Charakteristika mikroskopie so skenovacou sondou
Keď sa história rozvinula do 80. rokov 20. storočia, zrodil sa nový typ prístroja na analýzu povrchu, skenovacia sondová mikroskopia (STM), založená na fyzike a integrujúca rôzne moderné technológie. STM má nielen vysoké priestorové rozlíšenie (až 0,1nm horizontálne a lepšie ako 0,01nm vertikálne), dokáže priamo pozorovať atómovú štruktúru povrchov materiálov, ale aj manipulovať s atómami a molekulami, čím vnucuje prírode ľudskú subjektívnu vôľu. Dá sa povedať, že mikroskopia so skenovacou sondou je predĺžením ľudských očí a rúk a kryštalizáciou ľudskej múdrosti.
Pracovný princíp mikroskopie so skenovacou sondou je založený na rôznych fyzikálnych vlastnostiach v mikroskopickom alebo mezoskopickom rozsahu. Interakcia medzi týmito dvoma sa deteguje skenovaním atómovej lineárnej extrémne jemnej sondy nad povrchom študovaného materiálu, aby sa získali povrchové charakteristiky študovaného materiálu. Hlavným rozdielom medzi rôznymi typmi SPM je ich charakteristika hrotu a zodpovedajúci spôsob pôsobenia vzoriek hrotu.
Princíp fungovania pochádza z princípu tunelovania v kvantovej mechanike. Jeho jadrom je hrot ihly, ktorý dokáže skenovať na povrchu vzorky a má medzi ním a vzorkou určité predpätie s priemerom atómovej stupnice. Pretože pravdepodobnosť tunelovania elektrónov má negatívny exponenciálny vzťah so šírkou bariéry V (r), keď je vzdialenosť medzi špičkou a vzorkou veľmi blízka, bariéra medzi nimi sa veľmi tenká a elektrónový oblak sa prekrýva s každým iné. Aplikovaním napätia medzi hrotom a vzorkou sa môžu elektróny prenášať z hrotu na vzorku alebo zo vzorky na hrot prostredníctvom tunelovacieho efektu, čím sa vytvorí tunelový prúd. Zaznamenaním zmien tunelového prúdu medzi špičkou ihly a vzorkou možno získať informácie o povrchovej morfológii vzorky.
V porovnaní s inými technikami povrchovej analýzy má SPM jedinečné výhody:
(1) Má vysoké rozlíšenie na atómovej úrovni. Rozlíšenie STM v smere rovnobežnom a kolmom na povrch vzorky môže dosiahnuť 0,1nm, respektíve 0,01nm, čo umožňuje rozlíšiť jednotlivé atómy.
(2) V reálnom čase možno získať 3D obrazy povrchov v reálnom priestore, ktoré možno použiť na štúdium povrchových štruktúr s periodicitou alebo bez nej. Tento pozorovateľný výkon možno použiť na štúdium dynamických procesov, ako je povrchová difúzia.
(3) Je možné pozorovať lokálnu povrchovú štruktúru jedinej atómovej vrstvy, a nie priemerné vlastnosti jednotlivého obrazu alebo celého povrchu, takže povrchové defekty, povrchová rekonštrukcia, tvar a poloha povrchových adsorbentov a povrch rekonštrukciu spôsobenú adsorbentmi možno priamo pozorovať.
(4) Môže pracovať v rôznych prostrediach, ako je vákuum, atmosféra a izbová teplota, a dokonca ponoriť vzorku do vody a iných roztokov bez potreby špeciálnych techník prípravy vzorky a detekčný proces nepoškodí vzorku. Tieto charakteristiky sú použiteľné najmä na štúdium biologických vzoriek a hodnotenie povrchov vzoriek v rôznych experimentálnych podmienkach, ako je monitorovanie mechanizmu heterogénnej katalýzy, supravodivého mechanizmu a zmien povrchu elektród počas elektrochemickej reakcie.
(5) Spoluprácou so Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) možno získať informácie o povrchových elektronických štruktúrach, ako je hustota stavov na rôznych úrovniach povrchu, povrchové elektrónové jamky, zmeny povrchových potenciálových bariér a štruktúry energetických medzier.
