ลักษณะของกล้องจุลทรรศน์โพรบสแกน
เมื่อประวัติศาสตร์พัฒนาไปจนถึงทศวรรษ 1980 เครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิวชนิดใหม่ Scanning Probe Microscopy (STM) ซึ่งใช้หลักฟิสิกส์และบูรณาการเทคโนโลยีสมัยใหม่ต่างๆ ก็ได้ถือกำเนิดขึ้น STM ไม่เพียงแต่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง (สูงถึง O.1nm ในแนวนอนและดีกว่า O.01nm ในแนวตั้ง) แต่ยังสามารถสังเกตโครงสร้างอะตอมของพื้นผิววัสดุได้โดยตรง แต่ยังควบคุมอะตอมและโมเลกุลด้วย ดังนั้นจึงกำหนดเจตจำนงส่วนตัวของมนุษย์ต่อธรรมชาติ อาจกล่าวได้ว่ากล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดแบบสแกนเป็นการต่อขยายของดวงตาและมือของมนุษย์ และการตกผลึกของภูมิปัญญาของมนุษย์
หลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบแบบสแกนนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ในช่วงกล้องจุลทรรศน์หรือกล้องจุลทรรศน์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองถูกตรวจพบโดยการสแกนโพรบอะตอมเชิงเส้นละเอียดมากเหนือพื้นผิวของวัสดุที่ศึกษาเพื่อให้ได้ลักษณะพื้นผิวของวัสดุที่ศึกษา ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง SPM ประเภทต่างๆ คือคุณลักษณะของทิปและรูปแบบการทำงานของตัวอย่างทิปที่สอดคล้องกัน
หลักการทำงานมาจากหลักการขุดอุโมงค์ในกลศาสตร์ควอนตัม แกนกลางของมันคือปลายเข็มที่สามารถสแกนบนพื้นผิวของตัวอย่างและมีแรงดันไบแอสที่แน่นอนระหว่างตัวอย่างกับตัวอย่าง โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับระดับอะตอม เนื่องจากความน่าจะเป็นของการขุดอุโมงค์อิเล็กตรอนมีความสัมพันธ์แบบเลขชี้กำลังเชิงลบกับความกว้างของสิ่งกีดขวาง V (r) เมื่อระยะห่างระหว่างส่วนปลายและตัวอย่างอยู่ใกล้มาก สิ่งกีดขวางระหว่างสิ่งเหล่านั้นจะบางมาก และเมฆอิเล็กตรอนจะซ้อนทับกัน อื่น. เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างทิปกับตัวอย่าง อิเล็กตรอนสามารถถ่ายโอนจากทิปไปยังตัวอย่าง หรือจากตัวอย่างไปยังทิปผ่านเอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์ ทำให้เกิดกระแสในอุโมงค์ ด้วยการบันทึกการเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในอุโมงค์ระหว่างปลายเข็มและตัวอย่าง จึงสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของตัวอย่างได้
เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการวิเคราะห์พื้นผิวอื่นๆ SPM มีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใคร:
(1) มีความละเอียดสูงระดับอะตอม ความละเอียดของ STM ในทิศทางขนานและตั้งฉากกับพื้นผิวตัวอย่างสามารถเข้าถึง 0.1nm และ 0.01nm ตามลำดับ ซึ่งสามารถแยกแยะอะตอมแต่ละตัวได้
(2) สามารถรับภาพ 3 มิติแบบเรียลไทม์ของพื้นผิวในอวกาศจริงได้ ซึ่งสามารถใช้สำหรับศึกษาโครงสร้างพื้นผิวโดยมีหรือไม่มีคาบ ประสิทธิภาพที่สังเกตได้นี้สามารถนำไปใช้ในการศึกษากระบวนการไดนามิก เช่น การแพร่กระจายของพื้นผิว
(3) สามารถสังเกตโครงสร้างพื้นผิวเฉพาะที่ของชั้นอะตอมเดี่ยวได้ แทนที่จะสังเกตคุณสมบัติโดยเฉลี่ยของแต่ละภาพหรือพื้นผิวทั้งหมด ดังนั้นข้อบกพร่องของพื้นผิว การสร้างพื้นผิวใหม่ รูปร่างและตำแหน่งของตัวดูดซับที่พื้นผิว และพื้นผิว การสร้างใหม่ที่เกิดจากตัวดูดซับสามารถสังเกตได้โดยตรง
(4) สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่น สุญญากาศ บรรยากาศ และอุณหภูมิห้อง และแม้แต่จุ่มตัวอย่างลงในน้ำและสารละลายอื่นๆ โดยไม่จำเป็นต้องใช้เทคนิคการเตรียมตัวอย่างพิเศษ และกระบวนการตรวจจับจะไม่สร้างความเสียหายให้กับตัวอย่าง คุณลักษณะเหล่านี้นำไปใช้โดยเฉพาะกับการศึกษาตัวอย่างทางชีวภาพและการประเมินพื้นผิวตัวอย่างภายใต้เงื่อนไขการทดลองที่แตกต่างกัน เช่น การติดตามกลไกการเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน กลไกตัวนำยิ่งยวด และการเปลี่ยนแปลงพื้นผิวอิเล็กโทรดในระหว่างปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า
(5) ด้วยการร่วมมือกับ Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) จึงสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของพื้นผิวได้ เช่น ความหนาแน่นของสถานะในระดับต่างๆ ของพื้นผิว หลุมอิเล็กตรอนที่พื้นผิว การเปลี่ยนแปลงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นที่พื้นผิว และโครงสร้างช่องว่างพลังงาน
