走査プローブ顕微鏡のユニークな利点

走査プローブ顕微鏡のユニークな利点

走査プローブ顕微鏡の動作原理は、ミクロまたはメソスコピック範囲のさまざまな物理的特性に基づいており、それらの間の相互作用は、調査対象の物質の表面上を走査する原子の直線性の非常に細いプローブによって検出され、調査対象の物質の表面特性を取得します。異なるタイプの SPM 間の主な違いは、針の特性と、針のサンプルと相互作用する方法の違いにあります。

動作原理は量子力学のトンネル原理に由来する。その核となるのは、試料との間に一定のバイアス電圧を印加することで試料表面を走査できる、直径が原子スケールのチップである。電子のトンネル確率はポテンシャル障壁の幅 V(r) と負の指数関係にあるため、針先と試料の距離が非常に近い場合、それらの間のポテンシャル障壁は非常に薄くなり、電子雲が重なり合う。針先と試料の間に電圧を印加すると、トンネル効果により電子がチップから試料へ、または試料から針先へ移動し、トンネル電流が形成される。チップ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る。

SPM には、他の表面分析技術に比べて次のような独自の利点があります。
（１）原子レベルでの高解像度、試料表面に対して平行方向には0.1nm、垂直方向には0.01nmの解像度があり、個々の原子を分離することができます。

（２）実空間における表面の３次元画像をリアルタイムで取得することができ、周期的または非周期的な表面構造の研究に利用することができ、この観測可能な性能は表面拡散などの動的プロセスの研究に利用することができる。

（３）表面全体の個別の像や平均的な性質ではなく、原子層単位の局所的な表面構造を観察することが可能であり、表面欠陥、表面再構成、表面吸着物の形態や位置、吸着物による表面再構成を直接観察することが可能である。

（4）真空、大気、室温などのさまざまな環境で動作し、サンプルを水やその他の溶液に浸すことさえできるため、特別なサンプリング技術を必要とせず、検出プロセス中にサンプルを損傷しません。これらの特徴は、多相触媒メカニズム、超伝導メカニズム、電気化学反応中の電極表面変化のモニタリングなど、生物学的サンプルの研究や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しています。

（５）走査トンネル分光法（STS）と組み合わせることで、表面の異なるレベルでの状態密度、表面電子トラップ、表面電位障壁の変化、エネルギーギャップ構造など、表面の電子構造に関する情報を得ることができる。