När historien utvecklades till 1980-talet föddes ett nytt ytanalysinstrument baserat på fysik och som integrerar en mängd moderna teknologier - scanning probe microscope (STM). STM har inte bara en mycket hög rumslig upplösning (upp till 0.1nm i lateral riktning och bättre än 0.01nm i längdriktningen), den kan direkt observera materialytans atomära struktur, och den kan också manipulera atomer och molekyler, och på så sätt omvandla människans subjektiva vilja påtvingas naturen. Man kan säga att scanning-sondmikroskopet är en förlängning av mänskliga ögon och händer och kristalliseringen av mänsklig visdom.
Funktionsprincipen för scanningsprobmikroskopet är baserad på olika fysikaliska egenskaper i det mikroskopiska eller mesoskopiska området. Interaktionen mellan de två detekteras genom att skanna en ultrafin sond av atomlinjer ovanför ytan av ämnet som studeras, för att erhålla resultaten av interaktionen mellan de två. För att studera materias ytegenskaper är den huvudsakliga skillnaden mellan olika typer av SPM deras spetsegenskaper och deras motsvarande sätt att interagera spets-prov.
Arbetsprincipen kommer från tunnelpenetrationsprincipen inom kvantmekaniken. Dess kärna är en spets som kan skanna på provets yta och har en viss förspänning mellan sig och provet. Dess diameter är på atomär skala. Eftersom sannolikheten för elektrontunnling har ett negativt exponentiellt samband med bredden på potentialbarriären V(r), när avståndet mellan spetsen och provet är mycket nära, blir potentialbarriären mycket tunn och elektronmolnen överlappar varandra. När en spänning appliceras kan elektroner överföras från spetsen till provet eller från provet till spetsen genom tunneleffekten, vilket bildar en tunnelström. Genom att registrera förändringarna i tunnelströmmen mellan spetsen och provet kan information om provets ytmorfologi erhållas.
Jämfört med andra ytanalystekniker har SPM unika fördelar:
(1) Med hög upplösning på atomnivå. Upplösningen för STM i riktningarna parallella med och vinkelräta mot provytan kan nå 0.1nm respektive 0.01nm, och enstaka atomer kan lösas upp.
(2) Den tredimensionella bilden av ytan i det verkliga rummet kan erhållas i realtid, vilket kan användas för att studera ytstrukturer med eller utan periodicitet. Denna observerbara prestanda kan användas för att studera dynamiska processer som ytdiffusion.
(3) Den lokala ytstrukturen för ett enda atomlager kan observeras, snarare än den individuella bilden eller de genomsnittliga egenskaperna för hela ytan. Därför kan ytdefekter, ytrekonstruktion, formen och positionen av ytadsorberade kroppar och effekterna orsakade av adsorberade kroppar observeras direkt. Ytrekonstruktion m.m.
(4) Det kan fungera i olika miljöer som vakuum, atmosfär och normal temperatur, och kan till och med sänka ner prover i vatten och andra lösningar. Ingen speciell provberedningsteknik krävs, och detektionsprocessen kommer inte att skada proverna. Dessa funktioner är särskilt lämpliga för att studera biologiska prover och utvärdera provytor under olika experimentella förhållanden, såsom övervakning av heterogena katalytiska mekanismer, supraledande mekanismer och elektrodytförändringar under elektrokemiska reaktioner.
(5) I samband med Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) kan information om den elektroniska ytstrukturen erhållas, såsom tätheten av tillstånd på olika nivåer på ytan, ytelektronfällor, förändringar i ytpotentialbarriärer och energigapstrukturer .
