Quan la història es va desenvolupar als anys 1980, va néixer un nou instrument d'anàlisi de superfícies basat en la física i que integrava una varietat de tecnologies modernes: el microscopi de sonda d'escaneig (STM). STM no només té una resolució espacial molt alta (fins a 0.1nm en la direcció lateral i millor que 0.01nm en la direcció longitudinal), pot observar directament l'estructura atòmica de la superfície del material, i també pot manipular àtoms i molècules, transformant així l'ésser humà La voluntat subjectiva s'imposa a la natura. Es pot dir que el microscopi de sonda d'escaneig és una extensió dels ulls i les mans humans i la cristal·lització de la saviesa humana.
El principi de funcionament del microscopi de sonda d'escaneig es basa en diverses propietats físiques en el rang microscòpic o mesoscòpic. La interacció entre ambdós es detecta escanejant una sonda ultrafina de línies atòmiques per sobre de la superfície de la substància que s'està estudiant, per tal d'obtenir els resultats de la interacció entre ambdues. Per estudiar les propietats superficials de la matèria, la principal diferència entre els diferents tipus de SPM són les seves propietats de punta i la seva corresponent forma d'interacció punta-mostra.
El principi de funcionament prové del principi de penetració del túnel en mecànica quàntica. El seu nucli és una punta que pot escanejar la superfície de la mostra i té una certa tensió de polarització entre aquesta i la mostra. El seu diàmetre és a escala atòmica. Atès que la probabilitat d'un túnel d'electrons té una relació exponencial negativa amb l'amplada de la barrera de potencial V(r), quan la distància entre la punta i la mostra és molt propera, la barrera de potencial es torna molt prima i els núvols d'electrons se superposen. Quan s'aplica una tensió, els electrons es poden transferir de la punta a la mostra o de la mostra a la punta a través de l'efecte túnel, formant un corrent de túnel. Enregistrant els canvis en el corrent de túnel entre la punta i la mostra, es pot obtenir informació sobre la morfologia superficial de la mostra.
En comparació amb altres tecnologies d'anàlisi de superfícies, SPM té avantatges únics:
(1) Amb alta resolució a nivell atòmic. La resolució de STM en les direccions paral·leles i perpendiculars a la superfície de la mostra pot arribar a 0.1nm i 0.01nm respectivament, i es poden resoldre àtoms únics.
(2) La imatge tridimensional de la superfície a l'espai real es pot obtenir en temps real, que es pot 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 la imatge individual o les propietats mitjanes de tota la superfície. Per tant, es poden observar directament els defectes superficials, la reconstrucció de la superfície, la forma i la posició dels cossos adsorbits a la superfície i els efectes causats pels cossos adsorbits. Reconstrucció de superfícies, etc.
(4) Pot funcionar en diferents entorns, com ara el buit, l'atmosfera i la temperatura normal, i fins i tot pot submergir mostres en aigua i altres solucions. No es requereix cap tecnologia especial de preparació de mostres i el procés de detecció no danyarà les mostres. Aquestes característiques són especialment adequades per estudiar mostres biològiques i avaluar superfícies de mostres en diferents condicions experimentals, com ara el seguiment de mecanismes catalítics heterogenis, mecanismes superconductors i canvis de superfície dels elèctrodes durant les reaccions electroquímiques.
(5) En conjunció amb l'espectroscòpia de túnels d'escaneig (STS), es pot obtenir informació sobre l'estructura electrònica de la superfície, com ara la densitat d'estats a diferents nivells de la superfície, trampes d'electrons superficials, canvis en les barreres de potencial superficial i estructures de buit d'energia. .
