Microscopul cu tuneluri: istoric, construcție și principiu de funcționare

Microscopul cu efect tunel - un instrument extrem de puternic pentru studierea structurii electronice a sistemelor în stare solidă. Imaginile sale topografice ajută la aplicarea tehnicilor de analiză a suprafețelor cu specificitate chimică, conducând la determinarea structurală a suprafeței. Pentru a afla mai multe despre construcția, funcția și importanța unui microscop cu efect de tunelare și pentru a vedea o fotografie a unui microscop cu efect de tunelare, consultați acest articol.

Creatori

Înainte de inventarea acestui tip de microscop, capacitatea de a studia structura atomică a suprafețelor era în mare parte limitată la metodele de difracție care foloseau fascicule de raze X, electroni, ioni și alte particule. Descoperirea a venit atunci când fizicienii elvețieni Gerd Binnig și Heinrich Rohrer au dezvoltat primul microscop cu efect tunelizant. Au ales o suprafață aurie pentru prima lor imagine. Când imaginea a fost afișată pe un monitor de televiziune, ei au putut vedea rânduri de atomi aliniați cu precizie și au observat terase largi separate de trepte înalte de un atom. Binnig și Rohrer descoperă o metodă simplă de a crea o imagine directă a structurii atomice a suprafețelor. Realizările lor impresionante au fost recunoscute cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1986.

Predecesorul lui

Un microscop similar, numit Topografiner, a fost inventat de Russell Young și colegii săi între 1965 și 1971 la National Bureau of Standards. Acum, Institutul Național de Standarde și Tehnologie. Acest microscop funcționează pe principiul că driverele piezoelectrice din stânga și din dreapta scanează vârful deasupra și ușor deasupra suprafeței specimenului. Un actuator central al serverului cu comandă piezoelectrică este controlat de sistemul serverului pentru a menține o tensiune constantă. Acest lucru are ca rezultat o separare verticală constantă între vârf și suprafață. Un multiplicator de electroni detectează o mică parte din curentul de tunelare care difuzează în suprafața probei.

Vedere schematică

Structura unui microscop cu efect de tunelizare include următoarele componente:

• sfat de scanare;
• controler pentru deplasarea vârfului de la o coordonată la alta;
• sistem de izolare a vibrațiilor;
• calculator.

Vârful este adesea fabricat din tungsten sau platină-iridiu, deși se folosește și aurul. Un computer este utilizat pentru a îmbunătăți imaginea prin procesarea acesteia și pentru a face măsurători cantitative.

Cum funcționează

Principiul de funcționare al unui microscop cu efect de tunelare este destul de complex. Electronii de la vârf nu sunt confinați într-o zonă din interiorul metalului de o barieră de potențial. Ei se deplasează printr-un obstacol, așa cum fac în metal. Creează iluzia de particule care curg liber. Electronii călătoresc de fapt de la un atom la altul, trecând printr-o barieră de potențial între două situsuri atomice. Pentru fiecare barieră, probabilitatea de tunelare este de 10:4. Electronii îl traversează cu o rată de 1013 buc pe secundă. Această rată mare de transmisie înseamnă că mișcarea este substanțială și continuă.

Prin deplasarea vârfului metalic peste suprafață pe o distanță foarte mică, de suprapunere a norilor atomici, are loc un schimb atomic. O cantitate mică de curent electric circulă între vârf și suprafață. Se poate măsura. Datorită acestor modificări continue, microscopul cu efect tunelar oferă informații despre structura și topografia suprafeței. Din aceasta, se construiește un model tridimensional la scară atomică, care oferă o imagine a eșantionului.

Tunelizare

Atunci când vârful este deplasat aproape de probă, distanța dintre vârf și suprafață scade până la o valoare comparabilă cu distanța dintre atomii vecini din rețea. Electronul de tunelizare se poate deplasa fie spre ele, fie spre atomul din vârful sondei. Curentul din sondă măsoară densitatea de electroni de pe suprafața probei, iar această informație este afișată în imagine. Rețeaua periodică de atomi este clar vizibilă pe materiale precum aurul, platina, argintul, nichelul și cuprul. Tunelarea în vid a electronilor de la vârf la specimen poate avea loc chiar dacă mediul nu este este un vid, dar în schimb este plin de molecule gaze sau lichide.

Modelarea înălțimii barierei

Spectroscopia locală a înălțimii barierei oferă informații despre distribuția spațială a funcției microscopice de suprafață. Imagistica se obține prin măsurarea variației logaritmice a curentului de tunel, inclusiv a transformării spațiului de separare. La măsurarea înălțimii barierei, distanța dintre sondă și eșantion este modulată în mod sinusoidal cu o tensiune alternativă suplimentară. Perioada de modulație este aleasă să fie mult mai scurtă decât constanta de timp a buclei de reacție din microscopul cu efect de tunelare.

valoare

Acest tip de microscop cu sondă de scanare a permis dezvoltarea nanotehnologiei pentru a manipula obiecte de dimensiuni nanometrice (mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile de 400-800 nm). Microscopul cu efect de tunelare ilustrează clar mecanica cuantică prin măsurarea cuantică a unei cochilii. Astăzi, materialele amorfe necristaline pot fi observate cu ajutorul microscopiei de forță atomică.

Exemplu pe siliciu

Suprafețele de siliciu au fost studiate mai mult decât orice alt material. Acestea au fost preparate prin încălzire în vid la o asemenea temperatură încât atomii au fost reconstruiți într-un proces indus. Reconstrucția a fost studiată în detaliu. Un model complex, cunoscut sub numele de Takayanagi 7 x 7, s-a format pe suprafață. Atomii au format perechi, sau dimeri, care au format rânduri care se extind de-a lungul siliciului studiat.

Cercetare

Studiile privind principiul microscopului cu efect de tunelare au dus la concluzia că acesta poate funcționa într-o atmosferă ambiantă la fel ca în vid. A fost exploatat în aer, apă, lichide izolatoare și soluții ionice utilizate în electrochimie. Mult mai convenabil decât instrumentele cu vid ridicat.

Microscopul cu efect tunelar poate fi răcit la minus 269°C și încălzit la plus 700°C. Temperatura joasă este utilizată pentru a studia proprietățile materialelor supraconductoare, iar temperatura înaltă este utilizată pentru a studia difuzia rapidă a atomilor prin suprafața metalelor și coroziunea acestora.

Microscop cu efect tunelar utilizat în în principal pentru imagistică, dar sunt multe Alte aplicații care au fost studiate. Un câmp electric puternic între sondă și probă a fost utilizat pentru a deplasa atomii de-a lungul suprafeței probei. A fost studiat efectul unui microscop cu efect de tunelare în diferite gaze. Într-un studiu, tensiunea a fost de patru volți. Câmpul de la vârf a fost suficient de puternic pentru a îndepărta atomii de pe vârf și a-i plasa pe substrat. Această procedură a fost utilizată cu o sondă de aur pentru fabricare Insule mici de aur pe un substrat cu câteva sute de atomi de aur fiecare. Microscopul hibrid cu efect de tunelare a fost inventat în timpul cercetărilor. Dispozitivul original a fost integrat cu un bipotențiostat.