De unikke fordele ved scanning probe mikroskopi
Arbejdsprincippet for et scanningprobemikroskop er baseret på forskellige fysiske egenskaber i det mikro- eller mesoskopiske område. Interaktionen mellem de to detekteres ved at scanne overfladen af det undersøgte stof med en ekstremt fin atomsonde for at opnå overfladekarakteristika for det undersøgte stof. Den største forskel mellem forskellige typer SPM'er er deres nålespidsegenskaber og de tilsvarende metoder til interaktion med nålespidsprøver.
Arbejdsprincippet kommer fra tunnelprincippet i kvantemekanikken. Dens kerne er en nålespids, der kan scanne på overfladen af prøven og har en vis forspænding mellem den og prøven med en diameter på atomær skala. På grund af det negative eksponentielle forhold mellem sandsynligheden for elektrontunneling og bredden af potentialbarrieren V(r), når afstanden mellem spidsen og prøven er meget tæt, bliver potentialbarrieren meget tynd, og elektronskyerne overlapper med hinanden. Ved at påføre en spænding mellem spidsen og prøven kan elektroner overføres fra spidsen til prøven eller fra prøven til spidsen gennem tunneleffekten, hvilket danner en tunnelstrøm. Ved at registrere ændringerne i tunnelstrømmen mellem nålespidsen og prøven kan information om prøvens overflademorfologi opnås.
Sammenlignet med andre overfladeanalyseteknikker har SPM unikke fordele:
(1) Den har høj opløsning på atomniveau. Opløsningen af STM i retningen parallel og vinkelret på prøveoverfladen kan nå henholdsvis 0.1nm og 0.01nm, hvilket kan skelne individuelle atomer.
(2) Der kan opnås 3D-billeder i realtid af overflader i det virkelige rum, som kan bruges til at studere overfladestrukturer med eller uden periodicitet. Denne observerbare ydeevne kan bruges til at studere dynamiske processer såsom overfladediffusion.
(3) Den lokale overfladestruktur af et enkelt atomlag kan observeres snarere end de gennemsnitlige egenskaber for det enkelte billede eller hele overfladen. Derfor kan overfladedefekter, overfladerekonstruktion, morfologien og positionen af overfladeadsorbenter og overfladerekonstruktion forårsaget af adsorbenter observeres direkte.
(4) Det kan arbejde i forskellige miljøer såsom vakuum, atmosfære og stuetemperatur og endda nedsænke prøven i vand og andre opløsninger uden behov for specielle prøveforberedelsesteknikker, og påvisningsprocessen beskadiger ikke prøven. Disse karakteristika er særligt velegnede til at studere biologiske prøver og evaluere overfladen af prøver under forskellige eksperimentelle forhold, såsom overvågning af den flerfasede katalytiske mekanisme, superledende mekanisme og elektrodeoverfladeændringer under elektrokemiske reaktioner.
(5) Ved at samarbejde med Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) kan information om overfladeelektroniske strukturer opnås, såsom tætheden af tilstande på forskellige niveauer af overfladen, overfladeelektronbrønde, ændringer i overfladepotentialebarrierer og energigabstrukturer.
