Характеристики сканирующей зондовой микроскопии
Когда история дошла до 1980-х годов, родился новый тип прибора для анализа поверхности — сканирующая зондовая микроскопия (СТМ), основанный на физике и объединяющий различные современные технологии. СТМ не только обладает высоким пространственным разрешением (до 0,1 нм по горизонтали и лучше, чем до 0,01 нм по вертикали), он может напрямую наблюдать атомную структуру поверхностей материалов, но также манипулировать атомами и молекулами, тем самым навязывая природе субъективную волю человека. Можно сказать, что сканирующая зондовая микроскопия — это продолжение человеческих глаз и рук и кристаллизация человеческой мудрости.
Принцип работы сканирующей зондовой микроскопии основан на различных физических свойствах в микроскопическом или мезоскопическом диапазоне. Взаимодействие между ними обнаруживается путем сканирования атомного линейного чрезвычайно тонкого зонда над поверхностью исследуемого материала для получения характеристик поверхности исследуемого материала. Основное различие между разными типами СЗМ заключается в характеристиках их наконечников и соответствующем механизме действия образцов зондов.
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. Поскольку вероятность туннелирования электронов имеет отрицательную экспоненциальную зависимость от ширины барьера V(r), то при очень близком расстоянии между иглой и образцом барьер между ними становится очень тонким, и Электронное облако перекрывается с каждым другой. 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 структуру поверхности одного атомного слоя, а не средние свойства отдельного изображения или всей поверхности, поэтому поверхностные дефекты, реконструкция поверхности, форма и положение поверхностных адсорбентов и поверхность реконструкцию, вызванную адсорбентами, можно наблюдать непосредственно.
(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 применимы для изучения биологических образцов и оценки поверхностей образцов в различных экспериментальных условиях, таких как мониторинг механизма гетерогенного катализа, механизма сверхпроводимости и изменений поверхности электрода во время электрохимической реакции.
(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.
