電化學(xué)掃描顯微鏡(SECM)發(fā)明于1989年并獲得美國(guó)。CH Instruments與University of Taxes at Austin的化學(xué)系的Allen J. Bard教授合作實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)掃描顯微鏡的儀器商品化，從而使得這一強(qiáng)有力的研究方法走進(jìn)了更多的實(shí)驗(yàn)室。
掃描電化學(xué)顯微鏡與掃描隧道顯微鏡(STM)的工作原理類(lèi)似。但SECM測(cè)量的不是隧道電流，而是由化學(xué)物質(zhì)氧化或還原給出的電化學(xué)電流。盡管SECM的分辨率較STM低，但SECM的樣品可以是導(dǎo)體，絕緣體或半導(dǎo)體，而STM只限于導(dǎo)體表面的測(cè)量。SECM除了能給出樣品表面的地形地貌外，還能提供豐富的化學(xué)信息。其可觀察表面的范圍也大得多。
在SECM的實(shí)驗(yàn)中，探頭先移動(dòng)到非?？拷鼧悠繁砻?，然后在X-Y的平面上掃描。探頭是雙恒電位儀的個(gè)工作電極。如果樣品也是導(dǎo)體，則通常作為第二個(gè)工作電極。探頭的電位控制在由傳質(zhì)過(guò)程控制的氧化或還原的電位。而樣品的電位被控制在其逆反應(yīng)的電位。由于探頭很靠近樣品，探頭上的反應(yīng)產(chǎn)物擴(kuò)散到樣品表面又被反應(yīng)成為原始反應(yīng)物并回到探頭表面再作用，從而造成電流的增加。這被稱(chēng)為＂正反饋＂方式。正反饋的程度取決于探頭和樣品間的距離。如果樣品是絕緣體，當(dāng)探頭靠近樣品時(shí)，反應(yīng)物到電極表面的擴(kuò)散流量受到樣品的阻礙而造成電流的減少。這被稱(chēng)為＂負(fù)反饋＂方式。負(fù)反饋的程度亦取決于探頭和樣品間的距離。探頭電流和探頭與導(dǎo)體或絕緣體樣品間的距離的關(guān)系可通過(guò)現(xiàn)有理論計(jì)算得到。
基于以上特性，SECM已在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了許多應(yīng)用。SECM能被用于觀察樣品表面的化學(xué)或生物活性分布，亞單分子層吸附的均勻性，測(cè)量快速異相電荷傳遞的速度，一級(jí)或二級(jí)隨后反應(yīng)的速度，酶-中間體催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，膜中離子擴(kuò)散，溶液/膜界面以及液/液界面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。SECM還被用于單分子的檢測(cè)，酶和脫氧核糖核酸的成像，光合作用的研究，腐蝕研究，化學(xué)修飾電極膜厚的測(cè)量，納米級(jí)刻蝕，沉積和加工，等等。SECM的許多應(yīng)用或是其他方法無(wú)法取代的，或是用其他方法很難實(shí)現(xiàn)的。
CHI900D/920DSECM是CHI900C/920C的改進(jìn)型。儀器由雙恒電位儀/恒電流儀，高分辨的三維定位裝置，和樣品／電解池架子組成。三維定位裝置采用步進(jìn)電機(jī)(CHI900D)或者步進(jìn)電機(jī)與壓電晶體的組合(CHI920D)，可允許50毫米的運(yùn)行距離并達(dá)到納米的空間分辨。與CHI900B/910B采用的步進(jìn)電機(jī)相比，新的步進(jìn)電機(jī)的線性度和分辨率都明顯改善。步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的分辨率可達(dá)4納米。這使得大部分SECM的應(yīng)用可以?xún)H用步進(jìn)電機(jī)定位器(CHI900D)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而進(jìn)一步降低了儀器的價(jià)格。在需要不斷調(diào)整定位器而達(dá)到電流控制或其它控制的情況下，可采用步進(jìn)電機(jī)與壓電晶體閉環(huán)控制定位器的組合(CHI920D)。CHI920D的壓電晶體閉環(huán)控制定位器為XYZ三維空間。
雙恒電儀集成了數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和高分辨數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電位范圍為±10V，電流范圍為±250mA。儀器的噪聲極低，其電流測(cè)量可低于1pA。兩個(gè)工作電極的電位可單獨(dú)控制，也允許同步掃描或階躍。與CHI900B相比，CHI900D在保持低噪聲的條件下，速度大為提高。信號(hào)發(fā)生器的更新速率為10MHz，數(shù)據(jù)采集采用兩個(gè)同步16位高分辨低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，雙通道同時(shí)采樣的速率為1MHz。循環(huán)伏安法的掃描速度為1000V/s時(shí)，電位增量?jī)H0.1mV，當(dāng)掃描速度為5000V/s時(shí)，電位增量為1mV。儀器增加了交流測(cè)量方法，如交流阻抗的測(cè)量頻率可達(dá)1MHz，交流伏安法的頻率可達(dá)10KHz。CHI900D仍具備恒電流儀，正反饋iR降補(bǔ)償，用于旋轉(zhuǎn)電極轉(zhuǎn)速控制的模擬電壓輸出信號(hào)(0-10V)，外部信號(hào)輸入通道，以及一個(gè)16位高分辨高穩(wěn)定的電流偏置電路。
除了SECM成像以外，儀器還提供探頭掃描曲線，探頭逼近曲線和表面成像處理。探頭可沿X，Y，或Z的方向掃描，探頭和第二工作電極的電位可獨(dú)立控制并分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道的電流。當(dāng)電流達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，探頭會(huì)停止掃描。探頭逼近表面時(shí)采用PID控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)移動(dòng)步長(zhǎng)使得快速逼近但又避免探頭碰撞樣品表面。儀器的控制軟件是多用戶界面的視窗程序，十分友好易用。儀器的其他特點(diǎn)還包括靈活的實(shí)驗(yàn)控制，數(shù)據(jù)分析，并集成了三維圖形。除了電流檢測(cè)方式，探頭的電位也能被檢測(cè)，從而允許用電位法做SECM。儀器還允許多種常規(guī)電化學(xué)測(cè)量方法。
| 硬件參數(shù)指標(biāo)
高分辨的三維定位裝置： 步進(jìn)電機(jī)XYZ分辨率：8nm (CHI900D) 步進(jìn)電機(jī)加閉環(huán)壓電晶體XYZ分辨率：1.6nm (CHI920D) XYZ移動(dòng)距離：50 mm
恒電位儀/雙恒電位儀 · 零阻電流計(jì) · 2，3，4電極結(jié)構(gòu) · 浮動(dòng)地線或?qū)嵉?/span> · 兩個(gè)通道電位范圍： ±10 V · 電流：±250 mA 連續(xù)（兩個(gè)通道電流之和）, ±350 mA 峰值 · 槽壓：±13 V · 恒電位儀上升時(shí)間： 小于 1 ms, 通常 0.8 ms · 恒電位儀帶寬（-3分貝）：1 MHz · 所加電位范圍：±10 mV, ±50 mV, ±100 mV, ±650 mV, ±3.276 V, ±6.553 V, ±10 V · 所加電位分辨：電位范圍的0.0015% · 所加電位準(zhǔn)確度： ±1 mV,±滿量程的0.01% · 所加電位噪聲：< 10 mV 均方根植 · 測(cè)量電流范圍：±10 pA 至 ±0.25 A， 12量程 · 測(cè)量電流分辨：電流量程的0.0015%， 0.3 fA · 電流測(cè)量準(zhǔn)確度：電流靈敏度大于等于1e-6 A/V時(shí)為0.2%，其他量程1% · 輸入偏置電流：< 10 pA
恒電流儀 · 恒電流范圍： 3 nA – 250 mA · 所加電流準(zhǔn)確度：如果電流大于 3e-7A時(shí)為0.2%，其他范圍為1%，±20 pA · 所加電流分辨率：電流范圍的0.03% · 測(cè)量電流范圍： ±0.025 V, ±0.1 V, ±0.25 V, ±1 V, ±2.5 V, ±10 V
Electrometer: 電位計(jì) · 參比電極輸入阻抗：1e12 歐姆 · 參比電極輸入帶寬： 10 MHz · 參比電極輸入偏置電流：<= 10 pA @ 25°C
波形發(fā)生和數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng) · 快速信號(hào)發(fā)生更新速率：10 MHz， 16位分辨 · 快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：16位分辨，雙通道同步采樣，采樣速率每秒1,000,000 點(diǎn) · 外部信號(hào)記錄通道采樣速率1M Hz
其他特點(diǎn) · 自動(dòng)或手動(dòng)iR降補(bǔ)償 · 電流測(cè)量偏置：滿量程，16位分辨，0.003% 準(zhǔn)確度 · 電位測(cè)量偏置：±10V，16位分辨，0.003% 準(zhǔn)確度 · 外部電位輸入 · 電位和電流的模擬輸出 · 可控電位濾波器的截止頻率： 1.5 MHz, 150 KHz, 15 KHz, 1.5 KHz, 150 Hz, 15 Hz, 1.5 Hz, 0.15 Hz · 可控信號(hào)濾波器的截止頻率： 1.5 MHz, 150 KHz, 15 KHz, 1.5 KHz, 150 Hz, 15 Hz, 1.5 Hz, 0.15 Hz · 旋轉(zhuǎn)電極控制電壓輸出（CHI630E以上型號(hào)）：0-10V 對(duì)用于 0-10000 rpm的轉(zhuǎn)速，16位分辨，0.003% 準(zhǔn)確度，需要某些旋轉(zhuǎn)電極裝置才能工作 · 通過(guò)宏命令可以控制數(shù)字輸入輸出線 · 內(nèi)閃存儲(chǔ)器可迅速更新程序 · 串行口或USB口數(shù)據(jù)通訊 · 電解池控制：通氮,攪拌,敲擊（需要特殊電解池系統(tǒng)） · CV數(shù)字模擬器和擬合器。用戶定義反應(yīng)機(jī)理 · 交流阻抗模擬器和擬合器 · 探頭逼近曲線的模擬和擬合 · 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：256,000-16,384,000 點(diǎn)可選擇 · 儀器尺寸：兩個(gè) 37 cm (寬) ′ 23 cm (深) ′ 12 cm (高) · 儀器重量: 7 kg | | 實(shí)驗(yàn)技術(shù)
掃描探頭技術(shù)： 表面成象處理 (SPC) 探頭掃描曲線 (PSC，X，Y，Z方向) 探頭逼近曲線 (PAC) 掃描電化學(xué)顯微鏡 (SECM) PSC和SECM允許電流，電位，常電流，阻抗檢測(cè)
電位掃描技術(shù): 循環(huán)伏安法 (CV) 線性掃描伏安法 (LSV) TAFEL圖 (TAFEL)
電位階躍和脈沖技術(shù): 計(jì)時(shí)電流法 (CA) 計(jì)時(shí)電量法 (CC) 階梯波伏安法 (SCV) 差分脈沖伏安法 (DPV) 常規(guī)脈沖伏安法 (NPV) 差分常規(guī)脈沖伏安法 (DNPV) 方波伏安法 (SWV)
交流技術(shù): 交流伏安法 (ACV) 二次諧波交流伏安法 (SHACV) 傅里葉變換交流伏安法 (FTACV) 交流阻抗 (IMP) 交流阻抗-電位 (IMPE) 交流阻抗-時(shí)間 (IMPT)
恒電流技術(shù): 計(jì)時(shí)電位法 (CP) 電流掃描計(jì)時(shí)電位法 (CPCR) 多電流階躍 (ISTEP) 電位溶出分析 (PSA)
其它電化學(xué)測(cè)量技術(shù): 時(shí)間-電流曲線 (i-t) 差分脈沖安培法 (DPA) 雙差分脈沖安培法 (DDPA) 三脈沖安培法 (TPA) 積分脈沖電流檢測(cè) (IPAD) 掃描-階躍混和方法 (SSF) 多電位階躍 (STEP) 流體力學(xué)調(diào)制伏安法 (HMV) 控制電位電解庫(kù)侖法 (BE) 電化學(xué)噪聲測(cè)量 (ECN) 各種溶出伏安法 開(kāi)路電位-時(shí)間曲線 (OCPT)
實(shí)驗(yàn)參數(shù) · CV和LSV掃描速度： 0.000001V/s 至 10,000 V/s，雙通道同步掃描及采樣至10,000 V/s · 掃描時(shí)的電位增量：0.1 mV （當(dāng)掃速為 1,000 V/s時(shí)） · CA和CC的脈沖寬度： 0.0001 至 1000 sec · CA的最小采樣間隔： 1 ms， 雙通道同步 · CC的最小采樣間隔： 1 ms · CC模擬積分器 · DPV和NPV的脈沖寬度：0.001 至 10 sec · SWV頻率： 1 至 100 kHz · i-t 的最小采樣間隔： 1 ms， 雙通道同步 · ACV頻率范圍：0.1 至 10 kHz · SHACV頻率范圍：0.1 至 5 kHz · FTACV頻率范圍：0.1 至 50Hz，可同時(shí)獲取基波，二次諧波，三次諧波，四次諧波，五次諧波，六次諧波的ACV數(shù)據(jù) · 交流阻抗： 0.00001 至 1 MHz · 交流阻抗波形幅度： 0.00001 V 至 0.7 V 均方根值 |
