Eigenschaften der Rastersondenmikroskopie
Als sich die Geschichte bis in die 1980er Jahre entwickelte, wurde ein neuer Typ von Oberflächenanalyseinstrument, die Rastersondenmikroskopie (STM), geboren, der auf Physik basiert und verschiedene moderne Technologien integriert. STM verfügt nicht nur über eine hohe räumliche Auflösung (bis zu 0,1 nm horizontal und besser als 0,01 nm vertikal), es kann auch die atomare Struktur von Materialoberflächen direkt beobachten, sondern auch Atome und Moleküle manipulieren und so der Natur den subjektiven Willen des Menschen aufzwingen. Man kann sagen, dass die Rastersondenmikroskopie die Erweiterung menschlicher Augen und Hände und die Kristallisation menschlicher Weisheit ist.
Das Funktionsprinzip der Rastersondenmikroskopie basiert auf verschiedenen physikalischen Eigenschaften im mikroskopischen oder mesoskopischen Bereich. Die Wechselwirkung zwischen beiden wird durch Scannen der extrem feinen Atomsonde über der Oberfläche des untersuchten Materials erfasst, um die Oberflächeneigenschaften des untersuchten Materials zu erhalten. Der Hauptunterschied zwischen verschiedenen Arten von SPMs besteht in ihren Spitzeneigenschaften und der entsprechenden Wirkungsweise der Spitzenproben.
Das Wirkprinzip stammt aus dem Tunnelprinzip der Quantenmechanik. Sein Kern ist eine Nadelspitze, die die Oberfläche der Probe abtasten kann und zwischen ihr und der Probe eine bestimmte Vorspannung mit einem Durchmesser im atomaren Maßstab anliegt. Da die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns von Elektronen eine negative exponentielle Beziehung zur Breite der Barriere V (r) aufweist, wird die Barriere zwischen ihnen sehr dünn, wenn der Abstand zwischen der Spitze und der Probe sehr gering ist, und die Elektronenwolke überlappt sich mit beiden andere. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Spitze und Probe können durch den Tunneleffekt Elektronen von der Spitze zur Probe oder von der Probe zur Spitze übertragen werden, wodurch ein Tunnelstrom entsteht. Durch die Aufzeichnung der Änderungen des Tunnelstroms zwischen der Nadelspitze und der Probe können Informationen über die Oberflächenmorphologie der Probe gewonnen werden.
Im Vergleich zu anderen Oberflächenanalysetechniken bietet SPM einzigartige Vorteile:
(1) Es verfügt über eine hohe Auflösung auf atomarer Ebene. Die Auflösung des STM in der Richtung parallel und senkrecht zur Probenoberfläche kann 0,1 nm bzw. 0,01 nm erreichen, wodurch einzelne Atome unterschieden werden können.
(2) Es können Echtzeit-3D-Bilder von Oberflächen im realen Raum erhalten werden, die zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen mit oder ohne Periodizität verwendet werden können. Diese beobachtbare Leistung kann zur Untersuchung dynamischer Prozesse wie der Oberflächendiffusion genutzt werden.
(3) Die lokale Oberflächenstruktur einer einzelnen Atomschicht kann statt der durchschnittlichen Eigenschaften des einzelnen Bildes oder der gesamten Oberfläche beobachtet werden, also die Oberflächendefekte, die Oberflächenrekonstruktion, die Form und Position der Oberflächenadsorbentien und die Oberfläche Der durch die Adsorbentien verursachte Wiederaufbau kann direkt beobachtet werden.
(4) Es kann in verschiedenen Umgebungen wie Vakuum, Atmosphäre und Raumtemperatur arbeiten und die Probe sogar in Wasser und andere Lösungen eintauchen, ohne dass spezielle Probenvorbereitungstechniken erforderlich sind, und der Nachweisprozess beschädigt die Probe nicht. Diese Eigenschaften sind insbesondere auf die Untersuchung biologischer Proben und die Bewertung von Probenoberflächen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen anwendbar, beispielsweise auf die Überwachung heterogener Katalysemechanismen, supraleitender Mechanismen und Änderungen der Elektrodenoberfläche während elektrochemischer Reaktionen.
(5) Durch die Zusammenarbeit mit der Rastertunnelspektroskopie (STS) können Informationen über elektronische Oberflächenstrukturen gewonnen werden, beispielsweise die Zustandsdichte auf verschiedenen Ebenen der Oberfläche, Oberflächenelektronenquellen, Änderungen der Oberflächenpotentialbarrieren und Energielückenstrukturen.
