Les avantages uniques du microscope à sonde à balayage
Lorsque l’histoire s’est développée jusqu’aux années 1980, un nouveau microscope à sonde à balayage (STM) pour analyse de surface est né, basé sur la physique et intégré à de nombreuses technologies modernes. STM a non seulement une résolution spatiale élevée (jusqu'à 0,1 nm dans le sens horizontal, mais meilleure que 0,01 nm dans le sens vertical), il peut observer directement la structure atomique à la surface de la matière, mais également manipuler des atomes et des molécules, ainsi imposer la volonté subjective humaine à la nature. On peut dire que le microscope à sonde à balayage est l'extension des yeux et des mains humains et la cristallisation de la sagesse humaine.
Le principe de fonctionnement du microscope à sonde à balayage est basé sur diverses propriétés physiques dans la plage microscopique ou mésoscopique, et l'interaction entre elles est détectée en balayant la sonde ultra-fine avec une linéarité atomique au-dessus de la surface de la substance étudiée, de manière à obtenir la surface. caractéristiques de la substance étudiée. La principale différence entre les différents types de SPM réside dans leurs caractéristiques de pointe d’aiguille et les modes d’interaction correspondants des échantillons de pointe d’aiguille.
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, a une certaine tension de polarisation avec l'échantillon et son diamètre est à l'échelle atomique. Étant donné que la probabilité d'effet tunnel électronique a une relation exponentielle négative avec la largeur de la barrière V(r), lorsque la distance entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon est très proche, la barrière entre eux devient très fine et les nuages d'électrons se chevauchent. autre. Lorsqu'une tension est appliquée entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon, les électrons peuvent être transférés de la pointe de l'aiguille à l'échantillon ou de l'échantillon à la pointe de l'aiguille par effet tunnel, formant ainsi un courant tunnel. En enregistrant le changement de courant tunnel entre la pointe de l’aiguille et l’échantillon, des informations sur la morphologie de la surface de l’échantillon peuvent être obtenues.
Par rapport à d’autres technologies 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, de sorte qu'un seul atome puisse être distingué.
(2) L'image tridimensionnelle de la surface dans l'espace réel peut être obtenue en temps réel, ce qui peut être utilisé pour étudier la structure de la surface avec ou sans périodicité, et cette observabilité peut être utilisée pour étudier les processus dynamiques tels que la diffusion de surface. .
(3) La structure de surface locale d'une seule couche atomique peut être observée au lieu des propriétés moyennes d'une image individuelle ou de la surface entière, donc les défauts de surface, la reconstruction de surface, la forme et la position des adsorbants de surface et la reconstruction de surface provoquée par les adsorbants. peut être directement observé.
(4) Il peut fonctionner dans différents environnements tels que le vide, l'atmosphère, la température normale, etc., et même l'échantillon peut être immergé dans l'eau et d'autres solutions, sans technologie spéciale 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 d'échantillons dans différentes conditions expérimentales, telles qu'un mécanisme catalytique hétérogène, un mécanisme supraconducteur, la surveillance des modifications de la surface des électrodes au cours d'une réaction électrochimique, etc.
(5) Grâce à la spectroscopie à effet tunnel (STS), des informations sur la structure électronique de surface peuvent être obtenues, telles que la densité d'états à différents niveaux de la surface, le piège à électrons de surface, le changement de la barrière de surface et la structure de l'espace énergétique. .
