Unikke fordele ved scanning probe mikroskoper
Arbejdsprincippet for scanning probe mikroskop er baseret på forskellige fysiske egenskaber i det mikroskopiske eller mesoskopiske område. Interaktionen mellem de to detekteres ved at scanne en ultrafin probe af atomare linjer over overfladen af det stof, der undersøges, for at opnå resultaterne af interaktionen mellem de to. For at studere stoffets overfladeegenskaber er hovedforskellen mellem forskellige typer SPM deres spidsegenskaber og deres tilsvarende måde for spids-prøve-interaktion.
Arbejdsprincippet kommer fra tunnelpenetrationsprincippet i kvantemekanikken. Dens kerne er en spids, der kan scanne på overfladen af prøven og har en vis forspænding mellem den og prøven. Dens diameter er på atomskalaen. Da sandsynligheden for elektrontunneling har et negativt eksponentielt forhold til bredden af potentialbarrieren V(r), når afstanden mellem spidsen og prøven er meget tæt, bliver potentialbarrieren meget tynd, og elektronskyerne overlapper hinanden. Når en spænding påføres, kan elektroner overføres fra spidsen til prøven eller fra prøven til spidsen gennem tunneleffekten, hvilket danner en tunnelstrøm. Ved at registrere ændringerne i tunnelstrøm mellem spidsen og prøven kan information om prøvens overflademorfologi opnås.
Sammenlignet med andre overfladeanalyseteknologier har SPM unikke fordele:
(1) Den har høj opløsning på atomniveau. Opløsningen af STM i retningerne parallelt med og vinkelret på prøveoverfladen kan nå henholdsvis 0.1nm og 0.01nm, og enkelte atomer kan opløses.
(2) Det tredimensionelle billede af overfladen i det virkelige rum kan opnås i realtid, 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 det individuelle billede eller de gennemsnitlige egenskaber af hele overfladen. Derfor kan overfladedefekter, overfladerekonstruktion, formen og positionen af overfladeadsorberede legemer og virkningerne forårsaget af adsorberede legemer observeres direkte. Overfladerekonstruktion mv.
(4) Det kan arbejde i forskellige miljøer såsom vakuum, atmosfære og normal temperatur og kan endda nedsænke prøver i vand og andre opløsninger. Der kræves ingen speciel prøveforberedelsesteknologi, og påvisningsprocessen vil ikke beskadige prøverne. Disse funktioner er særligt velegnede til at studere biologiske prøver og evaluere prøveoverflader under forskellige eksperimentelle forhold, såsom overvågning af heterogene katalytiske mekanismer, superledende mekanismer og elektrodeoverfladeændringer under elektrokemiske reaktioner.
(5) I forbindelse med Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) kan der opnås information om overfladens elektroniske struktur, såsom tætheden af tilstande på forskellige niveauer på overfladen, overfladeelektronfælder, ændringer i overfladepotentialebarrierer og energigabstrukturer .
