走査型プローブ顕微鏡の特徴
歴史が1980年代に発展すると、物理学に基づき、現代のさまざまな技術を統合した新しいタイプの表面分析装置である走査型プローブ顕微鏡（STM）が誕生しました。 STM は高い空間分解能 (水平方向に最大 0.1nm、垂直方向に 0.01nm を超える) を備えているだけでなく、物質表面の原子構造を直接観察できるだけでなく、原子や分子を操作して、人間の主観的な意志を自然に課すこともできます。 走査型プローブ顕微鏡は人間の目と手の延長であり、人類の知恵の結晶であると言えます。
走査型プローブ顕微鏡の動作原理は、顕微鏡またはメゾスコピック範囲のさまざまな物理的特性に基づいています。 両者間の相互作用は、原子線状の極細プローブを対象材料の表面上で走査することによって検出され、対象材料の表面特性が取得されます。 異なるタイプの SPM の主な違いは、チップの特性と、それに対応するチップ サンプルの作用モードです。
動作原理は量子力学のトンネル原理に由来しています。 そのコアは、原子スケールの直径を持ち、サンプルの表面を走査することができ、サンプルとの間に特定のバイアス電圧を持つ針の先端です。 電子トンネリングの確率は障壁の幅 V (r) と負の指数関数的な関係にあるため、探針と試料の間の距離が非常に近い場合、それらの間の障壁は非常に薄くなり、電子雲はそれぞれの領域に重なり合います。他の。 チップとサンプルの間に電圧を印加すると、トンネル効果によって電子がチップからサンプルへ、またはサンプルからチップへ移動し、トンネル電流が形成されます。 針先と試料間のトンネル電流の変化を記録することで、試料の表面形態に関する情報を得ることができます。
他の表面解析手法と比較して、SPM には次のような独自の利点があります。
(1) 原子レベルの高い分解能を持っています。 サンプル表面に平行な方向と垂直な方向の STM の分解能は、それぞれ 0.1nm と 0.01nm に達し、個々の原子を識別できます。
(2) 実空間の表面のリアルタイム 3D 画像を取得でき、周期性の有無にかかわらず表面構造の研究に使用できます。 この観察可能なパフォーマンスは、表面拡散などの動的プロセスの研究に使用できます。
(3) 個々の画像や表面全体の平均的な特性ではなく、単一原子層の局所的な表面構造を観察できるため、表面欠陥、表面再構成、表面吸着剤の形状と位置、および表面吸着剤による再構成を直接観察できます。
(4) 真空、大気、室温などのさまざまな環境で動作し、特別なサンプル前処理技術を必要とせずにサンプルを水やその他の溶液に浸漬することもでき、検出プロセスによりサンプルが損傷することはありません。 これらの特性は、生体サンプルの研究や、不均一触媒機構、超伝導機構、電気化学反応中の電極表面の変化のモニタリングなど、さまざまな実験条件下でのサンプル表面の評価に特に適用できます。
(5) 走査トンネル分光法(STS)と連携することで、表面のさまざまな準位における状態密度、表面電子井戸、表面ポテンシャル障壁の変化、エネルギーギャップ構造など、表面電子構造に関する情報を得ることができます。
