Tunelový mikroskop: historie stvoření, zařízení a pracovní princip

Tunelový mikroskop je extrémně výkonný nástroj pro studium elektronické struktury systémů v pevné fázi. Jeho topografické obrazy pomáhají při aplikaci povrchových analytických technik s chemickou specifičností, což vede ke strukturálnímu určení povrchu. V tomto článku se můžete dozvědět o zařízení, funkcích a hodnotě a také se podívat na fotografii tunelového mikroskopu.

Tvůrce

Před vynálezem takového mikroskopu byly možnosti studia atomové struktury povrchů omezeny hlavně na difrakční metody využívající rentgenové paprsky, elektrony, ionty a další částice. Průlom nastal, když švýcarští fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vyvinuli první tunelový mikroskop. Pro svůj první obrázek si vybrali zlatý povrch. Když byl obraz zobrazen na obrazovce televizního monitoru, viděli řady přesně uspořádaných atomů a pozorovali široké terasy oddělené kroky o výšce jednoho atomu. Binnig a Rohrer objevili jednoduchou metodu pro vytvoření přímého obrazu atomové struktury povrchů. Jejich působivý úspěch byl uznán Nobelovou cenou za fyziku v roce 1986.

Předchůdce

Podobný mikroskop s názvem Topografiner vynalezl Russell Young a jeho kolegové v letech 1965 až 1971 v Národním úřadu pro standardy. Nyní je Národním institutem pro standardy a technologie. Tento mikroskop pracuje na principu, že levé a pravé piezo ovladače skenují špičku nad a mírně nad povrchem vzorku. Centrální piezo-řízený serverový pohon je řízen serverovým systémem pro udržení konstantního napětí. To vede k trvalému svislému oddělení mezi špičkou a povrchem. Elektronový multiplikátor detekuje malý zlomek tunelového proudu, který je rozptýlen na povrchu vzorku.

Schematický pohled

Zařízení tunelového mikroskopu obsahuje následující komponenty:

• skenovací špička;
• regulátor pro pohyb špičky z jedné souřadnice do druhé;
• vibrační Izolační systém;
• počítač.

Špička je často vyrobena z wolframu nebo platiny-iridia, i když se používá také zlato. Počítač se používá ke zlepšení obrazu jeho zpracováním a k provádění kvantitativních měření.

Jak funguje

Princip fungování tunelového mikroskopu je poměrně složitý. Elektrony na špičce nejsou omezeny na oblast uvnitř kovu potenciální bariérou. Pohybují se přes překážku podobně jako jejich pohyb v kovu. Vytváří se iluze volně se pohybujících částic. Ve skutečnosti se elektrony pohybují od atomu k atomu a procházejí potenciální bariérou mezi dvěma atomovými místy. Pro každý přístup k bariéře je pravděpodobnost tunelování 10:4. Elektrony ho protínají rychlostí 1013 ks za sekundu. Tato vysoká rychlost přenosu znamená, že pohyb je významný a nepřetržitý.

Pohybem špičky kovu po povrchu na velmi malé, překrývající se atomové mraky vzdálenost se provádí atomová výměna. Tím se vytvoří malé množství elektrického proudu proudícího mezi špičkou a povrchem. Lze jej měřit. Díky těmto současným změnám poskytuje tunelový mikroskop informace o struktuře a topografii povrchu. Na jeho základě je vytvořen trojrozměrný model V atomovém měřítku, který poskytuje obraz vzorku.

Tunelování

Když se hrot pohybuje blízko vzorku, vzdálenost mezi ním a povrchem se zmenší na velikost srovnatelnou s mezerou mezi sousedními atomy v mřížce. Tunelový elektron se může pohybovat buď směrem k nim, nebo k atomu na špičce sondy. Proud v sondě měří hustotu elektronů na povrchu vzorku a tyto informace jsou zobrazeny na obrázku. Periodické pole atomů je jasně viditelné na materiálech jako zlato, platina, stříbro, nikl a měď. Vakuové tunelování elektronů od špičky ke vzorku může nastat, i když životní prostředí není je vakuum a je naplněno molekulami plynu nebo kapaliny.

Vytvoření výšky bariéry

Výšková spektroskopie lokální bariéry poskytuje informace o prostorovém rozložení mikroskopické funkce povrchové práce. Obrázek se získá měřením logaritmické změny tunelového proudu z hlediska transformace na separační zlom. Při měření výšky bariéry je vzdálenost mezi sondou a vzorkem modulována sinusovým zákonem pomocí dalšího střídavého napětí. Doba modulace je vybrána mnohem kratší než časová konstanta zpětné vazby v tunelovém mikroskopu.

Hodnota

Tento typ skenovacích sondových mikroskopů umožnil vývoj nanotechnologií, které by měly manipulovat s objekty nanometrické velikosti (menší než vlnová délka viditelného světla 400 až 800 Nm). Tunelový mikroskop jasně ilustruje kvantovou mechaniku měřením kvantového pláště. Dnes jsou amorfní nekrystalické materiály pozorovány mikroskopií atomové síly.

Příklad na křemíku

Povrchy křemíku byly studovány obecněji než jakýkoli jiný materiál. Byly připraveny zahříváním ve vakuu na takovou teplotu, že atomy byly rekonstruovány v indukovaném procesu. Rekonstrukce byla podrobně prozkoumána. Na povrchu se vytvořil složitý vzor známý jako Takayanagi 7 x 7. Atomy vytvořily páry nebo dimery, které zapadly do řad, které se táhly po celé studované části křemíku.

Výzkumy

Studie principu fungování tunelového mikroskopu vedly k závěru, že může pracovat v okolní atmosféře stejným způsobem jako ve vakuu. Byl provozován ve vzduchu, vodě, izolačních kapalinách a iontových rozlišeních používaných v elektrochemii. To je mnohem pohodlnější než vysoce vakuová zařízení.

Tunelový mikroskop lze ochladit na teplotu minus 269 °C a zahřát na plus 700 °C. Nízká teplota se používá ke zkoumání vlastností supravodivých materiálů a vysoká teplota ke studiu rychlé difúze atomů přes povrch kovů a jejich koroze.

Tunelový mikroskop se používá v hlavně pro vizualizace, ale existuje mnoho další aplikace, které byly studovány. Silné elektrické pole mezi sondou a vzorkem bylo použito k pohybu atomů podél povrchu vzorku. Byl studován účinek tunelového mikroskopu v různých plynech. V jedné studii bylo napětí čtyři volty. Pole na špičce bylo dostatečně silné, aby odstranilo atomy ze špičky a umístilo je na substrát. Tento postup byl použit se zlatou sondou pro výrobu malé zlaté ostrůvky na substrátu s několika stovkami atomů zlata v každém. Během výzkumu byl vynalezen mikroskop hybridního tunelu. Původní zařízení bylo integrováno s bipotenciostatem.