電化學(xué)掃描顯微鏡(SECM)發(fā)明于1989年并獲得美國(guó)認(rèn)證。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一個(gè)工作電極。如果樣品也是導(dǎo)體，則通常作為二個(gè)工作電極。探頭的電位控制在由傳質(zhì)過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)用可以僅用步進(jìn)電機(jī)定位器(CHI900D)來實(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。
技術(shù)參數(shù)：
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
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
測(cè)量電位分辨率：測(cè)量范圍的0.0015%
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*高采樣速率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：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： 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的采樣間隔： 1 ms， 雙通道同步
CC的采樣間隔： 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
