Caratteristiche della microscopia con sonda a scansione
Quando la storia si è sviluppata fino agli anni '80, è nato un nuovo tipo di strumento per l'analisi della superficie, la microscopia a scansione di sonda (STM), basata sulla fisica e che integra varie tecnologie moderne. STM non solo ha un'elevata risoluzione spaziale (fino a 0,1 nm in orizzontale e migliore di 0,01 nm in verticale), può osservare direttamente la struttura atomica delle superfici materiali, ma anche manipolare atomi e molecole, imponendo così la volontà soggettiva umana sulla natura. Si può dire che la microscopia a scansione di sonda è l'estensione degli occhi e delle mani umani e la cristallizzazione della saggezza umana.
Il principio di funzionamento della microscopia a scansione con sonda si basa su varie proprietà fisiche nel campo microscopico o mesoscopico. L'interazione tra i due viene rilevata scansionando la sonda atomica lineare estremamente fine sopra la superficie del materiale studiato per ottenere le caratteristiche superficiali del materiale studiato. La differenza principale tra i diversi tipi di SPM è rappresentata dalle caratteristiche della punta e dalla corrispondente modalità di azione dei campioni di punta.
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 e ha una certa tensione di polarizzazione tra esso e il campione, con un diametro di scala atomica. Poiché la probabilità di tunneling elettronico ha una relazione esponenziale negativa con la larghezza della barriera V (r), quando la distanza tra la punta e il campione è molto ravvicinata, la barriera tra loro diventa molto sottile e la nuvola di elettroni si sovrappone a ciascuno di essi. altro. Applicando una tensione tra la punta e il campione, gli elettroni possono essere trasferiti dalla punta al campione o dal campione alla punta attraverso l'effetto tunnel, formando una corrente tunnel. Registrando i cambiamenti nella corrente tunnel tra la punta dell'ago e il campione, è possibile ottenere informazioni sulla morfologia 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, consentendo di distinguere i singoli atomi.
(2) È possibile ottenere immagini 3D in tempo reale di superfici nello spazio reale, che possono essere utilizzate per studiare strutture superficiali con o senza periodicità. Questa prestazione osservabile può essere utilizzata per studiare processi dinamici come la diffusione superficiale.
(3) È possibile osservare la struttura superficiale locale di un singolo strato atomico, piuttosto che le proprietà medie della singola immagine o dell'intera superficie, quindi i difetti superficiali, la ricostruzione superficiale, la forma e la posizione degli adsorbenti superficiali e la superficie la ricostruzione causata dagli adsorbenti può essere osservata direttamente.
(4) Può funzionare in ambienti diversi come vuoto, atmosfera e temperatura ambiente e persino immergere il campione in acqua e altre soluzioni senza la necessità di tecniche speciali di preparazione del campione e il processo di rilevamento non danneggia il campione. Queste caratteristiche sono particolarmente applicabili allo studio di campioni biologici e alla valutazione delle superfici dei campioni in diverse condizioni sperimentali, come il monitoraggio del meccanismo di catalisi eterogenea, del meccanismo superconduttore e dei cambiamenti della superficie degli elettrodi durante la reazione elettrochimica.
(5) Collaborando con la spettroscopia a tunneling a scansione (STS), è possibile ottenere informazioni sulle strutture elettroniche superficiali, come la densità degli stati a diversi livelli della superficie, i pozzi elettronici superficiali, i cambiamenti nelle barriere potenziali superficiali e le strutture dei gap energetici.
