Mikroskop za tuneliranje izuzetno je moćan alat za proučavanje elektroničke strukture sustava u čvrstom stanju. Njegove topografske slike pomažu u primjeni tehnika kemijske analize površine, što dovodi do strukturne definicije površine. U ovom članku možete saznati više o uređaju, funkcijama i značenju, kao i vidjeti fotografiju tunelskog mikroskopa.
Kreatori
Prije izuma takvog mikroskopa, mogućnosti proučavanja atomske strukture površina uglavnom su bile ograničene na metode difrakcije pomoću snopa x-zraka, elektrona, iona i drugih čestica. Proboj je došao kada su švicarski fizičari Gerd Binnig i Heinrich Rohrer razvili prvi tunelski mikroskop. Za svoju prvu sliku odabrali su površinu zlata. Kada je slika prikazana na televizijskom monitoru, vidjeli su nizove precizno raspoređenih atoma i promatrali široke terase odvojene stepenicama visokim jedan atom. Binnig i Rohrerotkrio jednostavnu metodu za stvaranje izravne slike atomske strukture površina. Njihovo impresivno postignuće priznato je Nobelovom nagradom za fiziku 1986.
Prekursor
Sličan mikroskop nazvan Topografiner izumio je Russell Young i njegovi kolege između 1965. i 1971. u Nacionalnom uredu za standarde. Trenutno je to Nacionalni institut za standarde i tehnologiju. Ovaj mikroskop radi na principu da lijevi i desni piezo drajver skeniraju vrh iznad i malo iznad površine uzorka. Središnjim piezo upravljanim pogonom poslužitelja upravlja poslužiteljski sustav radi održavanja konstantnog napona. To rezultira trajnim okomitim odvajanjem između vrha i površine. Multiplikator elektrona detektira mali dio struje tunela koja se raspršuje na površini uzorka.
Shematski prikaz
Sklop tunelskog mikroskopa uključuje sljedeće komponente:
- savjet za skeniranje;
- kontroler za pomicanje vrha s jedne koordinate na drugu;
- sustav za izolaciju vibracija;
- računalo.
Vrh je često izrađen od volframa ili platine-iridija, iako se koristi i zlato. Računalo se koristi za poboljšanje slike kroz obradu slike i za kvantitativna mjerenja.
Kako radi
Princip rada tunelamikroskop je prilično kompliciran. Elektroni na vrhu vrha nisu ograničeni na područje unutar metala potencijalnom barijerom. Oni se kreću kroz prepreku poput njihovog kretanja 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, vjerojatnost tuneliranja je 10:4. Elektroni ga prelaze brzinom od 1013 u sekundi. Ova visoka brzina prijenosa znači da je kretanje značajno i kontinuirano.
Pomicanjem vrha metala preko površine na vrlo malu udaljenost, preklapajući atomske oblake, izvodi se atomska izmjena. To stvara malu količinu električne struje koja teče između vrha i površine. Može se izmjeriti. Kroz ove promjene u tijeku, tunelski mikroskop pruža informacije o strukturi i topografiji površine. Na temelju njega se gradi trodimenzionalni model na atomskoj skali, koji daje sliku uzorka.
Tuneliranje
Kada se vrh približi uzorku, udaljenost između njega i površine smanjuje se na vrijednost usporedivu s razmakom između susjednih atoma u rešetki. Tunelski elektron se može kretati ili prema njima ili prema atomu na vrhu sonde. Struja u sondi mjeri elektronsku gustoću na površini uzorka, a ta se informacija prikazuje na slici. Periodični niz atoma jasno je vidljiv na materijalima kao što su zlato, platina, srebro, nikal i bakar. vakuumtuneliranje elektrona od vrha do uzorka može se dogoditi iako okolina nije vakuum, već ispunjena molekulama plina ili tekućine.
Formiranje visine barijere
Spektroskopija visine lokalne barijere daje informacije o prostornoj raspodjeli radne funkcije mikroskopske površine. Slika se dobiva mjerenjem logaritamske promjene tunelske struje od točke do točke, uzimajući u obzir transformaciju u razdjelni jaz. Prilikom mjerenja visine barijere, udaljenost između sonde i uzorka modulira se sinusno pomoću dodatnog izmjeničnog napona. Razdoblje modulacije odabrano je tako da bude puno kraće od vremenske konstante povratne petlje u tunelskom mikroskopu.
Značenje
Ova vrsta skenirajućeg sondnog mikroskopa omogućila je razvoj nanotehnologija koje moraju manipulirati nanometarskim objektima (manjim od valne duljine vidljive svjetlosti između 400 i 800 nm). Tunelski mikroskop jasno ilustrira kvantnu mehaniku mjerenjem kvanta ljuske. Danas se amorfni nekristalni materijali promatraju pomoću mikroskopije atomske sile.
Primjer silikona
Površine silikona proučavane su opsežnije od bilo kojeg drugog materijala. Pripremljeni su zagrijavanjem u vakuumu do takve temperature da su atomi rekonstruirani u izazvanom procesu. Rekonstrukcija je detaljno proučena. Složeni uzorak formiran na površini, poznat kao Takayanagi 7 x 7. Atomi su formirali parove,ili dimeri koji se uklapaju u redove koji se protežu kroz cijeli komad silicija koji se proučava.
Istraživanje
Istraživanje principa rada tunelskog mikroskopa dovelo je do zaključka da on može raditi u okolnoj atmosferi na isti način kao u vakuumu. Radio je u zraku, vodi, izolacijskim tekućinama i ionskim otopinama koje se koriste u elektrokemiji. Ovo je mnogo praktičnije od uređaja s visokim vakuumom.
Tunelski mikroskop može se ohladiti na minus 269 °C i zagrijati na plus 700 °C. Niska temperatura se koristi za proučavanje svojstava supravodljivih materijala, a visoka temperatura se koristi za proučavanje brze difuzije atoma kroz površinu metala i njihove korozije.
Mikroskop za tuneliranje prvenstveno se koristi za snimanje, ali postoje mnoge druge namjene koje su istražene. Snažno električno polje između sonde i uzorka korišteno je za pomicanje atoma duž površine uzorka. Proučavan je učinak tunelskog mikroskopa u raznim plinovima. U jednoj studiji, napon je bio četiri volta. Polje na vrhu bilo je dovoljno snažno da ukloni atome s vrha i stavi ih na podlogu. Ovaj postupak korišten je sa zlatnom sondom za izradu malih zlatnih otoka na podlozi s po nekoliko stotina atoma zlata. Tijekom istraživanja izumljen je hibridni tunelski mikroskop. Originalni uređaj bio je integriran s bipotenciostatom.
