Konzept, Prinzip, Struktur und Eigenschaften des Rastersondenmikroskops
Rastersondenmikroskop ist ein allgemeiner Begriff für verschiedene neue Sondenmikroskope (Rasterkraftmikroskop, elektrostatisches Kraftmikroskop, Magnetkraftmikroskop, Rasterionenleitfähigkeitsmikroskop, elektrochemisches Rastermikroskop usw.), die auf der Grundlage des Rastertunnelmikroskops entwickelt wurden. Entwickelte Instrumente zur Oberflächenanalyse.
Prinzip und Aufbau des Rastersondenmikroskops
Das grundlegende Funktionsprinzip des Rastersondenmikroskops besteht darin, die Wechselwirkung zwischen der Sonde und den Oberflächenatomen und -molekülen der Probe zu nutzen, d. h. die physikalischen Felder verschiedener Wechselwirkungen, die entstehen, wenn sich die Sonde und die Probenoberfläche im Nanobereich befinden. und durch Erfassen der entsprechenden physikalischen Größen der Probenoberflächenmorphologie erhalten. Das Rastersondenmikroskop besteht im Wesentlichen aus fünf Teilen: Sonde, Scanner, Wegsensor, Controller, Erkennungssystem und Bildsystem.
Der Controller bewegt die Probe in vertikaler Richtung durch den Scanner, sodass der Abstand zwischen der Sonde und der Probe (oder die physikalische Wechselwirkungsgröße) auf einem festen Wert stabilisiert wird; Gleichzeitig wird die Probe in der horizontalen xy-Ebene bewegt, sodass die Sonde dem Abtastweg folgt und die Probenoberfläche abtastet. Wenn bei der Rastersondenmikroskopie der Abstand zwischen Sonde und Probe stabil ist, erkennt das Detektionssystem das relevante physikalische Größensignal der Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe. Wenn die physikalische Größe der Wechselwirkung stabil ist, wird sie vom Verschiebungssensor in vertikaler Richtung erfasst. Der Abstand zwischen der Sonde und der Probe. Das Bildsystem führt eine Bildverarbeitung durch, beispielsweise eine Bildgebung auf der Oberfläche der Probe entsprechend dem Detektionssignal (oder dem Abstand zwischen der Sonde und der Probe).
Rastersondenmikroskope werden entsprechend den unterschiedlichen physikalischen Feldern der Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe in verschiedene Mikroskopserien unterteilt. Unter ihnen sind das Rastertunnelmikroskop (STM) und das Rasterkraftmikroskop (AFM) zwei Arten von Rastersondenmikroskopen, die am häufigsten verwendet werden. Das Rastertunnelmikroskop erfasst die Oberflächenstruktur der Probe, indem es die Größe des Tunnelstroms zwischen der Sonde und der zu untersuchenden Probe ermittelt. Das Rasterkraftmikroskop erfasst die Oberfläche der Probe, indem es die Verformung des Mikroauslegers erfasst, die durch die Wechselwirkungskraft zwischen der Spitze und der Probe (die anziehend oder abstoßend sein kann) durch einen fotoelektrischen Verschiebungssensor verursacht wird.
Merkmale von Rastersondenmikroskopen
Die Rastersondenmikroskopie ist nach der Feldionenmikroskopie und der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie das dritte Mikroskop zur Beobachtung der Struktur von Materie auf atomarer Ebene. Am Beispiel des Rastertunnelmikroskops (STM) beträgt seine laterale Auflösung 0,1~0,2 nm und seine vertikale Tiefenauflösung beträgt 0,01 nm. Mit dieser Auflösung können einzelne Atome oder Moleküle, die auf der Oberfläche der Probe verteilt sind, deutlich beobachtet werden. Gleichzeitig kann das Rastersondenmikroskop auch Beobachtungsforschung in Luft, anderen Gasen oder flüssigen Umgebungen durchführen.
Rastersondenmikroskope zeichnen sich durch atomare Auflösung, atomaren Transport und Nano-Mikroverarbeitung aus. Aufgrund der im Detail unterschiedlichen Funktionsprinzipien verschiedener Rastermikroskope sind die auf der Oberfläche der Probe reflektierten Informationen in den damit erzielten Ergebnissen jedoch sehr unterschiedlich. Die Rastertunnelmikroskopie misst die Verteilungsinformationen von Elektronenstationen auf der Oberfläche der Probe, die zwar eine Auflösung auf atomarer Ebene haben, aber dennoch nicht die wahre Struktur der Probe ermitteln können. Das Atommikroskop erfasst die Wechselwirkungsinformationen zwischen Atomen, sodass Informationen zur Anordnung der Atomverteilung auf der Probenoberfläche, also der tatsächlichen Struktur der Probe, erhalten werden können. Andererseits kann das Rasterkraftmikroskop jedoch nicht die elektronischen Zustandsinformationen messen, die mit der Theorie verglichen werden können, sodass beide ihre eigenen Vor- und Nachteile haben.
