Als sich die Geschichte in den 1980er Jahren entwickelte, wurde ein neues Instrument zur Oberflächenanalyse geboren, das auf physikalischen Gesetzen basiert und eine Vielzahl moderner Technologien integriert – das Rasterkraftmikroskop (STM). Das STM hat nicht nur eine sehr hohe räumliche Auflösung (bis zu 0,1 nm in Querrichtung und besser als 0,01 nm in Längsrichtung), es kann auch die atomare Struktur der Materialoberfläche direkt beobachten und Atome und Moleküle manipulieren und so den menschlichen subjektiven Willen der Natur auferlegen. Man kann sagen, dass das Rasterkraftmikroskop eine Erweiterung der menschlichen Augen und Hände und die Kristallisation menschlicher Weisheit ist.
Das Funktionsprinzip des Rasterkraftmikroskops basiert auf verschiedenen physikalischen Eigenschaften im mikroskopischen oder mesoskopischen Bereich. Die Wechselwirkung zwischen beiden wird durch das Scannen einer ultrafeinen Sonde von Atomlinien über der Oberfläche der untersuchten Substanz erkannt, um die Ergebnisse der Wechselwirkung zwischen beiden zu erhalten. Um die Oberflächeneigenschaften von Materie zu untersuchen, besteht der Hauptunterschied zwischen verschiedenen Arten von Rasterkraftmikroskopen in ihren Spitzeneigenschaften und ihrer entsprechenden Art der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe.
Das Funktionsprinzip stammt aus dem Tunnelpenetrationsprinzip der Quantenmechanik. Sein Kern ist eine Spitze, die die Oberfläche der Probe abtasten kann und zwischen ihr und der Probe eine bestimmte Vorspannung hat. Ihr Durchmesser liegt im atomaren Maßstab. Da die Wahrscheinlichkeit des Elektronentunnelns eine negative Exponentialbeziehung zur Breite der Potentialbarriere V(r) hat, wird die Potentialbarriere sehr dünn, wenn der Abstand zwischen Spitze und Probe sehr gering ist, und die Elektronenwolken überlappen sich. Wenn eine Spannung angelegt wird, können Elektronen durch den Tunneleffekt von der Spitze zur Probe oder von der Probe zur Spitze übertragen werden, wodurch ein Tunnelstrom entsteht. Durch Aufzeichnen der Änderungen des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe können Informationen zur Oberflächenmorphologie der Probe gewonnen werden.
Im Vergleich zu anderen Oberflächenanalysetechnologien bietet SPM einzigartige Vorteile:
(1) Mit hoher Auflösung auf atomarer Ebene. Die Auflösung des STM in den Richtungen parallel und senkrecht zur Probenoberfläche kann 0,1 nm bzw. 0,01 nm erreichen, und einzelne Atome können aufgelöst werden.
(2) Das dreidimensionale Bild der Oberfläche im realen Raum kann in Echtzeit erhalten werden, was zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen mit oder ohne Periodizität verwendet werden kann. Diese beobachtbare Leistung kann zur Untersuchung dynamischer Prozesse wie Oberflächendiffusion verwendet werden.
(3) Es kann die lokale Oberflächenstruktur einer einzelnen Atomschicht beobachtet werden, nicht das einzelne Bild oder die durchschnittlichen Eigenschaften der gesamten Oberfläche. Daher können Oberflächendefekte, Oberflächenrekonstruktionen, die Form und Position von Oberflächenadsorbierten Körpern und die durch adsorbierte Körper verursachten Auswirkungen direkt beobachtet werden. Oberflächenrekonstruktionen usw.
(4) Es kann in verschiedenen Umgebungen wie Vakuum, Atmosphäre und Normaltemperatur verwendet werden und kann Proben sogar in Wasser und andere Lösungen eintauchen. Es ist keine spezielle Probenvorbereitungstechnologie erforderlich und der Nachweisprozess beschädigt die Proben nicht. Diese Funktionen eignen sich besonders für die Untersuchung biologischer Proben und die Bewertung von Probenoberflächen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen, wie z. B. die Überwachung heterogener katalytischer Mechanismen, supraleitender Mechanismen und Elektrodenoberflächenänderungen während elektrochemischer Reaktionen.
(5) In Verbindung mit der Rastertunnelspektroskopie (STS) können Informationen über die elektronische Struktur einer Oberfläche gewonnen werden, wie etwa die Zustandsdichte auf verschiedenen Ebenen der Oberfläche, Elektronenfallen an der Oberfläche, Änderungen der Potentialbarrieren an der Oberfläche und Energielückenstrukturen.
