Skenuojančio zondo mikroskopijos charakteristikos
Istorijai vystantis iki 1980-ųjų, gimė naujo tipo paviršiaus analizės instrumentas – skenuojantis zondų mikroskopija (STM), pagrįstas fizika ir integruojantis įvairias šiuolaikines technologijas. STM turi ne tik didelę erdvinę skiriamąją gebą (iki 0,1 nm horizontaliai ir geriau nei 0,01 nm vertikaliai), jis gali tiesiogiai stebėti medžiagų paviršių atominę struktūrą, bet ir manipuliuoti atomais bei molekulėmis, taip primesdamas žmogaus subjektyvią valią gamtai. Galima sakyti, kad skenuojančio zondo mikroskopija yra žmogaus akių ir rankų pratęsimas, žmogaus išminties kristalizacija.
Skenuojančio zondo mikroskopijos veikimo principas pagrįstas įvairiomis fizinėmis savybėmis mikroskopiniame arba mezoskopiniame diapazone. Šių dviejų sąveika aptinkama nuskaitant atominį tiesinį itin smulkų zondą virš tiriamos medžiagos paviršiaus, kad būtų gautos tiriamos medžiagos paviršiaus charakteristikos. Pagrindinis skirtumas tarp skirtingų tipų SPM yra jų antgalio charakteristikos ir atitinkamas antgalių pavyzdžių veikimo būdas.
Darbo principas kilęs iš tuneliavimo principo kvantinėje mechanikoje. Jo šerdis yra adatos antgalis, galintis nuskaityti mėginio paviršių ir turi tam tikrą poslinkio įtampą tarp jo ir mėginio, kurio skersmuo yra atominis. Kadangi elektronų tuneliavimo tikimybė turi neigiamą eksponentinį ryšį su barjero pločiu V (r), kai atstumas tarp galo ir mėginio yra labai arti, barjeras tarp jų tampa labai plonas ir elektronų debesis persidengia su kiekvienu kitas. Taikant įtampą tarp antgalio ir mėginio, elektronai gali būti perkelti iš antgalio į mėginį arba iš mėginio į galiuką per tunelio efektą, suformuojant tunelio srovę. Užregistravus tunelio srovės pokyčius tarp adatos galo ir mėginio, galima gauti informacijos apie mėginio paviršiaus morfologiją.
Palyginti su kitais paviršiaus analizės metodais, SPM turi unikalių pranašumų:
(1) Jis turi didelę atominio lygio skiriamąją gebą. STM skiriamoji geba lygiagrečia ir statmena mėginio paviršiui kryptimi gali siekti atitinkamai 0.1nm ir 0.01nm, o tai gali atskirti atskirus atomus.
(2) Galima gauti realaus laiko 3D paviršių vaizdus realioje erdvėje, kurie gali būti naudojami paviršių struktūroms su periodiškumu arba be jo tirti. Šis stebimas veikimas gali būti naudojamas tiriant dinaminius procesus, tokius kaip paviršiaus difuzija.
(3) Galima stebėti vietinę vieno atominio sluoksnio paviršiaus struktūrą, o ne vidutines atskiro vaizdo ar viso paviršiaus savybes, todėl paviršiaus defektai, paviršiaus rekonstrukcija, paviršiaus adsorbentų forma ir padėtis bei paviršius. galima tiesiogiai stebėti adsorbentų sukeltą rekonstrukciją.
(4) Jis gali veikti įvairiose aplinkose, tokiose kaip vakuumas, atmosfera ir kambario temperatūra, ir netgi panardinti mėginį į vandenį ir kitus tirpalus, nereikalaujant specialių mėginio paruošimo metodų, o aptikimo procesas nepažeidžia mėginio. Šios charakteristikos ypač pritaikomos tiriant biologinius mėginius ir vertinant mėginių paviršius skirtingomis eksperimentinėmis sąlygomis, pavyzdžiui, stebint heterogeninės katalizės mechanizmą, superlaidumo mechanizmą ir elektrodų paviršiaus pokyčius elektrocheminės reakcijos metu.
(5) Bendradarbiaujant su skenuojančia tunelinio spektroskopija (STS), galima gauti informacijos apie paviršiaus elektronines struktūras, pvz., būsenų tankį skirtinguose paviršiaus lygiuose, paviršiaus elektronų šulinius, paviršiaus potencialo barjerų pokyčius ir energijos tarpo struktūras.
