ประโยชน์พิเศษของกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน
คำนำ:
เมื่อประวัติศาสตร์พัฒนาไปในทศวรรษ 1980 เครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิวรูปแบบใหม่ที่ใช้หลักฟิสิกส์และบูรณาการเทคโนโลยีสมัยใหม่อันหลากหลายได้ถือกำเนิดขึ้น นั่นคือกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน (STM) STM ไม่เพียงแต่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูงเท่านั้น (สูงถึง O.1 นาโนเมตรในทิศทางตามขวาง และดีกว่า O.01 นาโนเมตรในทิศทางตามยาว) ซึ่งสามารถสังเกตได้โดยตรง ไม่เพียงแต่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูงเท่านั้น (O.1 นาโนเมตรในแนวนอน และ O.01 นาโนเมตรในแนวตั้ง) มันสามารถสังเกตโครงสร้างอะตอมบนพื้นผิวของสสารได้โดยตรง แต่ยังสามารถจัดการอะตอมและโมเลกุลได้ด้วย ดังนั้นจึงใช้เจตจำนงส่วนตัวของมนุษย์ต่อธรรมชาติ อาจกล่าวได้ว่ากล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดเป็นการต่อขยายของดวงตาและมือของมนุษย์ และเป็นการตกผลึกของภูมิปัญญาของมนุษย์
หลักการทำงานของการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ในช่วงกล้องจุลทรรศน์หรือกล้องจุลทรรศน์ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างสิ่งเหล่านี้จะถูกตรวจจับโดยใช้โพรบละเอียดมากของการสแกนความเป็นเส้นตรงของอะตอมเหนือพื้นผิวของสารที่กำลังศึกษา เพื่อที่จะ รับคุณสมบัติพื้นผิวของสารภายใต้การศึกษา ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง SPM ประเภทต่างๆ อยู่ที่ความแตกต่างในลักษณะของเข็มและวิธีการโต้ตอบกับตัวอย่างของเข็มที่สอดคล้องกัน
หลักการทำงานได้มาจากการขุดอุโมงค์ผ่านหลักการในกลศาสตร์ควอนตัม ที่แกนกลางของมันคือปลายที่สามารถสแกนบนพื้นผิวตัวอย่างด้วยแรงดันไบแอสที่แน่นอนระหว่างตัวอย่างกับตัวอย่าง และมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ที่ระดับอะตอม เนื่องจากโอกาสของการเกิดอุโมงค์อิเล็กตรอนแสดงความสัมพันธ์แบบเอกซ์โปเนนเชียลเป็นลบกับความกว้างของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น V(r) เมื่อระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับตัวอย่างอยู่ใกล้กันมาก สิ่งกีดขวางที่เป็นไปได้ระหว่างสิ่งกีดขวางเหล่านี้จะบางมาก และ เมฆอิเล็กตรอนซ้อนทับกัน และโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างปลายเข็มกับตัวอย่าง อิเล็กตรอนสามารถถูกถ่ายโอนจากปลายเข็มไปยังตัวอย่าง หรือจากตัวอย่างไปยังปลายเข็มผ่านเอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์เพื่อสร้างอุโมงค์ ปัจจุบัน. ด้วยการบันทึกการเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำในอุโมงค์ระหว่างส่วนปลายและตัวอย่าง จึงสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของตัวอย่างได้
SPM มีข้อได้เปรียบเหนือเทคนิคการวิเคราะห์พื้นผิวอื่นๆ เป็นพิเศษ:
(1) ความละเอียดสูงในระดับอะตอม โดยมีความละเอียด 0.1 นาโนเมตรในแบบขนาน และ 0.01 นาโนเมตรในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวตัวอย่าง ซึ่งแต่ละอะตอมสามารถแก้ไขได้
(2) ภาพสามมิติของพื้นผิวในอวกาศจริงสามารถรับได้แบบเรียลไทม์ ซึ่งสามารถใช้สำหรับการศึกษาโครงสร้างพื้นผิวแบบเป็นงวดหรือไม่เป็นงวด และประสิทธิภาพที่สังเกตได้นี้สามารถใช้สำหรับการศึกษากระบวนการไดนามิก เช่น การแพร่กระจายของพื้นผิว
(3) มีความเป็นไปได้ที่จะสังเกตโครงสร้างพื้นผิวเฉพาะที่ของชั้นอะตอมเดี่ยว แทนที่จะสังเกตภาพแต่ละภาพหรือลักษณะโดยเฉลี่ยของพื้นผิวทั้งหมด ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะสังเกตข้อบกพร่องของพื้นผิว การสร้างพื้นผิวใหม่ สัณฐานวิทยา และตำแหน่งของ ตัวดูดซับที่พื้นผิวและการสร้างพื้นผิวใหม่ที่เกิดจากตัวดูดซับ
(4) สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่น สุญญากาศ บรรยากาศ อุณหภูมิห้อง ฯลฯ และยังจุ่มตัวอย่างลงในน้ำและสารละลายอื่นๆ ได้อีกด้วย ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เทคนิคพิเศษในการสุ่มตัวอย่าง และไม่สร้างความเสียหายให้กับตัวอย่างระหว่างการตรวจจับ กระบวนการ. คุณสมบัติเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาตัวอย่างทางชีวภาพและการประเมินพื้นผิวตัวอย่างภายใต้เงื่อนไขการทดลองที่แตกต่างกัน เช่น สำหรับกลไกการเร่งปฏิกิริยาแบบหลายเฟส กลไกการนำยิ่งยวด และการติดตามการเปลี่ยนแปลงพื้นผิวอิเล็กโทรดในระหว่างปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า
(5) เมื่อใช้ร่วมกับการสแกนอุโมงค์สเปกโทรสโกปี (STS) สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของพื้นผิวได้ เช่น ความหนาแน่นของสถานะในระดับต่างๆ ของพื้นผิว กับดักอิเล็กตรอนที่พื้นผิว ความแปรผันของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นที่พื้นผิว และโครงสร้างช่องว่างพลังงาน
