I vantaggi unici della microscopia con sonda a scansione
Il principio di funzionamento di un microscopio a sonda a scansione si basa su varie proprietà fisiche nel campo micro o mesoscopico. L'interazione tra i due viene rilevata scansionando la superficie della sostanza studiata con una sonda atomica estremamente fine, al fine di ottenere le caratteristiche superficiali della sostanza studiata. La differenza principale tra i diversi tipi di SPM sono le caratteristiche della punta dell'ago e i corrispondenti metodi di interazione del campione con la punta dell'ago.
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. A causa della relazione esponenziale negativa tra la probabilità di tunneling elettronico e l'ampiezza della barriera potenziale V (r), quando la distanza tra la punta e il campione è molto ravvicinata, la barriera potenziale diventa molto sottile e le nubi elettroniche si sovrappongono con l'un l'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. Pertanto, è possibile osservare direttamente i difetti superficiali, la ricostruzione superficiale, la morfologia e la posizione degli adsorbenti superficiali e la ricostruzione superficiale causata dagli adsorbenti.
(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 adatte per studiare campioni biologici e valutare la superficie dei campioni in diverse condizioni sperimentali, come il monitoraggio del meccanismo catalitico multifase, del meccanismo superconduttore e dei cambiamenti della superficie degli elettrodi durante le reazioni elettrochimiche.
(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.
