Тунельний мікроскоп: історія створення, пристрій і принцип роботи

Тунельний мікроскоп-надзвичайно потужний інструмент для вивчення електронної структури твердотільних систем. Його топографічні зображення допомагають застосовувати методи поверхневого аналізу з хімічною специфікою, що призводить до структурного визначення поверхні. Дізнатися про пристрій, функціях і значенні, а також подивитися фото тунельного мікроскопа можна в цій статті.

Творець

До винаходу подібного мікроскопа можливості вивчення атомарного будови поверхонь в основному обмежувалися дифракційними методами з використанням пучків рентгенівських променів, електронів, іонів та інших частинок. Прорив стався, коли швейцарські фізики Герд Бінніг та Генріх Рорер розробили перший тунельний мікроскоп. Вони вибрали поверхню золота для свого першого зображення. Коли зображення виводилося на екран телевізійного монітора, вони бачили ряди точно розташованих атомів і спостерігали широкі тераси, розділені ступенями висотою в один атом. Бінніг і Рорер відкрили простий метод створення прямого образу атомної структури поверхонь. Їх вражаюче досягнення було визнано Нобелівською премією з фізики в 1986 році.

Попередник

Подібний мікроскоп під назвою Topografiner був винайдений Расселом Янгом та його колегами між 1965 і 1971 роками в Національному бюро стандартів. В даний час це Національний інститут стандартів і технологій. Даний мікроскоп працює за принципом, згідно з яким лівий і правий п`єзо-драйвери сканують наконечник над і трохи вище поверхні зразка. Центральний п`єзокерований серверний привід управляється серверною системою для підтримки постійної напруги. Це призводить до постійного вертикального поділу між наконечником і поверхнею. Електронний множник виявляє крихітну частку тунельного струму, яка розсіюється на поверхні зразка.

Схематичний вид

Пристрій тунельного мікроскопа включає наступні компоненти:

• скануючий наконечник;
• контролер для переміщення наконечника від однієї координати до іншої;
• систему віброізоляції;
• комп`ютер.

Наконечник часто виготовляється з вольфраму або платини-іридію, хоча також використовується золото. Комп`ютер застосовується для поліпшення зображення за допомогою його обробки і для виконання кількісних вимірювань.

Як працює

Принцип роботи тунельного мікроскопа досить складний. Електрони на вершині наконечника не обмежені областю всередині металу потенційним бар`єром. Вони рухаються через перешкоду подібно їх руху в металі. Створюється ілюзія вільно переміщаються частинок. Насправді електрони рухаються від атома до атома, проходячи через потенційний бар`єр між двома атомними ділянками. Для кожного підходу до бар`єру ймовірність тунелювання дорівнює 10: 4. Електрони перетинають його зі швидкістю 1013 шт в секунду. Цей високий темп передачі означає, що рух істотно і безперервно.

Переміщаючи наконечник металу по поверхні на дуже маленьке, що перекриває атомні Хмари відстань проводиться атомний обмін. При цьому утворюється невелика кількість електричного струму, що протікає між наконечником і поверхнею. Його можна виміряти. Завдяки цим поточним змінам тунельний мікроскоп надає інформацію про структуру та топографію поверхні. На її основі будується тривимірна модель в атомному масштабі, яка дає зображення зразка.

Тунелювання

Коли наконечник рухається близько до зразка, відстань між ним і поверхнею зменшується до величини, порівнянної з проміжком між сусідніми атомами в решітці. Тунельний електрон може рухатися або до них, або до атома на кінчику зонда. Струм у зонді вимірює щільність електронів на поверхні зразка, і ця інформація відображається на малюнку. Періодичний масив атомів добре видно на таких матеріалах, як золото, платина, срібло, нікель і мідь. Вакуумне тунелювання електронів від кінчика до зразка може відбуватися навіть при тому, що навколишнє середовище не є вакуумом, а заповнена молекулами газу або рідина.

Формування висоти бар`єру

Спектроскопія висоти локального бар`єру забезпечує інформацію про просторовий розподіл мікроскопічної функції роботи поверхні. Зображення отримують шляхом вимірювання по пунктах логарифмічного зміни тунельного струму з урахуванням трансформації в розділовий розрив. При вимірюванні висоти бар`єру відстань між зондом і зразком модулюється за синусоїдальним законом за допомогою додаткового змінного напруги. Період модуляції вибирається набагато коротше, ніж константа часу петлі зворотного зв`язку в тунельному мікроскопі.

Значення

Цей тип скануючих зондових мікроскопів дозволив розробити нанотехнології, які повинні маніпулювати об`єктами нанометричного розміру (менше довжини хвилі видимого світла від 400 до 800 нм). Тунельний мікроскоп наочно ілюструє квантову механіку, вимірюючи квант оболонки. Сьогодні аморфні некристалічні матеріали спостерігаються за допомогою атомно-силової мікроскопії.

Приклад на кремнії

Поверхні кремнію були вивчені більш широко, ніж будь-який інший матеріал. Вони готувалися шляхом нагрівання у вакуумі до такої температури, що атоми реконструювалися в викликаному процесі. Реконструкція була вивчена в найдрібніших деталях. На поверхні утворився складний візерунок, відомий як Такаянагі 7 х 7. Атоми утворювали пари, або димери, які вписувалися в ряди, що простягалися по всій досліджуваній частині кремнію.

Дослідження

Дослідження принципу дії тунельного мікроскопа привели до висновку, що він може працювати в навколишній атмосфері так само, як і у вакуумі. Він експлуатувався в повітрі, воді, ізоляційних рідинах та іонних дозволах, що використовуються в електрохімії. Це набагато зручніше, ніж Високовакуумні прилади.

Тунельний мікроскоп можна охолодити до температури мінус 269 °C і нагріти до плюс 700 °C. Низька температура використовується для того, щоб досліджувати властивості надпровідних матеріалів, а висока-для вивчення швидкої дифузії атомів через поверхню металів і їх корозію.

Тунельний мікроскоп використовується в основному для візуалізації, але є багато інших застосувань, які були вивчені. Сильне електричне поле між зондом і зразком було використано для переміщення атомів уздовж поверхні зразка. Вивчено дію тунельного мікроскопа в різних газах. В одному з досліджень напруга становила чотири вольта. Поле на кінчику було досить сильним, щоб видалити атоми з кінчика і помістити їх на підкладку. Цю процедуру використовували із золотим зондом для виготовлення невеликих золотих острівців на підкладці з декількома сотнями атомів золота в кожному. В ході досліджень був винайдений гібридний тунельний мікроскоп. Початковий пристрій інтегрували з біпотенціостатом.