Tunelski mikroskop je izuzetno moćan alat za proučavanje elektronske strukture čvrstih sistema. Njegove topografske slike pomažu u primjeni tehnika analize površine specifičnih za kemikalije, što dovodi do strukturne definicije površine. Možete saznati više o uređaju, funkcijama i značenju, kao i vidjeti fotografiju tunelskog mikroskopa u ovom članku.
Kreatori
Prije pronalaska ovakvog mikroskopa, mogućnosti proučavanja atomske strukture površina uglavnom su bile ograničene na metode difrakcije pomoću snopa rendgenskih zraka, elektrona, jona i drugih čestica. Proboj je uslijedio kada su švicarski fizičari Gerd Binnig i Heinrich Rohrer razvili prvi tunelski mikroskop. Za svoju prvu sliku odabrali su površinu zlata. Kada je slika prikazana na televizijskom monitoru, vidjeli su nizove precizno raspoređenih atoma i promatrali široke terase razdvojene stepenicama visokim po jedan atom. Binnig i Rohrerotkrio jednostavnu metodu za stvaranje direktne slike atomske strukture površina. Njihovo impresivno dostignuće priznato je Nobelovom nagradom za fiziku 1986.
Prekursor
Sličan mikroskop nazvan Topografiner izumio je Russell Young i njegove kolege između 1965. i 1971. godine u Nacionalnom birou za standarde. Trenutno je to Nacionalni institut za standarde i tehnologiju. Ovaj mikroskop radi na principu da lijevi i desni piezo drajveri skeniraju vrh iznad i malo iznad površine uzorka. Centralni piezo-kontrolisani serverski pogon je kontrolisan od strane serverskog sistema kako bi se održao konstantan napon. Ovo rezultira trajnim vertikalnim odvajanjem između vrha i površine. Multiplikator elektrona detektuje mali dio struje tunela koja se rasipa na površini uzorka.
Šematski prikaz
Sklop tunelskog mikroskopa uključuje sljedeće komponente:
- savjet za skeniranje;
- kontroler za pomicanje vrha s jedne koordinate na drugu;
- sistem za izolaciju vibracija;
- kompjuter.
Vrh je često napravljen od volframa ili platina-iridijuma, iako se koristi i zlato. Računar se koristi za poboljšanje slike kroz obradu slike i za kvantitativna mjerenja.
Kako radi
Princip rada tunelamikroskop je prilično komplikovan. Elektroni na vrhu vrha nisu ograničeni na područje unutar metala potencijalnom barijerom. Oni se kreću kroz prepreku poput njihovog kretanja u metalu. Stvara se iluzija čestica koje se slobodno kreću. U stvarnosti, elektroni se kreću od atoma do atoma, prolazeći kroz potencijalnu barijeru između dva atomska mjesta. Za svaki pristup barijeri, vjerovatnoća tuneliranja je 10:4. Elektroni ga prelaze brzinom od 1013 u sekundi. Ova visoka brzina prijenosa znači da je kretanje značajno i kontinuirano.
Pomeranjem vrha metala preko površine na vrlo maloj udaljenosti, preklapajući atomske oblake, vrši se atomska razmena. Ovo stvara malu količinu električne struje koja teče između vrha i površine. Može se izmjeriti. Kroz ove tekuće promjene, tunelski mikroskop pruža informacije o strukturi i topografiji površine. Na osnovu njega se gradi trodimenzionalni model u atomskoj skali, koji daje sliku uzorka.
Probijanje tunela
Kada se vrh približi uzorku, razmak između njega i površine se smanjuje na vrijednost koja se može uporediti s razmakom između susjednih atoma u rešetki. Tunelski elektron se može kretati ili prema njima ili prema atomu na vrhu sonde. Struja u sondi mjeri gustinu elektrona na površini uzorka, a ta informacija se prikazuje na slici. Periodični niz atoma je jasno vidljiv na materijalima kao što su zlato, platina, srebro, nikl i bakar. vakuumtuneliranje elektrona od vrha do uzorka može se dogoditi iako okolina nije vakuum, već ispunjena molekulima plina ili tekućine.
Formiranje visine barijere
Spektroskopija visine lokalne barijere pruža informacije o prostornoj distribuciji radne funkcije mikroskopske površine. Slika se dobija merenjem tačku po tačku logaritamske promene struje tunela, uzimajući u obzir transformaciju u razdelni jaz. Prilikom mjerenja visine barijere, rastojanje između sonde i uzorka se modulira sinusno pomoću dodatnog naizmjeničnog napona. Period modulacije je odabran da bude mnogo kraći od vremenske konstante povratne petlje u tunelskom mikroskopu.
Značenje
Ova vrsta skenirajućeg sondnog mikroskopa omogućila je razvoj nanotehnologija koje moraju manipulirati objektima veličine nanometara (manjim od talasne dužine vidljive svjetlosti između 400 i 800 nm). Tunelski mikroskop jasno ilustruje kvantnu mehaniku mjerenjem kvanta ljuske. Danas se amorfni nekristalni materijali posmatraju pomoću mikroskopije atomske sile.
Primjer silikona
Površine silikona su proučavane opširnije od bilo kojeg drugog materijala. Pripremljeni su zagrijavanjem u vakuumu do takve temperature da su atomi rekonstruirani u izazvanom procesu. Rekonstrukcija je detaljno proučena. Složeni uzorak formiran na površini, poznat kao Takayanagi 7 x 7. Atomi su formirali parove,ili dimeri koji se uklapaju u redove koji se protežu preko cijelog komada silicijuma koji se proučava.
Istraživanje
Istraživanje principa rada tunelskog mikroskopa dovelo je do zaključka da on može raditi u okolnoj atmosferi na isti način kao u vakuumu. Radio je u vazduhu, vodi, izolacionim tečnostima i jonskim rastvorima koji se koriste u elektrohemiji. Ovo je mnogo praktičnije od uređaja sa visokim vakuumom.
Mikroskop za tuneliranje se može ohladiti na minus 269 °C i zagrijati na plus 700 °C. Niska temperatura se koristi za proučavanje svojstava supravodljivih materijala, a visoka temperatura se koristi za proučavanje brze difuzije atoma kroz površinu metala i njihove korozije.
Mikroskop za tuneliranje se prvenstveno koristi za snimanje, ali postoje mnoge druge namjene koje su istražene. Snažno električno polje između sonde i uzorka korišteno je za pomicanje atoma duž površine uzorka. Proučavano je djelovanje tunelskog mikroskopa u različitim plinovima. U jednoj studiji, napon je bio četiri volta. Polje na vrhu bilo je dovoljno jako da ukloni atome sa vrha i stavi ih na podlogu. Ovaj postupak je korišten sa zlatnom sondom za pravljenje malih zlatnih ostrva na podlozi sa po nekoliko stotina atoma zlata. Tokom istraživanja izumljen je hibridni tunelski mikroskop. Originalni uređaj je integrisan sa bipotenciostatom.
