиках в микроскопическом или мезоскопическом диапазоне и обнаруживает взаимодействие между ними при сканировании поверхности исследуемого вещества атомарно тонким зондом, чтобы получить При изучении поверхностных свойств вещества основное различие между различными типами СЗМ заключается в свойствах их наконечника и соответствующих способах взаимодействия зонда с образцом.
Принцип работы основан на принципе туннелирования в квантовой механике. Его ядро представляет собой кончик иглы, который может сканировать поверхность образца, имеет определенное напряжение смещения относительно образца и имеет диаметр в атомном масштабе. Поскольку вероятность туннелирования электронов имеет отрицательную экспоненциальную связь с шириной потенциального барьера V(r), то при очень близком расстоянии между иглой и образцом потенциальный барьер между ними становится очень тонким, и электронные облака перекрываются. друг друга. При приложении напряжения электроны могут переноситься от иглы к образцу или от образца к игле за счет туннельного эффекта, образуя туннельный ток. Регистрируя изменение туннельного тока между кончиком иглы и образцом, можно получить информацию о топографии 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, и могут быть разрешены отдельные атомы.
(2) Трехмерное изображение поверхности в реальном пространстве может быть получено в реальном времени, что может быть использовано для изучения периодической или непериодической структуры поверхности. Эти наблюдаемые характеристики можно использовать для изучения динамических процессов, таких как поверхностная диффузия.
(3) Можно наблюдать локальную структуру поверхности одного атомного слоя, а не отдельное изображение или усредненные свойства всей поверхности, так что поверхностные дефекты, реконструкция поверхности, морфология и положение поверхностных адсорбентов и Изменения, вызванные адсорбентами, можно наблюдать непосредственно. Реконструкция поверхности и т.д.
(4) Он может работать в различных средах, таких как вакуум, атмосфера и нормальная температура, и даже погружать образец в воду и другие растворы без специальной технологии подготовки образца, и процесс обнаружения не повредит образец. Эти функции особенно подходят для изучения биологических образцов и оценки поверхностей образцов в различных экспериментальных условиях, таких как мониторинг гетерогенных каталитических механизмов, сверхпроводящих механизмов и изменений поверхности электродов во время электрохимических реакций.
(5) Сотрудничая с STS (сканирующей туннельной спектроскопией), можно получить информацию о поверхностной электронной структуре, такую как плотность состояний на разных уровнях поверхности, поверхностные электронные ямы, изменения поверхностных потенциальных барьеров и структуры запрещенной энергии.
