Característiques de la microscòpia amb sonda d'escaneig
Quan la història es va desenvolupar fins a la dècada de 1980, va néixer un nou tipus d'instrument d'anàlisi de superfícies, la microscòpia de sonda d'escaneig (STM), basat en la física i que integrava diverses tecnologies modernes. STM no només té una alta resolució espacial (fins a O.1nm horitzontalment i millor que O.01nm verticalment), pot observar directament l'estructura atòmica de les superfícies materials, sinó que també manipula àtoms i molècules, imposant així una voluntat subjectiva humana a la natura. Es pot dir que la microscòpia de sonda d'escaneig és l'extensió dels ulls i les mans humans i la cristal·lització de la saviesa humana.
El principi de funcionament de la microscòpia de sonda d'escaneig es basa en diverses propietats físiques en el rang microscòpic o mesoscòpic. La interacció entre ambdós es detecta escanejant la sonda lineal atòmica extremadament fina per sobre de la superfície del material estudiat per obtenir les característiques superficials del material estudiat. La principal diferència entre els diferents tipus de SPM són les seves característiques de punta i el mode d'acció corresponent de les mostres de punta.
El principi de funcionament prové del principi de túnel de la mecànica quàntica. El seu nucli és una punta d'agulla que pot escanejar la superfície de la mostra i té una certa tensió de polarització entre aquesta i la mostra, amb un diàmetre d'escala atòmica. Com que la probabilitat de túnel d'electrons té una relació exponencial negativa amb l'amplada de la barrera V (r), quan la distància entre la punta i la mostra és molt propera, la barrera entre elles es torna molt fina i el núvol d'electrons se solapa amb cadascun d'ells. altres. Aplicant una tensió entre la punta i la mostra, els electrons es poden transferir de la punta a la mostra o de la mostra a la punta mitjançant l'efecte de túnel, formant un corrent de túnel. Enregistrant els canvis en el corrent del túnel entre la punta de l'agulla i la mostra, es pot obtenir informació sobre la morfologia superficial de la mostra.
En comparació amb altres tècniques d'anàlisi de superfícies, SPM té avantatges únics:
(1) Té una alta resolució a nivell atòmic. La resolució de STM en la direcció paral·lela i perpendicular a la superfície de la mostra pot arribar a 0.1nm i 0.01nm, respectivament, que poden distingir àtoms individuals.
(2) Es poden obtenir imatges 3D en temps real de superfícies a l'espai real, que es poden utilitzar per estudiar estructures superficials amb o sense periodicitat. Aquest rendiment observable es pot utilitzar per estudiar processos dinàmics com la difusió superficial.
(3) Es pot observar l'estructura de la superfície local d'una sola capa atòmica, en lloc de les propietats mitjanes de la imatge individual o de tota la superfície, de manera que els defectes superficials, la reconstrucció de la superfície, la forma i la posició dels adsorbents de la superfície i la superfície. Es pot observar directament la reconstrucció causada pels adsorbents.
(4) Pot funcionar en diferents entorns, com ara el buit, l'atmosfera i la temperatura ambient, i fins i tot submergir la mostra en aigua i altres solucions sense necessitat de tècniques especials de preparació de mostres, i el procés de detecció no danya la mostra. Aquestes característiques són especialment aplicables a l'estudi de mostres biològiques i a l'avaluació de superfícies de mostres en diferents condicions experimentals, com ara el seguiment del mecanisme de catàlisi heterogènia, el mecanisme superconductor i els canvis de superfície dels elèctrodes durant la reacció electroquímica.
(5) En cooperar amb l'espectroscòpia de túnels d'escaneig (STS), es pot obtenir informació sobre estructures electròniques superficials, com ara la densitat d'estats a diferents nivells de la superfície, pous d'electrons superficials, canvis en les barreres de potencial superficial i estructures de buit d'energia.
