Tunnelmikroskoop on äärmiselt võimas tööriist tahkissüsteemide elektroonilise struktuuri uurimiseks. Selle topograafilised kujutised aitavad rakendada keemiliselt spetsiifilisi pinnaanalüüsi tehnikaid, mille tulemuseks on pinna struktuurne määratlus. Sellest artiklist saate lisateavet seadme, funktsioonide ja tähenduse kohta ning näha fotot tunnelmikroskoobist.
Loojad
Enne sellise mikroskoobi leiutamist piirdusid pindade aatomistruktuuri uurimise võimalused peamiselt röntgenkiirte, elektronide, ioonide ja muude osakeste kiirte kasutavate difraktsioonimeetoditega. Läbimurre saabus siis, kui Šveitsi füüsikud Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer töötasid välja esimese tunnelmikroskoobi. Nad valisid oma esimese pildi jaoks kulla pinna. Kui pilti kuvati teleriekraanil, nägid nad täpselt paigutatud aatomeid ja laiu terrasse, mida eraldasid ühe aatomi kõrgused astmed. Binnig ja Rohreravastas lihtsa meetodi pindade aatomstruktuuri vahetu pildi loomiseks. Nende muljetavaldavat saavutust tunnustati 1986. aastal Nobeli füüsikaauhinnaga.
Eelkäija
Sarnase mikroskoobi nimega Topografiner leiutasid Russell Young ja tema kolleegid aastatel 1965–1971 riiklikus standardibüroos. Praegu on see riiklik standardite ja tehnoloogia instituut. See mikroskoop töötab põhimõttel, et vasak- ja parempoolsed piesodraiverid skaneerivad proovi pinna kohal ja veidi kõrgemal olevat otsa. Keskset pieso-juhitavat serveridraivi juhib serverisüsteem, et säilitada püsiv pinge. Selle tulemuseks on püsiv vertikaalne eraldus otsa ja pinna vahel. Elektronide kordaja tuvastab väikese osa tunnelivoolust, mis hajub proovi pinnal.
Skeemvaade
Tunnelmismikroskoobi komplekt sisaldab järgmisi komponente:
- skannimise näpunäide;
- kontroller tipu liigutamiseks ühelt koordinaadilt teisele;
- vibratsiooniisolatsioonisüsteem;
- arvuti.
Tihti on valmistatud volframist või plaatina-iriidiumist, kuigi kasutatakse ka kulda. Arvutit kasutatakse pildi parandamiseks pilditöötluse abil ja kvantitatiivsete mõõtmiste tegemiseks.
Kuidas see toimib
Tunneli tööpõhimõtemikroskoop on üsna keeruline. Otsa ülaosas olevad elektronid ei ole potentsiaalibarjääri poolt piiratud metalli sees oleva piirkonnaga. Nad liiguvad läbi takistuse nagu nende liikumine metallis. Luuakse illusioon vab alt liikuvatest osakestest. Tegelikkuses liiguvad elektronid aatomilt aatomile, läbides potentsiaalse barjääri kahe aatomikoha vahel. Iga lähenemise korral tõkkele on tunnelistumise tõenäosus 10:4. Elektronid läbivad seda kiirusega 1013 sekundis. See kõrge edastuskiirus tähendab, et liikumine on oluline ja pidev.
Liigutades metalli otsa väga väikese vahemaa võrra üle pinna, kattudes aatomipilvedega, toimub aatomivahetus. See tekitab väikese koguse elektrivoolu, mis voolab otsa ja pinna vahele. Seda saab mõõta. Nende käimasolevate muutuste kaudu annab tunnelmikroskoop teavet pinna struktuuri ja topograafia kohta. Selle põhjal ehitatakse aatomiskaalal kolmemõõtmeline mudel, mis annab proovist pildi.
Tunneldamine
Kui ots liigub proovile lähedale, väheneb selle ja pinna vaheline kaugus väärtuseni, mis on võrreldav võre külgnevate aatomite vahega. Tunneli elektron võib liikuda kas nende poole või sondi otsas oleva aatomi poole. Sondi vool mõõdab elektronide tihedust proovi pinnal ja see teave kuvatakse pildil. Perioodiline aatomite hulk on selgelt nähtav sellistel materjalidel nagu kuld, plaatina, hõbe, nikkel ja vask. vaakumelektronide tunnelistumine tipust proovini võib toimuda isegi siis, kui keskkond ei ole vaakum, vaid täidetud gaasi- või vedelikumolekulidega.
Barjääri kõrguse kujunemine
Kohalik barjääri kõrgusspektroskoopia annab teavet mikroskoopilise pinnatöö funktsiooni ruumilise jaotuse kohta. Pilt saadakse tunneli voolu logaritmilise muutuse punkt-punkti mõõtmisel, võttes arvesse teisenemist jagavaks piluks. Barjääri kõrguse mõõtmisel moduleeritakse sondi ja proovi vahelist kaugust sinusoidaalselt täiendava vahelduvpinge abil. Modulatsiooniperiood valitakse palju lühemaks kui tunnelmikroskoobi tagasisideahela ajakonstant.
Tähendus
Seda tüüpi skaneeriva sondiga mikroskoop on võimaldanud arendada nanotehnoloogiaid, mis peavad manipuleerima nanomeetri suuruste objektidega (väiksemad kui nähtava valguse lainepikkus vahemikus 400–800 nm). Tunnelmikroskoop illustreerib selgelt kvantmehaanikat, mõõtes kestakvanti. Tänapäeval vaadeldakse amorfseid mittekristallilisi materjale aatomjõumikroskoopia abil.
Räni näide
Ränipindu on uuritud ulatuslikum alt kui mis tahes muid materjale. Need valmistati vaakumis kuumutamisel sellise temperatuurini, et aatomid rekonstrueeriti esilekutsutud protsessis. Rekonstrueerimist on uuritud väga põhjalikult. Pinnale moodustatud keeruline muster, tuntud kui Takayanagi 7 x 7. Aatomid moodustasid paarid,või dimeerid, mis sobivad ridadesse, mis ulatuvad läbi kogu uuritava ränitüki.
Uuring
Tunnelikmikroskoobi tööpõhimõtte uurimisel jõuti järeldusele, et see võib töötada ümbritsevas atmosfääris samamoodi nagu vaakumis. Seda on kasutatud õhus, vees, isoleerivates vedelikes ja elektrokeemias kasutatavates ioonlahustes. See on palju mugavam kui kõrgvaakumseadmed.
Tunnelmikroskoopi saab jahutada miinus 269 °C-ni ja soojendada pluss 700 °C-ni. Ülijuhtivate materjalide omaduste uurimiseks kasutatakse madalat temperatuuri ning aatomite kiiret difusiooni läbi metallide pinna ja nende korrosiooni uurimiseks kõrget temperatuuri.
Tunnellusmikroskoopi kasutatakse peamiselt pildistamiseks, kuid uuritud on ka palju muid kasutusviise. Aatomite liigutamiseks piki proovi pinda kasutati sondi ja proovi vahelist tugevat elektrivälja. Uuritud on tunnelmikroskoobi mõju erinevates gaasides. Ühes uuringus oli pinge neli volti. Otsa väli oli piisav alt tugev, et eemaldada aatomid otsast ja asetada need substraadile. Seda protseduuri kasutati kullasondiga väikeste kullasaarte valmistamiseks substraadile, millest igaühes oli mitusada kullaaatomit. Uurimise käigus leiutati hübriidne tunnelmikroskoop. Algne seade oli integreeritud bipotentsiostaadiga.
