Vantaggi particolari della microscopia con sonda a scansione
I vantaggi esclusivi del microscopio a scansione con sonda Prefazione:
Quando la storia si è sviluppata fino agli anni '80, è nato un nuovo tipo di strumento per l'analisi della superficie basato sulla fisica e che integra una varietà di tecnologie moderne: il microscopio a sonda a scansione (STM). STM non solo ha una risoluzione spaziale molto elevata (fino a 0,1 nm in direzione orizzontale, migliore di 0,01 nm in direzione verticale), può osservare direttamente la struttura atomica della superficie del materiale e può anche manipolare atomi e molecole, in modo che la volontà soggettiva umana sia imposta alla natura. Si può dire che il microscopio a scansione è l'estensione degli occhi e delle mani umane e la cristallizzazione della saggezza umana.
Il principio di funzionamento del microscopio a sonda a scansione si basa su diverse caratteristiche fisiche in ambito microscopico o mesoscopico, e rileva l'interazione tra i due durante la scansione della superficie della sostanza da studiare con una sonda atomicamente sottile, in modo da ottenere il To studiare le proprietà superficiali della materia, la differenza principale tra i diversi tipi di SPM sono le proprietà della punta e i modi corrispondenti in cui la punta interagisce con il campione.
Il principio di funzionamento deriva dal principio di tunneling della meccanica quantistica. Il suo nucleo è la punta di un ago che può scansionare la superficie del campione, ha una certa tensione di polarizzazione con il campione e ha un diametro di scala atomica. Poiché la probabilità di tunneling elettronico ha una relazione esponenziale negativa con la larghezza della barriera di potenziale V(r), quando la distanza tra la punta e il campione è molto ravvicinata, la barriera di potenziale tra di loro diventa molto sottile e le nuvole di elettroni si sovrappongono l'un l'altro. Quando viene applicata una tensione, gli elettroni possono essere trasferiti dalla punta al campione o dal campione alla punta attraverso l'effetto tunnel, formando una corrente tunnel. Registrando la variazione della corrente tunnel tra la punta dell'ago e il campione, è possibile ottenere informazioni sulla topografia superficiale del campione.
Rispetto ad altre tecniche di analisi superficiale, SPM presenta vantaggi unici:
(1) Ha un'alta risoluzione a livello atomico. La risoluzione di STM nella direzione parallela e perpendicolare alla superficie del campione può raggiungere rispettivamente 0.1nm e 0.01nm, ed è possibile risolvere singoli atomi.
(2) L'immagine tridimensionale della superficie nello spazio reale può essere ottenuta in tempo reale, che può essere utilizzata per lo studio della struttura superficiale periodica o non periodica. Questa prestazione osservabile può essere utilizzata per lo studio di processi dinamici come la diffusione superficiale.
(3) È possibile osservare la struttura superficiale locale di un singolo strato atomico, piuttosto che l'immagine individuale o le proprietà medie dell'intera superficie, in modo che i difetti superficiali, la ricostruzione superficiale, la morfologia e la posizione degli adsorbenti superficiali e il i cambiamenti causati dagli adsorbenti possono essere osservati direttamente. Ricostruzione superficiale, ecc.
(4) Può funzionare in ambienti diversi come vuoto, atmosfera e temperatura normale e persino immergere il campione in acqua e altre soluzioni, senza una speciale tecnologia di preparazione del campione, e il processo di rilevamento non danneggerà il campione. Queste caratteristiche sono particolarmente adatte per lo studio di campioni biologici e la valutazione delle superfici dei campioni in diverse condizioni sperimentali, come il monitoraggio di meccanismi catalitici eterogenei, meccanismi superconduttori e cambiamenti della superficie degli elettrodi durante le reazioni elettrochimiche.
(5) Collaborando con STS (Scanning Tunneling Spectroscopy), è possibile ottenere informazioni sulla struttura elettronica della superficie, come la densità degli stati a diversi livelli della superficie, pozzi di elettroni superficiali, cambiamenti nelle barriere potenziali superficiali e strutture di gap energetici.
