Χαρακτηριστικά της μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης
Όταν η ιστορία αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1980, γεννήθηκε ένας νέος τύπος οργάνου ανάλυσης επιφάνειας, το Scanning probe microscopy (STM), που βασίστηκε στη φυσική και ενσωματώνει διάφορες σύγχρονες τεχνολογίες. Το STM όχι μόνο έχει υψηλή χωρική ανάλυση (έως O.1nm οριζόντια και καλύτερη από το O.01nm κάθετα), μπορεί να παρατηρήσει άμεσα την ατομική δομή των επιφανειών του υλικού, αλλά και να χειριστεί άτομα και μόρια, επιβάλλοντας έτσι την ανθρώπινη υποκειμενική βούληση στη φύση. Μπορεί να ειπωθεί ότι η μικροσκοπία ανιχνευτή σάρωσης είναι η επέκταση των ανθρώπινων ματιών και χεριών και η κρυστάλλωση της ανθρώπινης σοφίας.
Η αρχή λειτουργίας της μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης βασίζεται σε διάφορες φυσικές ιδιότητες στο μικροσκοπικό ή μεσοσκοπικό εύρος. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ανιχνεύεται με σάρωση του ατομικού γραμμικού εξαιρετικά λεπτού καθετήρα πάνω από την επιφάνεια του υλικού που μελετήθηκε για να ληφθούν τα επιφανειακά χαρακτηριστικά του μελετημένου υλικού. Η κύρια διαφορά μεταξύ των διαφορετικών τύπων SPM είναι τα χαρακτηριστικά των άκρων τους και ο αντίστοιχος Τρόπος δράσης των δειγμάτων μύτης.
Η αρχή λειτουργίας προέρχεται από την αρχή της σήραγγας στην κβαντική μηχανική. Ο πυρήνας του είναι ένα άκρο βελόνας που μπορεί να σαρώσει στην επιφάνεια του δείγματος και έχει μια ορισμένη τάση πόλωσης μεταξύ αυτού και του δείγματος, με διάμετρο ατομικής κλίμακας. Δεδομένου ότι η πιθανότητα διέλευσης ηλεκτρονίων έχει αρνητική εκθετική σχέση με το πλάτος του φραγμού V (r), όταν η απόσταση μεταξύ του άκρου και του δείγματος είναι πολύ κοντά, το φράγμα μεταξύ τους γίνεται πολύ λεπτό και το νέφος ηλεκτρονίων επικαλύπτεται με κάθε άλλα. Εφαρμόζοντας μια τάση μεταξύ του άκρου και του δείγματος, τα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφερθούν από το άκρο στο δείγμα ή από το δείγμα στο άκρο μέσω του φαινομένου της σήραγγας, σχηματίζοντας ένα ρεύμα σήραγγας. Καταγράφοντας τις αλλαγές στο ρεύμα της σήραγγας μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος, μπορούν να ληφθούν πληροφορίες για τη μορφολογία της επιφάνειας του δείγματος.
Σε σύγκριση με άλλες τεχνικές ανάλυσης επιφάνειας, το SPM έχει μοναδικά πλεονεκτήματα:
(1) Έχει ατομικό επίπεδο υψηλής ανάλυσης. Η ανάλυση του STM στην κατεύθυνση παράλληλη και κάθετη στην επιφάνεια του δείγματος μπορεί να φτάσει τα 0,1nm και 0,01nm, αντίστοιχα, τα οποία μπορούν να διακρίνουν μεμονωμένα άτομα.
(2) Μπορούν να ληφθούν τρισδιάστατες εικόνες επιφανειών σε πραγματικό χρόνο σε πραγματικό χρόνο, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη επιφανειακών δομών με ή χωρίς περιοδικότητα. Αυτή η παρατηρήσιμη απόδοση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη δυναμικών διεργασιών όπως η επιφανειακή διάχυση.
(3) Η τοπική επιφανειακή δομή ενός μεμονωμένου ατομικού στρώματος μπορεί να παρατηρηθεί, αντί για τις μέσες ιδιότητες της μεμονωμένης εικόνας ή ολόκληρης της επιφάνειας, επομένως τα ελαττώματα της επιφάνειας, η ανακατασκευή της επιφάνειας, το σχήμα και η θέση των επιφανειακών προσροφητών και η επιφάνεια η ανακατασκευή που προκαλείται από τα προσροφητικά μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα.
(4) Μπορεί να λειτουργήσει σε διαφορετικά περιβάλλοντα όπως κενό, ατμόσφαιρα και θερμοκρασία δωματίου, ακόμη και να βυθίσει το δείγμα σε νερό και άλλα διαλύματα χωρίς την ανάγκη ειδικών τεχνικών προετοιμασίας δειγμάτων και η διαδικασία ανίχνευσης δεν βλάπτει το δείγμα. Αυτά τα χαρακτηριστικά ισχύουν ιδιαίτερα για τη μελέτη βιολογικών δειγμάτων και την αξιολόγηση επιφανειών δειγμάτων κάτω από διαφορετικές πειραματικές συνθήκες, όπως η παρακολούθηση του ετερογενούς μηχανισμού κατάλυσης, του υπεραγώγιμου μηχανισμού και των αλλαγών στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου κατά την ηλεκτροχημική αντίδραση.
(5) Σε συνεργασία με το Scanning Tunneling Spectroscopy (STS), μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με επιφανειακές ηλεκτρονικές δομές, όπως η πυκνότητα καταστάσεων σε διαφορετικά επίπεδα της επιφάνειας, τα φρεάτια ηλεκτρονίων επιφανείας, οι αλλαγές στα φράγματα επιφανειακού δυναμικού και οι δομές του ενεργειακού χάσματος.
