Concetto/principio/struttura/caratteristiche del microscopio a sonda a scansione
Microscopio a sonda a scansione è un termine generale per vari nuovi microscopi a sonda (microscopio a forza atomica, microscopio a forza elettrostatica, microscopio a forza magnetica, microscopio a scansione di conduttanza ionica, microscopio a scansione elettrochimica, ecc.) sviluppati sulla base del microscopio a scansione a effetto tunnel. Sviluppati strumenti per l'analisi delle superfici.
Principio e struttura del microscopio a sonda a scansione
Il principio di funzionamento di base del microscopio a sonda a scansione consiste nell'utilizzare l'interazione tra la sonda e gli atomi e le molecole superficiali del campione, ovvero i campi fisici di varie interazioni formati quando la sonda e la superficie del campione sono vicine alla nanoscala, ed ottenuto rilevando le corrispondenti grandezze fisiche Morfologia della superficie del campione. Il microscopio a sonda a scansione è composto principalmente da cinque parti: sonda, scanner, sensore di spostamento, controller, sistema di rilevamento e sistema di immagini.
Il controller sposta il campione in direzione verticale attraverso lo scanner in modo che la distanza tra la sonda e il campione (o la quantità fisica di interazione) sia stabilizzata su un valore fisso; allo stesso tempo, il campione viene spostato nel piano orizzontale xy in modo che la sonda segua la scansione Il percorso esegue la scansione della superficie del campione. Nella microscopia a scansione di sonda, quando la distanza tra la sonda e il campione è stabile, il sistema di rilevamento rileva il segnale della grandezza fisica rilevante dell'interazione tra la sonda e il campione; quando la quantità fisica dell'interazione è stabile, viene rilevata dal sensore di spostamento attraverso la direzione verticale La distanza tra la sonda e il campione. Il sistema di immagini esegue l'elaborazione delle immagini come l'imaging sulla superficie del campione in base al segnale di rilevamento (o alla distanza tra la sonda e il campione).
I microscopi a scansione di sonda sono suddivisi in diverse serie di microscopi in base ai diversi campi fisici dell'interazione tra la sonda e il campione. Tra questi, il microscopio a scansione a tunnel (STM) e il microscopio a forza atomica (AFM) sono due tipi di microscopi a sonda a scansione più comunemente usati. Il microscopio a effetto tunnel rileva la struttura superficiale del campione rilevando la dimensione della corrente di tunnel tra la sonda e il campione da testare. Il microscopio a forza atomica rileva la superficie del campione rilevando la deformazione del micro-cantilever causata dalla forza di interazione tra la punta e il campione (che può essere attrattiva o repulsiva) da un sensore di spostamento fotoelettrico.
Caratteristiche dei microscopi a sonda a scansione
La microscopia a scansione di sonda è il terzo microscopio per l'osservazione della struttura della materia su scala atomica dopo la microscopia a ioni di campo e la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione. Prendendo come esempio lo Scanning Tunneling Microscope (STM), la sua risoluzione laterale è 0.1~0.2nm, e la sua risoluzione in profondità verticale è 0.01nm. Tale risoluzione può osservare chiaramente singoli atomi o molecole distribuiti sulla superficie del campione. Allo stesso tempo, il microscopio a sonda a scansione può anche condurre ricerche di osservazione in aria, altri gas o ambienti liquidi.
I microscopi a sonda a scansione hanno le caratteristiche di risoluzione atomica, trasporto atomico e nano-microelaborazione. Tuttavia, a causa dei diversi principi di funzionamento dei vari microscopi a scansione in dettaglio, le informazioni sulla superficie del campione riflesse dai risultati da essi ottenuti sono molto diverse. La microscopia a tunneling a scansione misura le informazioni sulla distribuzione delle stazioni di elettroni sulla superficie del campione, che ha una risoluzione a livello atomico ma non è ancora in grado di ottenere la vera struttura del campione. Il microscopio atomico rileva le informazioni di interazione tra gli atomi, quindi è possibile ottenere le informazioni sulla disposizione della distribuzione atomica sulla superficie del campione, ovvero la struttura reale del campione. Ma d'altra parte, il microscopio a forza atomica non può misurare le informazioni sullo stato elettronico che possono essere confrontate con la teoria, quindi i due hanno i loro vantaggi e svantaggi.
