Pyyhkäisevän anturimikroskopian ominaisuudet
Kun historia kehittyi 1980-luvulle, syntyi uudenlainen pinta-analyysilaite, fysiikkaan perustuva ja erilaisia moderneja teknologioita yhdistävä STM (Scanning Probe Microscopy). STM:llä ei ole vain korkea spatiaalinen resoluutio (jopa 0,1 nm vaakasuunnassa ja parempi kuin 0,01 nm pystysuunnassa), se pystyy tarkkailemaan suoraan materiaalien pintojen atomirakennetta, mutta myös manipuloimaan atomeja ja molekyylejä, mikä pakottaa ihmisen subjektiivisen tahdon luontoon. Voidaan sanoa, että pyyhkäisyanturimikroskopia on ihmisen silmien ja käsien jatke ja ihmisen viisauden kiteytys.
Pyyhkäisyanturimikroskopian toimintaperiaate perustuu erilaisiin fysikaalisiin ominaisuuksiin mikroskooppisella tai mesoskooppisella alueella. Näiden kahden välinen vuorovaikutus havaitaan skannaamalla atomilineaarinen erittäin hieno koetin tutkitun materiaalin pinnan yläpuolella tutkittavan materiaalin pintaominaisuuksien saamiseksi. Suurin ero erityyppisten SPM:ien välillä on niiden kärjen ominaisuudet ja vastaava kärkinäytteiden toimintatapa.
Toimintaperiaate tulee kvanttimekaniikan tunnelointiperiaatteesta. Sen ydin on neulan kärki, joka pystyy skannaamaan näytteen pintaa ja jolla on tietty bias-jännite sen ja näytteen välillä, jonka halkaisija on atomimittakaava. Koska elektronitunneloinnin todennäköisyydellä on negatiivinen eksponentiaalinen suhde esteen leveyteen V (r), kun kärjen ja näytteen välinen etäisyys on hyvin lähellä, niiden välinen este tulee hyvin ohueksi ja elektronipilvi limittyy jokaisen kanssa. muu. Kun kärjen ja näytteen väliin kytketään jännite, elektroneja voidaan siirtää kärjestä näytteeseen tai näytteestä kärkeen tunnelointivaikutuksen kautta muodostaen tunnelivirran. Tallentamalla tunnelivirran muutokset neulan kärjen ja näytteen välillä saadaan tietoa näytteen pinnan morfologiasta.
Muihin pinta-analyysitekniikoihin verrattuna SPM:llä on ainutlaatuisia etuja:
(1) Siinä on atomitason korkea resoluutio. STM:n resoluutio näytteen pinnan suuntaisesti ja kohtisuorassa suunnassa voi olla 0,1 nm ja 0,01 nm, vastaavasti, mikä voi erottaa yksittäiset atomit.
(2) Reaaliavaruudessa olevista pinnoista voidaan saada reaaliaikaisia 3D-kuvia, joita voidaan käyttää pintarakenteiden tutkimiseen jaksollisuudella tai ilman. Tätä havaittavaa suorituskykyä voidaan käyttää dynaamisten prosessien, kuten pinnan diffuusion, tutkimiseen.
(3) Yksittäisen atomikerroksen paikallinen pintarakenne voidaan havaita yksittäisen kuvan tai koko pinnan keskimääräisten ominaisuuksien sijaan, joten pintavirheitä, pinnan rekonstruktiota, pintaadsorbenttien muotoa ja sijaintia sekä pintaa. adsorbenttien aiheuttama rekonstruktio voidaan suoraan havaita.
(4) Se voi toimia erilaisissa ympäristöissä, kuten tyhjiössä, ilmakehässä ja huoneenlämpötilassa, ja jopa upottaa näytteen veteen ja muihin liuoksiin ilman erityisiä näytteenvalmistustekniikoita, ja havaitsemisprosessi ei vahingoita näytettä. Nämä ominaisuudet soveltuvat erityisesti biologisten näytteiden tutkimukseen ja näytepintojen arviointiin erilaisissa koeolosuhteissa, kuten heterogeenisen katalyysin mekanismin, suprajohtamismekanismin ja elektrodin pinnan muutosten seurantaan sähkökemiallisen reaktion aikana.
(5) Yhteistyöllä Scanning Tunneling Spectroscopyn (STS) kanssa voidaan saada tietoa pinnan elektronisista rakenteista, kuten pinnan eri tasojen tilojen tiheydestä, pinnan elektronikuvista, pinnan potentiaaliesteiden muutoksista ja energiarakorakenteista.
