Pyyhkäisyanturimikroskopian erityiset edut
Pyyhkäisykoetinmikroskoopin ainutlaatuiset edut Esipuhe:
Kun historia kehittyi 1980-luvulle, syntyi uudenlainen pinta-analyysilaite, joka perustuu fysiikkaan ja integroi useita moderneja teknologioita - skannaava koetinmikroskooppi (STM). STM:llä ei ole vain erittäin korkea avaruudellinen resoluutio (jopa 0,1 nm vaakasuunnassa, parempi kuin 0,01 nm pystysuunnassa), se voi tarkkailla suoraan materiaalin pinnan atomirakennetta ja se voi myös manipuloida atomeja ja molekyylejä, niin että ihmisen subjektiivinen tahto pakotetaan luontoon. Voidaan sanoa, että pyyhkäisyanturimikroskooppi on ihmisen silmien ja käsien jatke ja ihmisen viisauden kiteytys.
Pyyhkäisyanturimikroskoopin toimintaperiaate perustuu erilaisiin fysikaalisiin ominaisuuksiin mikroskooppisella tai mesoskooppisella alueella, ja se havaitsee näiden kahden välisen vuorovaikutuksen skannattaessa tutkittavan aineen pintaa atomisesti ohuella koettimella saadakseen tutkia aineen pintaominaisuuksia, suurin ero erityyppisten SPM:ien välillä on niiden kärjen ominaisuudet ja niitä vastaavat tavat, joilla kärki on vuorovaikutuksessa näytteen kanssa.
Toimintaperiaate tulee kvanttimekaniikan tunnelointiperiaatteesta. Sen ydin on neulan kärki, joka voi skannata näytteen pintaa, jolla on tietty esijännite näytteen kanssa ja jonka halkaisija on atomimittakaava. Koska elektronien tunneloitumisen todennäköisyydellä on negatiivinen eksponentiaalinen suhde potentiaaliesteen V(r) leveyteen, kun kärjen ja näytteen välinen etäisyys on hyvin lähellä, niiden välinen potentiaalieste tulee hyvin ohueksi ja elektronipilvet menevät päällekkäin. toisiaan. Kun jännite kytketään, elektroneja voidaan siirtää kärjestä näytteeseen tai näytteestä kärkeen tunneliefektin kautta muodostaen tunnelivirran. Tallentamalla tunnelivirran muutos neulan kärjen ja näytteen välillä saadaan tietoa näytteen pinnan topografiasta.
Muihin pinta-analyysitekniikoihin verrattuna SPM:llä on ainutlaatuisia etuja:
(1) Siinä on atomitason korkea resoluutio. STM:n resoluutio näytteen pinnan suuntaisessa ja kohtisuorassa suunnassa voi olla 0,1 nm ja 0,01 nm, vastaavasti, ja yksittäiset atomit voidaan erottaa.
(2) Pinnan kolmiulotteinen kuva reaaliavaruudessa voidaan saada reaaliajassa, jota voidaan käyttää jaksollisen tai ei-jaksollisen pinnan rakenteen tutkimukseen. Tätä havaittavaa suorituskykyä voidaan käyttää dynaamisten prosessien, kuten pinnan diffuusion, tutkimiseen.
(3) On mahdollista tarkkailla yksittäisen atomikerroksen paikallista pintarakennetta yksittäisen kuvan tai koko pinnan keskimääräisten ominaisuuksien sijaan siten, että pintavirheet, pinnan rekonstruktio, pintaadsorbenttien morfologia ja sijainti sekä adsorbenttien aiheuttamat muutokset voidaan havaita suoraan. Pintaremontti yms.
(4) Se voi toimia erilaisissa ympäristöissä, kuten tyhjiössä, ilmakehässä ja normaalissa lämpötilassa, ja jopa upottaa näytteen veteen ja muihin liuoksiin ilman erityistä näytteen valmistustekniikkaa, ja havaitsemisprosessi ei vahingoita näytettä. Nämä ominaisuudet soveltuvat erityisen hyvin biologisten näytteiden tutkimukseen ja näytepintojen arviointiin erilaisissa koeolosuhteissa, kuten heterogeenisten katalyyttisten mekanismien, suprajohtavien mekanismien ja elektrodin pinnan muutosten seurantaan sähkökemiallisten reaktioiden aikana.
(5) Yhteistyössä STS:n (Scanning Tunneling Spectroscopy) kanssa voidaan saada tietoa pinnan elektronirakenteesta, kuten pinnan eri tasojen tilojen tiheydestä, pinnan elektronikuvista, pinnan potentiaaliesteiden muutoksista ja energiarakorakenteista.
