Karakteristike mikroskopije skenirajuće sonde
Kada se istorija razvila do 1980-ih, rođen je novi tip instrumenta za površinsku analizu, skenirajuća sonda mikroskopija (STM), zasnovan na fizici i integraciji različitih modernih tehnologija. STM ne samo da ima visoku prostornu rezoluciju (do 0.1nm horizontalno i bolju od 0.01nm vertikalno), može direktno posmatrati atomsku strukturu materijalnih površina, već i manipulisati atomima i molekulima, namećući na taj način ljudsku subjektivnu volju prirodi. Može se reći da je mikroskopija skenirajuće sonde produžetak ljudskih očiju i ruku, te kristalizacija ljudske mudrosti.
Princip rada mikroskopije skenirajuće sonde zasniva se na različitim fizičkim svojstvima u mikroskopskom ili mezoskopskom opsegu. Interakcija između njih se detektuje skeniranjem atomske linearne izuzetno fine sonde iznad površine proučavanog materijala kako bi se dobile površinske karakteristike proučavanog materijala. Glavna razlika između različitih tipova SPM-a je njihova karakteristika vrha i odgovarajući način djelovanja uzoraka vrhova.
Princip rada potiče od principa tuneliranja u kvantnoj mehanici. Njegovo jezgro je vrh igle koji može skenirati po površini uzorka i ima određeni napon između sebe i uzorka, s promjerom atomske skale. Budući da vjerovatnoća tuneliranja elektrona ima negativan eksponencijalni odnos sa širinom barijere V (r), kada je razmak između vrha i uzorka vrlo blizak, barijera između njih postaje vrlo tanka, a elektronski oblak se preklapa sa svakim ostalo. Primjenom napona između vrha i uzorka, elektroni se mogu prenijeti od vrha do uzorka ili od uzorka do vrha kroz efekat tuneliranja, formirajući tunelsku struju. Snimanjem promjena tunelske struje između vrha igle i uzorka mogu se dobiti informacije o morfologiji površine uzorka.
U poređenju sa drugim tehnikama površinske analize, SPM ima jedinstvene prednosti:
(1) Ima atomski nivo visoke rezolucije. Rezolucija STM-a u smjeru paralelnom i okomitom na površinu uzorka može doseći 0.1nm i 0.01nm, respektivno, što može razlikovati pojedinačne atome.
(2) Mogu se dobiti 3D slike površina u realnom prostoru u realnom vremenu koje se mogu koristiti za proučavanje površinskih struktura sa ili bez periodičnosti. Ova vidljiva izvedba može se koristiti za proučavanje dinamičkih procesa kao što je površinska difuzija.
(3) Može se uočiti lokalna površinska struktura jednog atomskog sloja, a ne prosječna svojstva pojedinačne slike ili cijele površine, tako da površinski defekti, rekonstrukcija površine, oblik i položaj površinskih adsorbenata i površina rekonstrukcija uzrokovana adsorbentima može se direktno promatrati.
(4) Može raditi u različitim okruženjima kao što su vakuum, atmosfera i sobna temperatura, pa čak i uroniti uzorak u vodu i druge otopine bez potrebe za posebnim tehnikama pripreme uzorka, a proces detekcije ne oštećuje uzorak. Ove karakteristike su posebno primjenjive na proučavanje bioloških uzoraka i evaluaciju površina uzoraka u različitim eksperimentalnim uvjetima, kao što je praćenje mehanizma heterogene katalize, supravodljivog mehanizma i promjena površine elektroda tokom elektrohemijske reakcije.
(5) Saradnjom sa skenirajućom tunelskom spektroskopijom (STS) mogu se dobiti informacije o površinskim elektronskim strukturama, kao što su gustina stanja na različitim nivoima površine, površinski elektronski bunari, promjene površinskih potencijalnih barijera i strukture energetskog jaza.
