Tunelový mikroskop: história vzniku, zariadenie a princíp činnosti

Tunelový mikroskop je mimoriadne výkonný nástroj na štúdium elektronickej štruktúry polovodičových systémov. Jeho topografické obrázky pomáhajú pri aplikácii metód povrchovej analýzy s chemickou špecifickosťou, čo vedie k štrukturálnej definícii povrchu. Môžete sa dozvedieť o zariadení, funkciách a význame, ako aj vidieť fotografie tunelového mikroskopu v tomto článku.

Tvorca

Pred vynálezom takéhoto mikroskopu boli možnosti štúdia atómovej štruktúry povrchov obmedzené hlavne na difrakčné metódy využívajúce lúče röntgenových lúčov, elektrónov, iónov a iných častíc. Prelom nastal, keď švajčiarski fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vyvinuli prvý tunelový mikroskop. Pre svoj prvý obrázok si vybrali zlatý povrch. Keď sa obraz zobrazoval na obrazovke televízneho monitora, videli rady presne usporiadaných atómov a pozorovali široké terasy oddelené krokmi vysokými jeden atóm. Binnig a Rohrer objavili jednoduchú metódu na vytvorenie priameho obrazu atómovej štruktúry povrchov. Ich pôsobivý úspech ocenila Nobelova cena za fyziku v roku 1986.

Predchodca

Podobný mikroskop s názvom Topografiner vynašiel Russell Young a jeho kolegovia v rokoch 1965 až 1971 v Národnom úrade pre normy. V súčasnosti je to Národný inštitút noriem a technológií. Tento mikroskop funguje podľa princípu, že ľavý a pravý piezo ovládač skenuje hrot nad a mierne nad povrchom vzorky. Centrálna piezo riadená serverová jednotka je riadená serverovým systémom, aby sa udržalo konštantné napätie. To má za následok konštantné vertikálne oddelenie medzi špičkou a povrchom. Elektronický multiplikátor detekuje malý zlomok tunelového prúdu, ktorý sa rozptýli na povrchu vzorky.

Schematické zobrazenie

Zariadenie tunelového mikroskopu obsahuje nasledujúce komponenty:

• tip na skenovanie;
• ovládač na presun hrotu z jednej súradnice na druhú;
• systém izolácie vibrácií;
• počítač.

Špička je často vyrobená z volfrámu alebo platiny-irídia, aj keď sa používa aj zlato. Počítač sa používa na zlepšenie obrazu jeho spracovaním a na vykonávanie kvantitatívnych meraní.

Ako to funguje

Princíp činnosti tunelového mikroskopu je pomerne zložitý. Elektróny na špičke hrotu nie sú obmedzené na oblasť vo vnútri kovu potenciálnou bariérou. Pohybujú sa cez prekážku ako ich pohyb v kove. Vytvára sa ilúzia voľne sa pohybujúcich častíc. V skutočnosti sa elektróny pohybujú z atómu na atóm a prechádzajú potenciálnou bariérou medzi dvoma atómovými miestami. Pri každom priblížení k bariére je pravdepodobnosť tunelovania 10: 4. Elektróny ho prechádzajú rýchlosťou 1013 ks za sekundu. Táto vysoká rýchlosť prenosu znamená, že pohyb je podstatný a nepretržitý.

Pohybom kovového hrotu pozdĺž povrchu na veľmi malú vzdialenosť, prekrývajúce sa atómové oblaky, sa vykonáva atómová výmena. To generuje malé množstvo elektrického prúdu prúdiaceho medzi špičkou a povrchom. Dá sa merať. Vďaka týmto súčasným zmenám poskytuje tunelový mikroskop informácie o štruktúre a topografii povrchu. Na základe toho je trojrozmerný model postavený v atómovej mierke, ktorá poskytuje obraz vzorky.

Tunelovanie

Keď sa hrot pohybuje blízko vzorky, vzdialenosť medzi ním a povrchom klesá na hodnotu porovnateľnú s medzerou medzi susednými atómami v mriežke. Tunelovací elektrón sa môže pohybovať buď smerom k nim, alebo smerom k atómu na špičke sondy. Prúd v sonde meria hustotu elektrónov na povrchu vzorky a táto informácia je zobrazená na obrázku. Periodické pole atómov je jasne viditeľné na materiáloch ako zlato, platina, striebro, nikel a meď. Vákuové tunelovanie elektrónov od špičky k vzorke môže nastať, aj keď životné prostredie nie je vákuum, ale je naplnené s plynom alebo kvapalné molekuly.

Tvorba výšky bariéry

Spektroskopia výšky lokálnej bariéry poskytuje informácie o priestorovom rozložení mikroskopickej funkcie povrchu. Obraz sa získa meraním logaritmickej zmeny tunelového prúdu bod po bode, berúc do úvahy transformáciu na separačnú medzeru. Pri meraní výšky bariéry sa vzdialenosť medzi sondou a vzorkou moduluje podľa sínusového zákona pomocou dodatočného striedavého napätia. Modulačné obdobie je zvolené oveľa kratšie ako časová konštanta spätnoväzbovej slučky v tunelovom mikroskope.

Význam

Tento typ mikroskopov skenovacej sondy umožnil vývoj nanotechnológií, ktoré by mali manipulovať s objektmi nanometrickej veľkosti (Menej ako vlnová dĺžka viditeľného svetla od 400 do 800 nm). Tunelový mikroskop jasne ilustruje kvantovú mechaniku meraním kvantovej škrupiny. Dnes sa amorfné nekryštalické materiály pozorujú pomocou mikroskopie atómovej sily.

Príklad na kremíku

Kremíkové povrchy boli študované rozsiahlejšie ako akýkoľvek iný materiál. Boli pripravené zahrievaním vo vákuu na takú teplotu, že atómy boli rekonštruované v indukovanom procese. Rekonštrukcia bola študovaná veľmi podrobne. Na povrchu sa vytvoril zložitý vzor, známy ako Takayanagi 7 x 7. Atómy tvorili páry alebo diméry, ktoré zapadajú do radov rozprestierajúcich sa po celej študovanej časti kremíka.

Výskum

Štúdie princípu fungovania tunelového mikroskopu viedli k záveru, že môže pracovať v okolitej atmosfére rovnakým spôsobom ako v. Využíva sa vo vzduchu, vode, izolačných kvapalinách a iónových roztokoch používaných v elektrochémii. Je to oveľa pohodlnejšie ako zariadenia s vysokým vákuom.

Tunelový mikroskop je možné ochladiť na mínus 269 °C a zahriať na plus 700 °C. Nízka teplota sa používa na štúdium vlastností supravodivých materiálov a vysoká teplota sa používa na štúdium rýchlej difúzie atómov povrchom kovov a ich korózie.

Tunelový mikroskop používa sa hlavne na zobrazovacie vákuum, ale je ich veľa ďalšie použitia, ktoré boli preskúmané. Na pohyb atómov po povrchu vzorky sa použilo silné elektrické pole medzi sondou a vzorkou. Bol študovaný účinok tunelového mikroskopu v rôznych plynoch. V jednej štúdii bolo napätie štyri volty. Pole na špičke bolo dostatočne silné na to, aby odstránilo atómy z hrotu a umiestnilo ich na substrát. Tento postup bol použitý so zlatou sondou robiť malé zlaté ostrovy na substráte s niekoľkými stovkami atómov zlata v každom. V priebehu výskumu bol vynájdený hybridný tunelový mikroskop. Pôvodné zariadenie bolo integrované s bi-potenciostatom.