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