Quando a história se desenvolveu na década de 1980, nasceu um novo instrumento de análise de superfície baseado na física e integrando uma variedade de tecnologias modernas - o microscópio de sonda de varredura (STM). O STM não só possui uma resolução espacial muito alta (até 0 0,1 nm na direção lateral e melhor que 0,01 nm na direção longitudinal), mas também pode observar diretamente a estrutura atômica da superfície do material e também pode manipular átomos e moléculas, transformando assim o ser humano. A vontade subjetiva é imposta à natureza. Pode-se dizer que o microscópio de sonda de varredura é uma extensão dos olhos e das mãos humanas e a cristalização da sabedoria humana.
O princípio de funcionamento do microscópio de sonda de varredura é baseado em várias propriedades físicas na faixa microscópica ou mesoscópica. A interação entre os dois é detectada através da varredura de uma sonda ultrafina de linhas atômicas acima da superfície da substância em estudo, a fim de obter os resultados da interação entre os dois. Para estudar as propriedades superficiais da matéria, a principal diferença entre os diferentes tipos de SPM são as propriedades da ponta e a forma correspondente de interação ponta-amostra.
O princípio de funcionamento vem do princípio de penetração do túnel na mecânica quântica. Seu núcleo é uma ponta que pode fazer a varredura na superfície da amostra e possui uma certa tensão de polarização entre ele e a amostra. Seu diâmetro está na escala atômica. Como a probabilidade de tunelamento de elétrons tem uma relação exponencial negativa com a largura da barreira de potencial V(r), quando a distância entre a ponta e a amostra é muito próxima, a barreira de potencial torna-se muito fina e as nuvens de elétrons se sobrepõem. Quando uma tensão é aplicada, os elétrons podem ser transferidos da ponta para a amostra ou da amostra para a ponta através do efeito túnel, formando uma corrente de túnel. Ao registrar as mudanças na corrente de tunelamento entre a ponta e a amostra, podem ser obtidas informações sobre a morfologia da superfície da amostra.
Comparado com outras tecnologias de análise de superfície, o SPM tem vantagens únicas:
(1) Com alta resolução em nível atômico. A resolução do STM nas direções paralelas e perpendiculares à superfície da amostra pode atingir 0,1 nm e 0,01 nm, respectivamente, e átomos únicos podem ser resolvidos.
(2) A imagem tridimensional da superfície no espaço real pode ser obtida em tempo real, podendo ser utilizada para estudar estruturas superficiais com ou sem periodicidade. Este desempenho observável pode ser usado para estudar processos dinâmicos, como a difusão superficial.
(3) A estrutura superficial local de uma única camada atômica pode ser observada, em vez da imagem individual ou das propriedades médias de toda a superfície. Portanto, defeitos superficiais, reconstrução superficial, forma e posição dos corpos adsorvidos na superfície e os efeitos causados pelos corpos adsorvidos podem ser observados diretamente. Reconstrução de superfície, etc.
(4) Pode funcionar em diferentes ambientes, como vácuo, atmosfera e temperatura normal, podendo até imergir amostras em água e outras soluções. Nenhuma tecnologia especial de preparação de amostras é necessária e o processo de detecção não danificará as amostras. Esses recursos são particularmente adequados para estudar amostras biológicas e avaliar superfícies de amostras sob diferentes condições experimentais, como monitoramento de mecanismos catalíticos heterogêneos, mecanismos supercondutores e alterações na superfície do eletrodo durante reações eletroquímicas.
(5) Em conjunto com a espectroscopia de varredura por túnel (STS), informações sobre a estrutura eletrônica da superfície podem ser obtidas, como a densidade de estados em diferentes níveis na superfície, armadilhas de elétrons de superfície, mudanças nas barreiras de potencial de superfície e estruturas de lacuna de energia .
