Đặc điểm của kính hiển vi thăm dò quét
Khi lịch sử phát triển đến những năm 1980, một loại thiết bị phân tích bề mặt mới là Kính hiển vi thăm dò quét (STM), dựa trên vật lý và tích hợp nhiều công nghệ hiện đại, đã ra đời. STM không chỉ có độ phân giải không gian cao (lên tới O.1nm theo chiều ngang và tốt hơn O.01nm theo chiều dọc), nó có thể quan sát trực tiếp cấu trúc nguyên tử của bề mặt vật chất mà còn thao túng các nguyên tử và phân tử, từ đó áp đặt ý chí chủ quan của con người lên tự nhiên. Có thể nói, kính hiển vi thăm dò quét là phần mở rộng của mắt và bàn tay con người, là sự kết tinh của trí tuệ con người.
Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi thăm dò quét dựa trên các tính chất vật lý khác nhau trong phạm vi vi mô hoặc siêu âm. Sự tương tác giữa hai yếu tố này được phát hiện bằng cách quét đầu dò tuyến tính nguyên tử cực kỳ mịn phía trên bề mặt vật liệu được nghiên cứu để thu được các đặc tính bề mặt của vật liệu được nghiên cứu. Sự khác biệt chính giữa các loại SPM khác nhau là đặc điểm đầu tip của chúng và Phương thức hoạt động tương ứng của các mẫu đầu tip.
Nguyên lý làm việc xuất phát từ nguyên lý đường hầm trong cơ học lượng tử. Lõi của nó là một đầu kim có khả năng quét trên bề mặt mẫu và có một điện áp phân cực nhất định giữa nó và mẫu, có đường kính cỡ nguyên tử. Do xác suất của đường hầm electron có mối quan hệ hàm mũ âm với chiều rộng của hàng rào V (r), nên khi khoảng cách giữa đầu và mẫu rất gần, hàng rào giữa chúng trở nên rất mỏng và đám mây Electron chồng lên nhau khác. Bằng cách đặt một điện áp giữa đầu và mẫu, các electron có thể được truyền từ đầu đến mẫu hoặc từ mẫu sang đầu thông qua hiệu ứng đường hầm, tạo thành dòng điện đường hầm. Bằng cách ghi lại những thay đổi trong dòng điện giữa đầu kim và mẫu, có thể thu được thông tin về hình thái bề mặt của mẫu.
So với các kỹ thuật phân tích bề mặt khác, SPM có những ưu điểm riêng:
(1) Nó có độ phân giải cao cấp nguyên tử. Độ phân giải của STM theo hướng song song và vuông góc với bề mặt mẫu có thể lần lượt đạt tới 0.1nm và 0.01nm, có thể phân biệt từng nguyên tử riêng lẻ.
(2) Có thể thu được hình ảnh 3D thời gian thực của các bề mặt trong không gian thực, có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bề mặt có hoặc không có tính tuần hoàn. Hiệu suất quan sát được này có thể được sử dụng để nghiên cứu các quá trình động như khuếch tán bề mặt.
(3) Có thể quan sát cấu trúc bề mặt cục bộ của một lớp nguyên tử, thay vì các đặc tính trung bình của từng hình ảnh hoặc toàn bộ bề mặt, do đó các khuyết tật bề mặt, Tái tạo bề mặt, hình dạng và vị trí của chất hấp phụ bề mặt và Bề mặt sự tái tạo gây ra bởi chất hấp phụ có thể được quan sát trực tiếp.
(4) Nó có thể hoạt động trong các môi trường khác nhau như chân không, khí quyển và nhiệt độ phòng, thậm chí có thể ngâm mẫu vào nước và các dung dịch khác mà không cần kỹ thuật chuẩn bị mẫu đặc biệt và quá trình phát hiện không làm hỏng mẫu. Những đặc điểm này đặc biệt có thể áp dụng để nghiên cứu các mẫu sinh học và đánh giá bề mặt mẫu trong các điều kiện thí nghiệm khác nhau, chẳng hạn như theo dõi cơ chế xúc tác không đồng nhất, cơ chế siêu dẫn và sự thay đổi bề mặt điện cực trong phản ứng điện hóa.
(5) Bằng cách hợp tác với Quang phổ quét đường hầm quét (STS), có thể thu được thông tin về cấu trúc điện tử bề mặt, chẳng hạn như mật độ trạng thái ở các cấp độ khác nhau của bề mặt, giếng điện tử bề mặt, sự thay đổi của hàng rào thế năng bề mặt và cấu trúc khe năng lượng.
