Tunelski mikroskop: istorija stvaranja, uređaj i princip rada

Tunelski mikroskop je izuzetno moćan alat za proučavanje elektronske strukture čvrstih sistema. Njegove topografske slike pomažu u primjeni metoda površinske analize sa hemijskim specifičnostima, što dovodi do strukturne definicije površine. Možete naučiti o uređaju, funkcijama i značenju, kao i vidjeti fotografije tunelskog mikroskopa u ovom članku.

Kreatori

Prije pronalaska takvog mikroskopa, mogućnosti proučavanja atomske strukture površina uglavnom su bile ograničene na metode difrakcije korištenjem rendgenskih zraka, elektrona, iona i drugih čestica. Do otkrića je došlo kada su Švicarski fizičari Gerd Binnig i Heinrich Rohrer razvili prvi tunelski mikroskop. Za svoju prvu sliku odabrali su zlatnu površinu. Kada je slika prikazana na ekranu televizijskog monitora, vidjeli su redove precizno raspoređenih atoma i posmatrali široke terase odvojene koracima visokim jedan atom. Binnig i Rohrer otkrili su jednostavnu metodu za stvaranje direktne slike atomske strukture površina. Njihovo impresivno dostignuće prepoznato je Nobelovom nagradom za fiziku 1986. godine.

Prethodnik

Sličan mikroskop pod nazivom Topografiner izumili su Russell Young i njegove kolege između 1965. i 1971. u Nacionalnom Birou za standarde. Trenutno je to Nacionalni institut za standarde i tehnologije. Ovaj mikroskop radi po principu da lijevi i desni piezo drajveri skeniraju vrh iznad i malo iznad površine uzorka. Centralni serverski pogon koji kontroliše piezo kontroliše serverski sistem radi održavanja konstantnog napona. To rezultira stalnim vertikalnim razdvajanjem između vrha i površine. Elektronski multiplikator detektuje mali deo tunelske struje koja se rasipa na površini uzorka.

Šematski pregled

Uređaj za tunelski mikroskop uključuje sljedeće komponente:

• savjet za skeniranje;
• kontroler za premještanje vrha s jedne koordinate na drugu;
• sistem izolacije vibracija;
• računar.

Vrh je često napravljen od volframa ili platine-iridijuma, iako se takođe koristi zlato. Računar se koristi za poboljšanje slike obradom i za izvođenje kvantitativnih mjerenja.

Kako to funkcioniše

Princip rada tunelskog mikroskopa je prilično složen. Elektroni na vrhu vrha nisu ograničeni na područje unutar metala potencijalnom barijerom. Kreću se kroz prepreku kao što je njihovo kretanje u metalu. Stvara se iluzija čestica koje se slobodno kreću. U stvarnosti, elektroni se kreću od atoma do atoma, prolazeći kroz potencijalnu barijeru između dva atomska mjesta. Za svaki pristup barijeri vjerovatnoća tunela je 10: 4. Elektroni ga prelaze brzinom od 1013 kom u sekundi. Ova visoka brzina prenosa znači da je kretanje značajno i kontinuirano.

Premještanjem metalnog vrha po površini za vrlo malu udaljenost, preklapajući se atomski oblaci, vrši se atomska razmjena. Ovo stvara malu količinu električne struje koja teče između vrha i površine. Može se meriti. Zahvaljujući ovim trenutnim promjenama, tunelski mikroskop pruža informacije o strukturi i topografiji površine. Na osnovu njega izgrađen je trodimenzionalni model na atomskoj skali, koji daje sliku uzorka.

_tuneliranje:

Kada se vrh pomjeri blizu uzorka, udaljenost između njega i površine se smanjuje na vrijednost uporedivu sa jazom između susjednih atoma u rešetki. Elektron za tuneliranje može se kretati prema njima ili prema atomu na vrhu sonde. Struja u sondi mjeri gustinu elektrona na površini uzorka, a ove informacije su prikazane na slici. Periodični niz atoma jasno je vidljiv na materijalima kao što su zlato, platina, srebro, nikl i bakar. Vakuumsko tuneliranje elektrona od vrha do uzorka može se desiti iako okruženje nije vakuum, ali je ispunjen sa gasom ili molekuli tečnosti.

Formiranje visine barijere

Spektroskopija visine lokalne barijere daje informacije o prostornoj raspodjeli mikroskopske funkcije površine. Slika se dobija mjerenjem logaritamske promjene struje tunela tačku po tačku, uzimajući u obzir transformaciju u razmak za razdvajanje. Prilikom mjerenja visine barijere, udaljenost između sonde i uzorka modulira se prema sinusoidnom zakonu pomoću dodatnog naizmjeničnog napona. Period modulacije se bira mnogo kraće od vremenske konstante povratne petlje u tunelskom mikroskopu.

Značenje

Ova vrsta mikroskopa skenirajućih sondi omogućila je razvoj nanotehnologija koje bi trebale manipulirati objektima nanometrijske veličine (manje od talasne dužine vidljive svjetlosti od 400 do 800 nm). Tunelski mikroskop jasno ilustruje kvantnu mehaniku mjerenjem kvanta ljuske. Danas se amorfni nekristalni materijali posmatraju mikroskopijom atomske sile.

Primjer na silicijumu

Silikonske površine su proučavane opširnije od bilo kojeg drugog materijala. Pripremljene su zagrijavanjem u vakuumu na takvu temperaturu da su atomi rekonstruirani u induciranom procesu. Rekonstrukcija je detaljno proučena. Na površini je formiran složen obrazac, poznat kao Takayanagi 7 x 7. Atomi su formirali parove, ili dimere, koji se uklapaju u redove koji se protežu preko cijelog proučavanog dijela silicijuma.

Istraživanja

Studije principa rada tunelskog mikroskopa dovele su do zaključka da on može raditi u okolnoj atmosferi, kao i u vakuumu. Eksploatisana je u vazduhu, vodi, izolacionim tečnostima i Jonskim rastvorima koji se koriste u elektrohemiji. Ovo je mnogo praktičnije od visoko vakuumskih uređaja.

Tunelski mikroskop se može ohladiti na minus 269 stepeni i zagrejati na plus 700 stepeni. Niska temperatura se koristi za proučavanje svojstava supravodljivih materijala, a visoka temperatura za proučavanje brze difuzije atoma kroz površinu metala i njihove korozije.

Tunelski mikroskop uglavnom se koristi za vizualizacija, ali postoji mnogo druge upotrebe koje su istražene. Snažno električno polje između sonde i uzorka korišteno je za kretanje atoma duž površine uzorka. Proučavan je efekat tunelskog mikroskopa u različitim gasovima. U jednoj studiji, napon je bio četiri volta. Polje na vrhu bilo je dovoljno jako da ukloni atome sa vrha i postavi ih na podlogu. Ovaj postupak je korišten sa zlatnom sondom da napravim mala zlatna ostrva na podlozi sa nekoliko stotina atoma zlata u svakom. U toku istraživanja izumljen je hibridni tunelski mikroskop. Originalni uređaj je integrisan sa bi-potenciostatom.