Тунельний мікроскоп – надзвичайно потужний інструмент для вивчення електронної структури твердотільних систем. Його топографічні зображення допомагають при застосуванні поверхневих методів аналізу з хімічної специфікою, приводячи до структурного визначення поверхні. Дізнатися про будову, функції і значення, а також подивитися фото тунельного мікроскопа можна в цій статті.
Творці
До подібного винаходу 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 Бинниг і 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 сходами заввишки в один атом. Бинниг і Рорер відкрили простий метод створення прямого способу атомної структури поверхонь. Їх вражаюче досягнення було визнано Нобелівською премією по фізиці в 1986 році.
Попередник
Такий мікроскоп під назвою Topografiner був винайдений Расселом Янгом і його колегами в період з 1965 по 1971 рік у Національному бюро стандартів. В даний час це Національний інститут стандартів і технологій. Цей мікроскоп працює за принципом, згідно з яким лівий і правий п’єзо-драйвери сканують наконечник над і трохи вище поверхні зразка. Центральний пьезоуправляемый серверний привід управляється серверною системою для підтримки постійної напруги. Це призводить до постійного вертикального поділу між наконечником і поверхнею. Електронний помножувач знаходить крихітну частку тунельного струму, яка розсіюється на поверхні зразка.
Схематичний вигляд
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 з 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’єра ймовірність тунелювання дорівнює 10:4. Електрони перетинають його зі швидкістю 1013 шт в секунду. Цей високий темп передачі значить, що рух істотно і безперервно.
Переміщаючи наконечник металу по поверхні на дуже маленьке, 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 і топографії поверхні. На її основі будується тривимірна модель в атомному масштабі, яка дає зображення зразка.
Тунелювання
Коли наконечник переміщується близько до зразком, 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 в зонді вимірює щільність електронів на поверхні зразка, і ця інформація відображається на зображенні. Періодичний масив атомів добре видно на таких матеріалах, як золото, платина, срібло, нікель і мідь. Вакуумне тунелювання електронів від кінчика до зразком може відбуватися навіть при тому, що навколишнє середовище не є вакуумом, а заповнена молекулами газу або рідини.
Формування висоти бар’єру
Спектроскопія висоти локального бар’єру забезпечує інформацію про просторовому розподілі мікроскопічної функції роботи поверхні. Зображення одержують шляхом вимірювання за пунктами логарифмічного зміни тунельного струму з урахуванням трансформації в розділовий розрив. При вимірюванні висоти бар’єру відстань між зондом і зразком модулюється за синусоїдальним законом з допомогою додаткового змінного напруги. Період модуляції вибирається набагато коротше, ніж константа часу петлі зворотного зв’язку в тунельному мікроскопі.
Значення
Цей тип скануючих зондовых 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 готували шляхом нагрівання у вакуумі до такої температури, що атоми реконструювалися у викликаному процесі. Реконструкція була вивчена в найдрібніших деталях. На поверхні утворився складний візерунок, відомий як Такаянаги 7 х 7. Атоми утворили пари, або димери, які вписалися в ряди, що тягнуться 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 іонних рідинах і дозволи, 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. Найнижча температура використовується для того, щоб дослідити 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 того, щоб рушити атоми 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 наконечника і помістити їх на підкладку. Цю процедуру використовували з золотим зондом для виготовлення невеликих золотих острівців на підкладці з кількома сотнями атомів золота в кожному. В ході досліджень був винайдений гібридний тунельний мікроскоп. Початкове пристрій інтегрували з бипотенциостатом.
