Mikroskop tunelowy jest niezwykle potężnym narzędziem do badania struktury elektronowej układów półprzewodnikowych. Jego obrazy topograficzne pomagają w zastosowaniu technik analizy powierzchni specyficznych dla substancji chemicznych, co prowadzi do strukturalnej definicji powierzchni. Możesz dowiedzieć się o urządzeniu, funkcjach i znaczeniu, a także zobaczyć zdjęcie mikroskopu tunelowego w tym artykule.
Twórcy
Przed wynalezieniem takiego mikroskopu możliwości badania struktury atomowej powierzchni ograniczały się głównie do metod dyfrakcyjnych z wykorzystaniem wiązek promieni rentgenowskich, elektronów, jonów i innych cząstek. Przełom nastąpił, gdy szwajcarscy fizycy Gerd Binnig i Heinrich Rohrer opracowali pierwszy mikroskop tunelowy. Na swój pierwszy obraz wybrali powierzchnię złota. Kiedy obraz był wyświetlany na monitorze telewizyjnym, zobaczyli rzędy precyzyjnie ułożonych atomów i obserwowali szerokie tarasy oddzielone stopniami o wysokości jednego atomu. Binniga i Rohreraodkrył prostą metodę tworzenia bezpośredniego obrazu struktury atomowej powierzchni. Ich imponujące osiągnięcie zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku.
Prekursor
Podobny mikroskop o nazwie Topografiner został wynaleziony przez Russella Younga i jego współpracowników w latach 1965-1971 w National Bureau of Standards. Obecnie jest to Narodowy Instytut Standardów i Technologii. Ten mikroskop działa na zasadzie, że lewy i prawy przetwornik piezoelektryczny skanują końcówkę powyżej i nieco powyżej powierzchni próbki. Centralny, piezoelektryczny napęd serwera jest sterowany przez system serwera w celu utrzymania stałego napięcia. Powoduje to trwałe pionowe oddzielenie końcówki od powierzchni. Mnożnik elektronów wykrywa niewielki ułamek prądu tunelowania, który jest rozpraszany na powierzchni próbki.
Widok schematu
Zespół mikroskopu tunelowego zawiera następujące elementy:
- wskazówka do skanowania;
- kontroler do przesuwania końcówki z jednej współrzędnej na drugą;
- system izolacji drgań;
- komputer.
Końcówka jest często wykonana z wolframu lub platyny irydu, chociaż używa się również złota. Komputer służy do poprawy obrazu poprzez przetwarzanie obrazu oraz do wykonywania pomiarów ilościowych.
Jak to działa
Zasada działania tunelumikroskop jest dość skomplikowany. Elektrony na szczycie końcówki nie są ograniczone do obszaru wewnątrz metalu przez barierę potencjału. Poruszają się przez przeszkodę jak ruch w metalu. Powstaje iluzja swobodnie poruszających się cząstek. W rzeczywistości elektrony przemieszczają się z atomu na atom, przechodząc przez potencjalną barierę między dwoma miejscami atomowymi. Dla każdego podejścia do bariery prawdopodobieństwo tunelowania wynosi 10:4. Elektrony przecinają ją z prędkością 1013 na sekundę. Ta wysoka szybkość transmisji oznacza, że ruch jest znaczny i ciągły.
Przesuwając końcówkę metalu po powierzchni na bardzo małą odległość, zachodząc na chmury atomowe, następuje wymiana atomowa. Powoduje to wytwarzanie niewielkiej ilości prądu elektrycznego przepływającego między końcówką a powierzchnią. Można to zmierzyć. Dzięki tym ciągłym zmianom mikroskop tunelowy dostarcza informacji o strukturze i topografii powierzchni. Na jej podstawie budowany jest trójwymiarowy model w skali atomowej, co daje obraz próbki.
Tunelowanie
Gdy końcówka zbliża się do próbki, odległość między nią a powierzchnią zmniejsza się do wartości porównywalnej z przerwą między sąsiednimi atomami w sieci. Elektron tunelowy może poruszać się w ich kierunku lub w kierunku atomu na czubku sondy. Prąd w sondzie mierzy gęstość elektronową na powierzchni próbki, a informacja ta jest wyświetlana na obrazie. Układ okresowy atomów jest wyraźnie widoczny na materiałach takich jak złoto, platyna, srebro, nikiel i miedź. próżniatunelowanie elektronów z końcówki do próbki może wystąpić, nawet jeśli środowisko nie jest próżnią, ale wypełnione cząsteczkami gazu lub cieczy.
Tworzenie wysokości bariery
Spektroskopia wysokości bariery lokalnej dostarcza informacji o przestrzennym rozkładzie funkcji pracy powierzchni mikroskopowej. Obraz uzyskuje się poprzez pomiar punkt po punkcie logarytmicznej zmiany prądu tunelowego z uwzględnieniem przekształcenia w szczelinę dzielącą. Podczas pomiaru wysokości bariery odległość między sondą a próbką jest modulowana sinusoidalnie za pomocą dodatkowego napięcia AC. Okres modulacji jest wybierany tak, aby był znacznie krótszy niż stała czasowa pętli sprzężenia zwrotnego w mikroskopie tunelowym.
Znaczenie
Ten typ mikroskopu z sondą skanującą umożliwił rozwój nanotechnologii, które muszą manipulować obiektami o rozmiarach nanometrów (mniejszych niż długość fali światła widzialnego między 400 a 800 nm). Mikroskop tunelowy wyraźnie ilustruje mechanikę kwantową, mierząc kwant powłoki. Obecnie obserwuje się amorficzne materiały niekrystaliczne za pomocą mikroskopii sił atomowych.
Przykład krzemu
Powierzchnie silikonowe zostały przebadane bardziej szczegółowo niż jakikolwiek inny materiał. Zostały przygotowane przez ogrzewanie w próżni do takiej temperatury, że atomy zostały zrekonstruowane w procesie wywołanym. Rekonstrukcja została bardzo szczegółowo przestudiowana. Złożony wzór uformowany na powierzchni, znany jako Takayanagi 7 x 7. Atomy utworzyły pary,lub dimery pasujące do rzędów rozciągających się na całym badanym kawałku krzemu.
Badania
Badania nad zasadą działania mikroskopu tunelowego doprowadziły do wniosku, że może on pracować w otaczającej atmosferze w taki sam sposób, jak w próżni. Pracuje w powietrzu, wodzie, cieczach elektroizolacyjnych i roztworach jonowych stosowanych w elektrochemii. Jest to znacznie wygodniejsze niż urządzenia wysokiego podciśnienia.
Mikroskop tunelowy można schłodzić do minus 269 °C i podgrzać do plus 700 °C. Niska temperatura służy do badania właściwości materiałów nadprzewodzących, a wysoka temperatura jest wykorzystywana do badania szybkiej dyfuzji atomów przez powierzchnię metali i ich korozji.
Mikroskop tunelowy jest używany głównie do obrazowania, ale zbadano wiele innych zastosowań. Do przemieszczania atomów po powierzchni próbki wykorzystano silne pole elektryczne między sondą a próbką. Zbadano wpływ mikroskopu tunelowego na różne gazy. W jednym badaniu napięcie wynosiło cztery wolty. Pole na końcówce było wystarczająco silne, aby usunąć atomy z końcówki i umieścić je na podłożu. Procedura ta została wykorzystana ze złotą sondą do stworzenia małych złotych wysp na podłożu z kilkoma setkami atomów złota każda. W trakcie badań wynaleziono hybrydowy mikroskop tunelowy. Oryginalne urządzenie zostało zintegrowane z bipotencjostatem.
