Tunelový mikroskop je mimoriadne výkonný nástroj na štúdium elektronickej štruktúry pevných systémov. Jeho topografické obrázky pomáhajú pri aplikácii techník chemicko-špecifickej povrchovej analýzy, čo vedie k štrukturálnej definícii povrchu. V tomto článku sa môžete dozvedieť o zariadení, funkciách a význame, ako aj vidieť fotografiu tunelovacieho mikroskopu.
Creators
Pred vynálezom takéhoto mikroskopu boli možnosti štúdia atómovej štruktúry povrchov obmedzené najmä na difrakčné metódy využívajúce lúče röntgenových lúčov, elektrónov, iónov a iných častíc. Prelom nastal, keď švajčiarski fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vyvinuli prvý tunelovací mikroskop. Pre svoj prvý obrázok si zvolili povrch zlata. Keď sa obraz zobrazil na televíznom monitore, videli rady presne usporiadaných atómov a pozorovali široké terasy oddelené schodíkmi vysokými jeden atóm. Binnig a Rohrerobjavil jednoduchú metódu na vytvorenie priameho obrazu atómovej štruktúry povrchov. Ich pôsobivý úspech bol ocenený Nobelovou cenou za fyziku v roku 1986.
Prekurzor
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 pre štandardy a technológie. Tento mikroskop funguje na princípe, že ľavý a pravý piezo driver snímajú hrot nad a mierne nad povrchom vzorky. Centrálny piezoelektrický pohon servera je riadený serverovým systémom, aby sa udržalo konštantné napätie. Výsledkom je trvalé vertikálne oddelenie medzi špičkou a povrchom. Elektrónový multiplikátor deteguje nepatrný zlomok tunelovacieho prúdu, ktorý sa rozptýli na povrchu vzorky.
Schematické zobrazenie
Zostava tunelového mikroskopu obsahuje nasledujúce komponenty:
- tip na skenovanie;
- ovládač na presun hrotu z jednej súradnice na druhú;
- systém izolácie vibrácií;
- počítač.
Hrot je často vyrobený z volfrámu alebo platiny-irídia, hoci sa používa aj zlato. Počítač sa používa na zlepšenie obrazu prostredníctvom spracovania obrazu a na kvantitatívne merania.
Ako to funguje
Princíp fungovania tunelamikroskop je dosť komplikovaný. Elektróny v hornej časti hrotu nie sú obmedzené na oblasť vo vnútri kovu potenciálovou 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 cez potenciálnu bariéru medzi dvoma atómovými miestami. Pri každom priblížení sa k bariére je pravdepodobnosť razenia tunela 10:4. Elektróny ním prechádzajú rýchlosťou 1013 za sekundu. Táto vysoká prenosová rýchlosť znamená, že pohyb je podstatný a nepretržitý.
Posunutím špičky kovu po povrchu na veľmi malú vzdialenosť, prekrytím atómových oblakov, sa uskutoční atómová výmena. To vytvára malé množstvo elektrického prúdu pretekajúceho medzi hrotom a povrchom. Dá sa to merať. Prostredníctvom týchto prebiehajúcich zmien poskytuje tunelovací mikroskop informácie o štruktúre a topografii povrchu. Na jej základe je vytvorený trojrozmerný model v atómovej mierke, ktorý poskytuje obraz vzorky.
Tunely
Keď sa hrot priblíži k vzorke, vzdialenosť medzi ním a povrchom sa zníži na hodnotu porovnateľnú s medzerou medzi susednými atómami v mriežke. Tunelový elektrón sa môže pohybovať buď smerom k nim, alebo smerom k atómu na hrote 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. vákuumtunelovanie elektrónov z hrotu do vzorky môže nastať, aj keď prostredie nie je vákuum, ale naplnené molekulami plynu alebo kvapaliny.
Vytvorenie výšky bariéry
Spektroskopia výšky lokálnej bariéry poskytuje informácie o priestorovom rozložení funkcie mikroskopickej povrchovej práce. Obraz sa získa bodovým meraním logaritmickej zmeny tunelového prúdu, berúc do úvahy transformáciu na deliacu medzeru. Pri meraní výšky bariéry sa vzdialenosť medzi sondou a vzorkou moduluje sínusovo pomocou dodatočného striedavého napätia. Doba modulácie je zvolená tak, aby bola oveľa kratšia ako časová konštanta spätnoväzbovej slučky v tunelovom mikroskope.
Význam
Tento typ skenovacieho sondového mikroskopu umožnil vývoj nanotechnológií, ktoré musia manipulovať s objektmi veľkosti nanometrov (menších ako vlnová dĺžka viditeľného svetla medzi 400 a 800 nm). Tunelový mikroskop jasne ilustruje kvantovú mechaniku meraním kvanta plášťa. Dnes sa amorfné nekryštalické materiály pozorujú pomocou mikroskopie atómovej sily.
Príklad kremíka
Silikónové povrchy boli študované podrobnejšie ako ktorýkoľvek iný materiál. Pripravili sa zahrievaním vo vákuu na takú teplotu, aby sa atómy zrekonštruovali v evokovanom procese. Rekonštrukcia bola veľmi podrobne študovaná. Na povrchu sa vytvoril zložitý vzor známy ako Takayanagi 7 x 7. Atómy tvorili páry,alebo diméry, ktoré zapadajú do radov siahajúcich cez celý skúmaný kus kremíka.
Výskum
Výskum fungovania tunelového mikroskopu viedol k záveru, že môže fungovať v okolitej atmosfére rovnako ako vo vákuu. Pracoval vo vzduchu, vode, izolačných kvapalinách a iónových roztokoch používaných v elektrochémii. Je to oveľa pohodlnejšie ako zariadenia s vysokým vákuom.
Tunelový mikroskop možno 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 cez povrch kovov a ich korózie.
Tunelový mikroskop sa používa predovšetkým na zobrazovanie, ale bolo preskúmaných aj mnoho iných použití. Na pohyb atómov po povrchu vzorky sa použilo silné elektrické pole medzi sondou a vzorkou. Študoval sa vplyv tunelovacieho mikroskopu v rôznych plynoch. V jednej štúdii bolo napätie štyri volty. Pole na hrote bolo dostatočne silné na to, aby odstránilo atómy z hrotu a umiestnilo ich na substrát. Tento postup sa použil so zlatou sondou na vytvorenie malých zlatých ostrovčekov na substráte s niekoľkými stovkami atómov zlata. Počas výskumu bol vynájdený hybridný tunelový mikroskop. Pôvodné zariadenie bolo integrované s bipotenciostatom.
