Características da microscopia de varredura por sonda
Quando a história se desenvolveu até a década de 1980, nasceu um novo tipo de instrumento de análise de superfície, a microscopia de varredura por sonda (STM), baseada na física e integrando diversas tecnologias modernas. O STM não só possui alta resolução espacial (até O,1nm horizontalmente e melhor que O,01nm verticalmente), mas também pode observar diretamente a estrutura atômica das superfícies materiais, mas também manipular átomos e moléculas, impondo assim a vontade subjetiva humana à natureza. Pode-se dizer que a microscopia de varredura por sonda é a extensão dos olhos e das mãos humanas e a cristalização da sabedoria humana.
O princípio de funcionamento da microscopia de varredura por sonda é baseado em várias propriedades físicas na faixa microscópica ou mesoscópica. A interação entre os dois é detectada pela varredura da sonda atômica linear extremamente fina acima da superfície do material estudado para obter as características da superfície do material estudado. A principal diferença entre os diferentes tipos de SPMs são as características da ponta e o modo de ação correspondente das amostras da ponta.
O princípio de funcionamento vem do princípio do tunelamento na mecânica quântica. Seu núcleo é uma ponta de agulha que pode escanear a superfície da amostra e possui uma certa tensão de polarização entre ela e a amostra, com diâmetro de escala atômica. Como a probabilidade de tunelamento de elétrons tem uma relação exponencial negativa com a largura da barreira V (r), quando a distância entre a ponta e a amostra é muito próxima, a barreira entre elas torna-se muito fina e a nuvem de elétrons se sobrepõe a cada outro. Aplicando uma tensão entre a ponta e a amostra, os elétrons podem ser transferidos da ponta para a amostra ou da amostra para a ponta através do efeito de tunelamento, formando uma corrente de túnel. Ao registrar as mudanças na corrente do túnel entre a ponta da agulha e a amostra, podem ser obtidas informações sobre a morfologia da superfície da amostra.
Comparado a outras técnicas de análise de superfície, o SPM tem vantagens únicas:
(1) Possui alta resolução em nível atômico. A resolução do STM na direção paralela e perpendicular à superfície da amostra pode atingir 0,1 nm e 0,01 nm, respectivamente, o que pode distinguir átomos individuais.
(2) Podem ser obtidas imagens 3D em tempo real de superfícies no espaço real, que podem ser utilizadas 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 das propriedades médias da imagem individual ou de toda a superfície, portanto, os defeitos superficiais, a reconstrução da superfície, a forma e a posição dos adsorventes de superfície e a superfície a reconstrução causada pelos adsorventes pode ser observada diretamente.
(4) Pode funcionar em diversos ambientes como vácuo, atmosfera e temperatura ambiente, podendo até imergir a amostra em água e outras soluções sem a necessidade de técnicas especiais de preparo de amostra, e o processo de detecção não danifica a amostra. Essas características são particularmente aplicáveis ao estudo de amostras biológicas e à avaliação de superfícies de amostras sob diferentes condições experimentais, como o monitoramento do mecanismo de catálise heterogêneo, mecanismo supercondutor e alterações na superfície do eletrodo durante a reação eletroquímica.
(5) Ao cooperar com a espectroscopia de varredura por tunelamento (STS), informações sobre estruturas eletrônicas de superfície podem ser obtidas, como a densidade de estados em diferentes níveis da superfície, poços de elétrons de superfície, mudanças nas barreiras de potencial de superfície e estruturas de lacunas de energia.
