Einzigartige Vorteile der Rasterkraftmikroskopie
Vorwort:
Im Laufe der 1980er Jahre wurde ein neuer Typ von Instrument zur Oberflächenanalyse geboren, das auf physikalischen Gesetzen basiert und verschiedene moderne Technologien integriert: das Rasterkraftmikroskop (STM). Das STM verfügt nicht nur über eine hohe räumliche Auflösung (bis zu 0,1 nm in Querrichtung und besser als 0,01 nm in Längsrichtung), sondern kann auch die atomare Struktur auf der Oberfläche von Materie direkt beobachten, sondern auch Atome und Moleküle manipulieren und so den subjektiven Willen des Menschen auf die Natur ausüben. Man kann sagen, dass das Rasterkraftmikroskop die Erweiterung der menschlichen Augen und Hände und die Kristallisationspunkte der menschlichen Weisheit sind.
Das Funktionsprinzip der Rasterkraftmikroskopie basiert auf verschiedenen physikalischen Eigenschaften im mikroskopischen oder mesoskopischen Bereich. Die Wechselwirkung zwischen ihnen wird mithilfe einer sehr feinen Sonde mit atomarer Linearität erkannt, die die Oberfläche der untersuchten Substanz abtastet. Um die Oberflächeneigenschaften der untersuchten Substanz zu erhalten, liegt der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Arten von Rasterkraftmikroskopen in den unterschiedlichen Eigenschaften ihrer Nadeln und ihren entsprechenden Wechselwirkungsweisen mit den Nadelproben.
Das Funktionsprinzip leitet sich vom Durchtunnelungsprinzip der Quantenmechanik ab. Kernstück ist eine Spitze, die mit einer bestimmten Vorspannung zwischen Nadel und Probe die Probenoberfläche abtasten kann und deren Durchmesser im atomaren Maßstab liegt. Da die Wahrscheinlichkeit des Elektronentunnelns eine negative Exponentialfunktion zur Breite der Potenzialbarriere V(r) aufweist, wird bei sehr geringem Abstand zwischen Nadelspitze und Probe die Potenzialbarriere zwischen ihnen sehr dünn und die Elektronenwolken überlappen sich. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Nadelspitze und Probe können die Elektronen durch den Tunneleffekt von der Spitze zur Probe oder von der Probe zur Nadelspitze übertragen werden und einen Tunnelstrom bilden. Durch Aufzeichnen der Änderungen des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe können Informationen zur Oberflächenmorphologie der Probe gewonnen werden.
SPM bietet gegenüber anderen Oberflächenanalysetechniken einzigartige Vorteile:
(1) Hohe Auflösung auf atomarer Ebene mit Auflösungen von 0,1 nm parallel und 0,01 nm senkrecht zur Probenoberfläche, wobei einzelne Atome aufgelöst werden können.
(2) Es kann in Echtzeit ein dreidimensionales Bild der Oberfläche im Realraum erhalten werden, das für die Untersuchung periodischer oder nichtperiodischer Oberflächenstrukturen verwendet werden kann, und dieses beobachtbare Verhalten kann für die Untersuchung dynamischer Prozesse wie der Oberflächendiffusion verwendet werden.
(3) Es ist möglich, die lokale Oberflächenstruktur einer einzelnen Atomschicht statt eines einzelnen Bildes oder der Durchschnittsbeschaffenheit der gesamten Oberfläche zu beobachten, und somit ist es möglich, Oberflächendefekte, Oberflächenrekonstruktionen, die Morphologie und Lage von Oberflächenadsorbaten sowie durch Adsorbate verursachte Oberflächenrekonstruktionen direkt zu beobachten.
(4) Es kann in verschiedenen Umgebungen wie Vakuum, Atmosphäre, Raumtemperatur usw. verwendet werden und kann die Probe sogar in Wasser und andere Lösungen eintauchen, was keine speziellen Probenahmetechniken erfordert und die Probe während des Nachweisprozesses nicht beschädigt. Diese Eigenschaften eignen sich besonders für die Untersuchung biologischer Proben und die Bewertung der Probenoberfläche unter verschiedenen experimentellen Bedingungen, wie beispielsweise für den mehrphasigen katalytischen Mechanismus, den Supraleitungsmechanismus und die Überwachung von Elektrodenoberflächenänderungen während elektrochemischer Reaktionen.
(5) In Kombination mit der Rastertunnelspektroskopie (STS) können Informationen über die elektronische Struktur der Oberfläche gewonnen werden, wie etwa die Zustandsdichte auf verschiedenen Ebenen der Oberfläche, die Elektronenfallen an der Oberfläche, die Variation der Oberflächenpotentialbarrieren und die Energielückenstruktur.
