Les avantages uniques de la microscopie à sonde à balayage
Le principe de fonctionnement d'un microscope à sonde à balayage repose sur diverses propriétés physiques dans le domaine micro ou mésoscopique. L'interaction entre les deux est détectée en balayant la surface de la substance étudiée avec une sonde atomique extrêmement fine, afin d'obtenir les caractéristiques de surface de la substance étudiée. La principale différence entre les différents types de SPM réside dans leurs caractéristiques de pointe d’aiguille et les méthodes d’interaction d’échantillon de pointe d’aiguille correspondantes.
Le principe de fonctionnement vient du principe de tunneling en mécanique quantique. Son noyau est une pointe d'aiguille qui peut balayer la surface de l'échantillon et présente une certaine tension de polarisation entre lui et l'échantillon, avec un diamètre à l'échelle atomique. En raison de la relation exponentielle négative entre la probabilité de tunnel électronique et la largeur de la barrière de potentiel V (r), lorsque la distance entre la pointe et l'échantillon est très proche, la barrière de potentiel devient très fine et les nuages d'électrons se chevauchent avec l'un l'autre. En appliquant une tension entre la pointe et l'échantillon, les électrons peuvent être transférés de la pointe à l'échantillon ou de l'échantillon à la pointe par effet tunnel, formant un courant tunnel. En enregistrant les changements de courant tunnel entre la pointe de l’aiguille et l’échantillon, des informations sur la morphologie de surface de l’échantillon peuvent être obtenues.
Par rapport à d’autres techniques d’analyse de surface, SPM présente des avantages uniques :
(1) Il a une haute résolution au niveau atomique. La résolution du STM dans la direction parallèle et perpendiculaire à la surface de l'échantillon peut atteindre respectivement 0,1 nm et 0,01 nm, ce qui permet de distinguer les atomes individuels.
(2) Des images 3D en temps réel de surfaces dans l'espace réel peuvent être obtenues, qui peuvent être utilisées pour étudier les structures de surface avec ou sans périodicité. Cette performance observable peut être utilisée pour étudier des processus dynamiques tels que la diffusion en surface.
(3) La structure de surface locale d'une seule couche atomique peut être observée, plutôt que les propriétés moyennes de l'image individuelle ou de la surface entière. Par conséquent, les défauts de surface, la reconstruction de surface, la morphologie et la position des adsorbants de surface, ainsi que la reconstruction de surface provoquée par les adsorbants peuvent être directement observés.
(4) Il peut fonctionner dans différents environnements tels que le vide, l'atmosphère et la température ambiante, et même immerger l'échantillon dans l'eau et d'autres solutions sans avoir besoin de techniques spéciales de préparation d'échantillon, et le processus de détection n'endommage pas l'échantillon. Ces caractéristiques sont particulièrement adaptées à l'étude d'échantillons biologiques et à l'évaluation de la surface des échantillons dans différentes conditions expérimentales, telles que la surveillance du mécanisme catalytique multiphasé, du mécanisme supraconducteur et des modifications de la surface des électrodes au cours des réactions électrochimiques.
(5) En coopérant avec la spectroscopie à effet tunnel (STS), des informations sur les structures électroniques de surface peuvent être obtenues, telles que la densité d'états à différents niveaux de la surface, les puits d'électrons de surface, les changements dans les barrières de potentiel de surface et les structures de trou d'énergie.
