Mikroskop tunelowy: historia, budowa i zasada działania

Mikroskop tunelowy jest niezwykle potężnym narzędziem do badania struktury elektronowej układów w stanie stałym. Jego obrazy topograficzne są przydatne dla metod analizy powierzchni opartych na chemii, prowadzących do określenia powierzchni strukturalnej. Poznaj mechanizm, funkcję i znaczenie oraz zobacz zdjęcia mikroskopu tunelowego w tym artykule.

Twórcy

Przed wynalezieniem takiego mikroskopu możliwości badania atomowej struktury powierzchni ograniczały się głównie do metod dyfrakcyjnych wykorzystujących wiązki promieniowania rentgenowskiego, elektronów, jonów i innych cząstek. Przełom nastąpił, gdy szwajcarscy fizycy Gerd Binnig i Heinrich Rohrer opracowali pierwszy mikroskop tunelowy. Wybrali powierzchnię złota dla swojego pierwszego obrazu. Kiedy obraz był wyświetlany na monitorze telewizyjnym, mogli zobaczyć rzędy precyzyjnie ustawionych atomów i obserwować szerokie tarasy oddzielone jednoatomowymi stopniami. Binnig i Rohrer odkrywają prostą metodę tworzenia bezpośredniego obrazu atomowej struktury powierzchni. Ich imponujące osiągnięcia zostały docenione Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 r.

Poprzednik

Podobny mikroskop o nazwie Topografiner został wynaleziony przez Russella Younga i jego współpracowników w latach 1965-1971 w National Bureau of Standards. Teraz Narodowy Instytut Standardów i Technologii. Mikroskop ten działa na zasadzie, że lewy i prawy piezo-driver skanują końcówkę nad i lekko nad powierzchnią próbki. Centralny piezoelektryczny napęd serwera jest sterowany przez system serwera w celu utrzymania stałego napięcia. Powoduje to trwałe pionowe oddzielenie końcówki od powierzchni. Powielacz elektronów wykrywa niewielką część prądu tunelowego, który jest rozproszony na powierzchni próbki.

Widok schematyczny

Konstrukcja mikroskopu tunelowego obejmuje następujące elementy:

• Końcówka sondy skanującej;
• sterownik do przemieszczania końcówki z jednej współrzędnej na drugą
• system wibroizolacji;
• komputer.

Końcówka jest często wykonana z wolframu lub platyny irydu, choć stosuje się również złoto. Komputer służy do poprawy obrazu poprzez jego przetwarzanie oraz do dokonywania pomiarów ilościowych.

Jak to działa

Zasada działania mikroskopu tunelowego jest dość złożona. Elektrony na końcówce nie są ograniczone do obszaru wewnątrz metalu przez barierę potencjału. Poruszają się przez przeszkody jak w metalu. Powstaje iluzja swobodnie płynących cząstek. W rzeczywistości elektrony poruszają się od atomu do atomu, przechodząc przez barierę potencjału pomiędzy dwoma obszarami atomowymi. Dla każdego podejścia do bariery prawdopodobieństwo tunelowania wynosi 10:4. Elektrony przecinają ją z prędkością 1013 szt. na sekundę. Ta wysoka prędkość transferu oznacza, że ruch jest znaczny i ciągły.

Poprzez przesunięcie metalowej końcówki nad powierzchnią na bardzo małą, pokrywającą się odległość chmury atomowej następuje wymiana atomowa. Pomiędzy końcówką a powierzchnią przepływa niewielki prąd elektryczny. Można go zmierzyć. Dzięki tym ciągłym zmianom mikroskop tunelowy dostarcza informacji o strukturze i topografii powierzchni. Służy do budowy trójwymiarowego modelu w skali atomowej, który daje obraz próbki.

Tunelowanie

Gdy końcówka jest przesuwana blisko próbki, odległość pomiędzy końcówką a powierzchnią zmniejsza się do wielkości porównywalnej z przestrzenią pomiędzy sąsiadującymi atomami w sieci. Tunelujący elektron może poruszać się albo w ich kierunku, albo w kierunku atomu na końcu sondy. Prąd w sondzie mierzy gęstość elektronów na powierzchni próbki, a informacja ta jest wyświetlana na zdjęciu. Układ okresowy atomów jest wyraźnie widoczny na materiałach takich jak złoto, platyna, srebro, nikiel i miedź. Tunelowanie próżniowe elektronów z końcówki do próbki może wystąpić nawet jeśli Środowisko nie jest jest próżnią i jest wypełniona cząsteczkami gaz lub płyn.

Formowanie wysokości bariery

Spektroskopia lokalnej wysokości bariery dostarcza informacji o przestrzennym rozkładzie funkcji powierzchni mikroskopowej. Obraz uzyskuje się poprzez pomiar logarytmicznej zmiany prądu tunelowania z transformacją w szczelinę separacyjną. Podczas pomiaru wysokości bariery, odległość pomiędzy sondą a próbką jest modulowana w sposób sinusoidalny przez dodatkowe napięcie zmienne. Okres modulacji jest tak dobrany, aby był znacznie krótszy od stałej czasowej pętli sprzężenia zwrotnego w mikroskopie tunelowym.

Znaczenie

Ten typ mikroskopu ze skanującą sondą umożliwił rozwój nanotechnologii, które muszą manipulować obiektami o rozmiarach nanometrycznych (mniejszych niż długość fali światła widzialnego pomiędzy 400 a 800 nm). Mikroskop tunelowy wyraźnie ilustruje mechanikę kwantową poprzez pomiar kwantu powłoki. Obecnie amorficzne materiały niekrystaliczne można obserwować za pomocą mikroskopii sił atomowych.

Przykład na krzemie

Powierzchnie krzemowe były badane bardziej szczegółowo niż jakikolwiek inny materiał. Przygotowywano je poprzez ogrzewanie w próżni do takiej temperatury, że atomy ulegały rekonstrukcji w procesie indukowanym. Rekonstrukcja została bardzo szczegółowo przebadana. Złożony wzór znany jako Takayanagi 7 x 7 został uformowany na powierzchni. Atomy tworzyły pary, lub dimery, które pasowały do rzędów rozciągających się na całej badanej powierzchni krzemu.

Badania

Badania zasady działania mikroskopu tunelowego doprowadziły do wniosku, że może on działać w atmosferze otoczenia tak samo dobrze jak w próżni. Pracował w powietrzu, wodzie, cieczach izolacyjnych i roztworach jonowych stosowanych w elektrochemii. Jest to znacznie wygodniejsze niż wysoka próżnia.

Mikroskop tunelowy może być chłodzony do minus 269°C i podgrzewany do plus 700°C. Niskie temperatury są wykorzystywane do badania właściwości materiałów nadprzewodzących, natomiast wysokie temperatury są wykorzystywane do badania szybkiej dyfuzji atomów przez powierzchnie metali i ich korozji.

Mikroskop tunelowy stosowany w głównie dla obrazowanie, ale jest wiele inne zastosowania, które zostały zbadane. Silne pole elektryczne pomiędzy sondą a próbką zostało wykorzystane do napędzania atomów wzdłuż powierzchni próbki. Badano efekt działania mikroskopu tunelowego w różnych gazach. W jednym z badań napięcie wynosiło cztery wolty. Pole na końcówce było wystarczająco silne, aby usunąć atomy z końcówki i umieścić je na podłożu. Procedura ta została zastosowana ze złotą sondą zrobić małe wyspy złota na podłożu z kilkuset atomami złota w każdej. Podczas badań wynaleziono hybrydowy mikroskop tunelowy. Oryginalne urządzenie było zintegrowane z bipotentiostatem.