Vantaggi unici dei microscopi con sonda a scansione
Il principio di funzionamento del microscopio con sonda a scansione si basa su varie proprietà fisiche nel campo microscopico o mesoscopico. L'interazione tra i due viene rilevata scansionando una sonda ultrasottile di linee atomiche sopra la superficie della sostanza studiata, al fine di ottenere i risultati dell'interazione tra i due. Per studiare le proprietà superficiali della materia, la differenza principale tra i diversi tipi di SPM sono le proprietà della punta e il modo corrispondente di interazione punta-campione.
Il principio di funzionamento deriva dal principio di penetrazione del tunnel nella meccanica quantistica. Il suo nucleo è una punta che può scansionare la superficie del campione e ha una certa tensione di polarizzazione tra essa e il campione. Il suo diametro è su scala atomica. Poiché la probabilità di tunneling elettronico ha una relazione esponenziale negativa con l’ampiezza della barriera di potenziale V(r), quando la distanza tra la punta e il campione è molto ravvicinata, la barriera di potenziale diventa molto sottile e le nubi di elettroni si sovrappongono tra loro. 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 i cambiamenti nella corrente di tunneling tra la punta e il campione, è possibile ottenere informazioni sulla morfologia superficiale del campione.
Rispetto ad altre tecnologie di analisi superficiale, SPM presenta vantaggi unici:
(1) Ha un'alta risoluzione a livello atomico. La risoluzione di STM nelle direzioni parallele e perpendicolari alla superficie del campione può raggiungere rispettivamente 0.1nm e 0.01nm e i singoli atomi possono essere risolti.
(2) È possibile ottenere in tempo reale l'immagine tridimensionale della superficie nello spazio reale, che può essere utilizzata per studiare le 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 l'immagine individuale o le proprietà medie dell'intera superficie. Pertanto, è possibile osservare direttamente i difetti superficiali, la ricostruzione della superficie, la forma e la posizione dei corpi adsorbiti sulla superficie e gli effetti causati dai corpi adsorbiti. Ricostruzione superficiale, ecc.
(4) Può funzionare in ambienti diversi come vuoto, atmosfera e temperatura normale e può persino immergere i campioni in acqua e altre soluzioni. Non è richiesta alcuna tecnologia speciale per la preparazione dei campioni e il processo di rilevamento non danneggerà i campioni. Queste funzionalità 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) In combinazione con la spettroscopia a tunneling a scansione (STS), è possibile ottenere informazioni sulla struttura elettronica della superficie, come la densità degli stati a diversi livelli sulla superficie, trappole elettroniche superficiali, cambiamenti nelle barriere potenziali superficiali e strutture di gap energetici .
