De unika fördelarna med scanning probe mikroskopi
Arbetsprincipen för ett scanning-sondmikroskop är baserad på olika fysikaliska egenskaper inom det mikro- eller mesoskopiska området. Interaktionen mellan de två detekteras genom att skanna ytan av det studerade ämnet med en extremt fin atomär sond, för att erhålla ytegenskaperna hos det studerade ämnet. Den största skillnaden mellan olika typer av SPM är deras nålspetsegenskaper och motsvarande metoder för interaktion med nålspetsprov.
Arbetsprincipen kommer från tunnlingsprincipen inom kvantmekaniken. Dess kärna är en nålspets som kan skanna på provets yta och har en viss förspänning mellan den och provet, med en diameter på atomär skala. På grund av det negativa exponentiella sambandet mellan sannolikheten för elektrontunnling och bredden på potentialbarriären V(r), när avståndet mellan spetsen och provet är mycket nära, blir potentialbarriären mycket tunn, och elektronmolnen överlappar med varandra. Genom att applicera en spänning mellan spetsen och provet kan elektroner överföras från spetsen till provet eller från provet till spetsen genom tunnlingseffekten, vilket bildar en tunnelström. Genom att registrera förändringarna i tunnelström mellan nålspetsen och provet kan information om provets ytmorfologi erhållas.
Jämfört med andra ytanalystekniker har SPM unika fördelar:
(1) Den har hög upplösning på atomnivå. Upplösningen av STM i riktningen parallell och vinkelrät mot provytan kan nå 0.1nm respektive 0.01nm, vilket kan särskilja enskilda atomer.
(2) 3D-bilder i realtid av ytor i verkliga rymden kan erhållas, vilka 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 de genomsnittliga egenskaperna för den individuella bilden eller hela ytan. Därför kan ytdefekter, ytrekonstruktion, morfologin och positionen för ytadsorbenter och ytrekonstruktion orsakad av adsorbenter direkt observeras.
(4) Det kan arbeta i olika miljöer såsom vakuum, atmosfär och rumstemperatur, och till och med sänka ner provet i vatten och andra lösningar utan behov av speciella provberedningstekniker, och detektionsprocessen skadar inte provet. Dessa egenskaper är särskilt lämpliga för att studera biologiska prover och utvärdera ytan av prover under olika experimentella förhållanden, såsom övervakning av den flerfasiga katalytiska mekanismen, supraledande mekanism och elektrodytförändringar under elektrokemiska reaktioner.
(5) Genom att samarbeta med Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) kan information om ytelektroniska strukturer erhållas, såsom tätheten av tillstånd på olika nivåer av ytan, ytelektronbrunnar, förändringar i ytpotentialbarriärer och energigapstrukturer.
