Atomic-scale characteristics of surfaces, including their structure, chemical reactivity, and electronic properties, determine their roles in multiple fields of science and technology, e.g., as coatings, catalysts, and device components. As such, it is of utmost importance to study the atomic arrangement and atomic-scale physico-chemical properties of surfaces in real space in a robust and reliable manner. A powerful technique for achieving this goal is scanning probe microscopy (SPM). Here, we present an overview of SPM-based techniques for atomic-resolution surface imaging and spectroscopy and highlight selected advances in the field. We also discuss current challenges of SPM-based techniques for atomic-resolution surface studies.
REFERENCES
1.
2.
3.
J.-X.
Yin
, S. H.
Pan
, and M. Z.
Hasan
, Nat. Rev. Phys.
3
, 249
(2021
). 4.
W.
Ko
, C.
Ma
, G. D.
Nguyen
, M.
Kolmer
, and A.-P.
Li
, Adv. Funct. Mater.
29
, 1903770
(2019
). 5.
T.
Zambelli
, J.
Trost
, J.
Wintterlin
, and G.
Ertl
, Phys. Rev. Lett.
76
, 795
(1996
). 6.
K. S.
Novoselov
et al, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
, 10451
(2005
). 7.
K.
Nienhaus
and G. U.
Nienhaus
, J. Mol. Biol.
428
, 308
(2016
). 8.
J. I.
Goldstein
, D. E.
Newbury
, J. R.
Michael
, N. W. M.
Ritchie
, J. H. J.
Scott
, and D. C.
Joy
, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis
(Springer
, New York
, 2017
).9.
D. B.
Williams
and C. B.
Carter
, The Transmission Electron Microscope
(Springer
, New York, 1996
). 10.
G.
Binnig
, H.
Rohrer
, C.
Gerber
, and E.
Weibel
, Phys. Rev. Lett.
49
, 57
(1982
). 11.
J.
Chen
, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy
, 3rd ed.
(Oxford University
, New York, 2021
).12.
G.
Binnig
, C. F.
Quate
, and C.
Gerber
, Phys. Rev. Lett.
56
, 930
(1986
). 13.
14.
15.
J.
Tersoff
and D. R.
Hamann
, Phys. Rev. Lett.
50
, 1998
(1983
). 16.
17.
G.
Binnig
, H.
Rohrer
, C.
Gerber
, and E.
Weibel
, Phys. Rev. Lett.
50
, 120
(1983
). 18.
K.
Takayanagi
, Y.
Tanishiro
, S.
Takahashi
, and M.
Takahashi
, Surf. Sci.
164
, 367
(1985
). 19.
K. D.
Brommer
, M.
Needels
, B.
Larson
, and J. D.
Joannopoulos
, Phys. Rev. Lett.
68
, 1355
(1992
). 20.
G.
Binnig
, H.
Fuchs
, C.
Gerber
, H.
Rohrer
, E.
Stoll
, and E.
Tosatti
, EPL
1
, 31
(1986
). 21.
S. A.
Elrod
, A.
Bryant
, A. L.
Delozanne
, S.
Park
, D.
Smith
, and C. F.
Quate
, IBM J. Res. Dev.
30
, 387
(1986
). 22.
M. F.
Crommie
, C. P.
Lutz
, and D. M.
Eigler
, Science
262
, 218
(1993
). 23.
C. G.
Slough
, W. W.
McNairy
, R. V.
Coleman
, B.
Drake
, and P. K.
Hansma
, Phys. Rev. B
34
, 994
(1986
). 24.
25.
26.
27.
Y.
Niimi
, T.
Matsui
, H.
Kambara
, K.
Tagami
, M.
Tsukada
, and H.
Fukuyama
, Phys. Rev. B
73
, 085421
(2006
). 28.
J.
Repp
, G.
Meyer
, F. E.
Olsson
, and M.
Persson
, Science
305
, 493
(2004
). 29.
30.
31.
M.
Liu
et al, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
119
, e2207681119
(2022
). 32.
33.
34.
S.
Colonna
, F.
Ronci
, A.
Cricenti
, L.
Perfetti
, H.
Berger
, and M.
Grioni
, Phys. Rev. Lett.
94
, 36405
(2005
). 35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
S.
Baumann
, W.
Paul
, T.
Choi
, C. P.
Lutz
, A.
Ardavan
, and A. J.
Heinrich
, Science
350
, 417
(2015
). 43.
44.
M.
Labayen
, C.
Ramirex
, W.
Schattke
, and O. M.
Magnussen
, Nat. Mater.
2
, 783
(2003
). 45.
46.
S.
Loth
, M.
Etzkorn
, C. P.
Lutz
, D. M.
Eigler
, and A. J.
Heinrich
, Science
329
, 1628
(2010
). 47.
T. L.
Cocker
, D.
Peller
, P.
Yu
, J.
Repp
, and R.
Huber
, Nature
539
, 263
(2016
). 48.
J. H. K.
Pfisterer
, Y.
Liang
, O.
Schneider
, and A. S.
Bandarenka
, Nature
549
, 74
(2017
). 49.
A.
Schwarz
, W.
Allers
, U. D.
Schwarz
, and R.
Wiesendanger
, Phys. Rev. B
62
, 13617
(2000
). 50.
S.
Hembacher
, F. J.
Giessibl
, and J.
Mannart
, Science
305
, 380
(2004
). 51.
S. E.
Cross
, Y.-S.
Jin
, J.
Rao
, and J. K.
Gimzewski
, Nat. Nanotechnol.
2
, 780
(2007
). 52.
J. J.
Mazo
, D.
Dietzel
, A.
Schirmeisen
, J. G.
Vilhena
, and E.
Gnecco
, Phys. Rev. Lett.
118
, 246101
(2017
). 53.
Q.
Li
, T. E.
Tullis
, D.
Goldsby
, and R. W.
Carpick
, Nature
480
, 233
(2011
). 54.
Y.
Gan
, E. J.
Wanless
, and G. V.
Franks
, Surf. Sci.
601
, 1064
(2007
). 55.
G.
Binnig
, C.
Gerber
, E.
Stoll
, T. R.
Albrecht
, and C. F.
Quate
, EPL
3
, 1281
(1987
). 56.
57.
58.
59.
H.
Ueyama
, M.
Ohta
, Y.
Sugawara
, and S.
Morita
, Jpn. J. Appl. Phys.
34
, L1086
(1995
). 60.
61.
L.
Gross
, F.
Mohn
, N.
Moll
, P.
Liljeroth
, and G.
Meyer
, Science
325
, 1110
(2009
). 62.
63.
Y.
Sugimoto
, M.
Abe
, S.
Hirayama
, N.
Oyabu
, O.
Custance
, and S.
Morita
, Nat. Mater.
4
, 156
(2005
). 64.
65.
M.
Ternes
, C. P.
Lutz
, C. F.
Hirjibehedin
, F. J.
Giessibl
, and A. J.
Heinrich
, Science
319
, 1066
(2008
). 66.
67.
68.
K.
Kaiser
, L. M.
Scriven
, F.
Schulz
, P.
Gawel
, L.
Gross
, and H. L.
Anderson
, Science
365
, 1299
(2019
). 69.
70.
71.
M. Z.
Baykara
, in Surface Science Tools for Nanomaterials Characterization
(Springer
, Heidelberg, 2015
), pp. 273
–316
.72.
73.
74.
M.
Wagner
, B.
Meyer
, M.
Setvin
, M.
Schmid
, and U.
Diebold
, Nature
592
, 722
(2021
). 75.
L.
Gross
, F.
Mohn
, P.
Liljeroth
, J.
Repp
, F. J.
Giessibl
, and G.
Meyer
, Science
324
, 1428
(2009
). 76.
77.
78.
79.
80.
81.
82.
R.
Sonnenfeld
and P. K.
Hansma
, Science
232
, 211
(1986
). 83.
84.
Y.-F.
Geng
, P.
Li
, J.-Z.
Li
, X.-M.
Zhang
, Q.-D.
Zeng
, and C.
Wang
, Coord. Chem. Rev.
337
, 145
(2017
). 85.
Q.
Ferreira
, C. L.
Delfino
, J.
Morgado
, and L.
Alcácer
, Materials
12
, 382
(2019
). 86.
A.
Ciesielski
, M.
El Garah
, S.
Haar
, P.
Kovaříček
, J. M.
Hehn
, and P.
Samori
, Nat. Chem.
6
, 1017
(2014
). 87.
R.
Wen
, B.
Rahn
, and O. M.
Magnussen
, J. Phys. Chem. C
120
, 15765
(2016
). 88.
89.
A.
Taranovskyy
, T.
Tansel
, and O. M.
Magnussen
, Phys. Rev. Lett.
104
, 106101
(2010
). 90.
B.
Hulsken
, J. W.
Gerritsen
, and S.
Speller
, Surf. Sci.
580
, 95
(2005
). 91.
S.
Manne
, H. J.
Butt
, S. A. C.
Gould
, and P. K.
Hansma
, Appl. Phys. Lett.
56
, 1758
(1990
). 92.
O.
Marti
, B.
Drake
, and P. K.
Hansma
, Appl. Phys. Lett.
51
, 484
(1987
). 93.
94.
T.
Fukuma
, K.
Kobayashi
, K.
Matsushige
, and H.
Yamada
, Appl. Phys. Lett.
87
, 034101
(2005
). 95.
T.
Fukuma
, M. J.
Higgins
, and S. P.
Jarvis
, Phys. Rev. Lett.
98
, 106101
(2007
). 96.
T.
Ichii
, M.
Negami
, and H.
Sugimura
, J. Phys. Chem. C
118
, 26803
(2014
). 97.
98.
99.
D.
Martin-Jimenez
, E.
Chacon
, P.
Tarazona
, and R.
Garcia
, Nat. Commun.
7
, 12164
(2016
). 100.
101.
102.
D. S.
Wastl
, A. J.
Weymouth
, and F. J.
Giessibl
, ACS Nano
8
, 5233
(2014
). 103.
K.
Pürckhauer
, S.
Maier
, A.
Merkel
, D.
Kirpal
, and F. J.
Giessibl
, Rev. Sci. Instrum.
91
, 083701
(2020
). 104.
105.
B. J.
McIntyre
, M. B.
Salmeron
, and G. A.
Somorjai
, Catal. Lett.
14
, 263
(1992
). 106.
F.
Tao
, D.
Tang
, M.
Salmeron
, and G. A.
Somorjai
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 084101
(2008
). 107.
108.
A. J.
Weymouth
, D.
Wastl
, and F. J.
Giessibl
, J. Surf. Sci. Nanotechnol.
16
, 351
(2018
). 109.
D. S.
Wastl
, M.
Judmann
, A. J.
Weymouth
, and F. J.
Giessibl
, ACS Nano
9
, 3858
(2015
). 110.
S. A.
Sumaiya
, J.
Liu
, and M. Z.
Baykara
, ACS Nano
16
, 20086
(2022
). 111.
N.
Severin
et al, Phys. Rev. Res.
4
, 023149
(2022
). 112.
D. P. E.
Smith
, G.
Binnig
, and C. F.
Quate
, Appl. Phys. Lett.
49
, 1166
(1986
). 113.
M.
Enachescu
, D.
Schleef
, and D. F.
Ogletree
, Phys. Rev. B
60
, 16913
(1999
). 114.
115.
W.
Frammelsberger
, G.
Benstetter
, J.
Kiely
, and R.
Stamp
, Appl. Surf. Sci.
253
, 3615
(2007
). 116.
117.
K.
Nowakowski
, H. J. W.
Zandvliet
, and P.
Bampoulis
, Nano Lett.
19
, 1190
(2018
). 118.
119.
V. V.
Korolkov
, M.
Baldoni
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, E.
Besley
, and P. H.
Beton
, Nat. Chem.
9
, 1191
(2017
). 120.
2023 Published under an exclusive license by the AVS.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.