Tunnelimikroskooppi on erittäin tehokas työkalu solid-state-järjestelmien elektroniikkarakenteen tutkimiseen. Sen topografiset kuvat auttavat soveltamaan kemiallisesti spesifisiä pinta-analyysitekniikoita, mikä johtaa pinnan rakenteelliseen määrittelyyn. Voit oppia laitteesta, toiminnoista ja merkityksestä sekä katsoa valokuvan tunnelointimikroskoopista tästä artikkelista.
Tekijät
Ennen tällaisen mikroskoopin keksimistä mahdollisuudet pintojen atomirakenteen tutkimiseen rajoittuivat pääasiassa diffraktiomenetelmiin, joissa käytettiin röntgensäteitä, elektroneja, ioneja ja muita hiukkasia. Läpimurto tapahtui, kun sveitsiläiset fyysikot Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer kehittivät ensimmäisen tunnelimikroskoopin. He valitsivat kullan pinnan ensimmäiseksi kuvakseen. Kun kuva näytettiin televisiossa, he näkivät rivejä tarkasti järjestettyjä atomeja ja havaitsivat leveitä terasseja, joita erotti yhden atomin korkeus portaat. Binnig ja Rohrerlöysi yksinkertaisen menetelmän suoran kuvan luomiseksi pintojen atomirakenteesta. Heidän vaikuttava saavutuksensa tunnustettiin Nobelin fysiikanpalkinnolla vuonna 1986.
Prekursori
Russell Young ja hänen kollegansa keksivät samanlaisen mikroskoopin nimeltä Topografiner vuosina 1965-1971 National Bureau of Standardsissa. Se on tällä hetkellä National Institute of Standards and Technology. Tämä mikroskooppi toimii periaatteella, että vasen ja oikea pietsosajuri skannaa kärkeä näytteen pinnan yläpuolella ja hieman yläpuolella. Palvelinjärjestelmä ohjaa keskuspietsoohjattua palvelinasemaa tasaisen jännitteen ylläpitämiseksi. Tämä johtaa pysyvään pystysuoraan eroon kärjen ja pinnan välillä. Elektronikerroin havaitsee pienen osan tunnelointivirrasta, joka hajoaa näytteen pinnalle.
Kaavakuva
Tunnelointimikroskooppikokoonpano sisältää seuraavat osat:
- skannausvinkki;
- ohjain siirtää kärjen yhdestä koordinaatista toiseen;
- tärinänvaimennusjärjestelmä;
- tietokone.
Kärki on usein valmistettu volframista tai platina-iridiumista, vaikka käytetään myös kultaa. Tietokonetta käytetään kuvan parantamiseen kuvankäsittelyn avulla ja kvantitatiivisten mittausten tekemiseen.
Kuinka se toimii
Tunnelin toimintaperiaatemikroskooppi on melko monimutkainen. Kärjen yläosassa olevat elektronit eivät rajoitu metallin sisällä olevaan alueeseen potentiaaliesteen avulla. Ne liikkuvat esteen läpi kuin liikkumisensa metallissa. Illuusio vapaasti liikkuvista hiukkasista syntyy. Todellisuudessa elektronit liikkuvat atomista atomiin kulkemalla potentiaaliesteen läpi kahden atomipaikan välillä. Jokaisen esteen lähestymisen os alta tunneloitumisen todennäköisyys on 10:4. Elektronit ylittävät sen nopeudella 1013 sekunnissa. Tämä korkea lähetysnopeus tarkoittaa, että liike on huomattavaa ja jatkuvaa.
Atomien vaihto suoritetaan siirtämällä metallin kärkeä pinnan yli hyvin pienen matkan, jolloin se menee päällekkäin atomipilvien kanssa. Tämä luo pienen määrän sähkövirtaa, joka virtaa kärjen ja pinnan väliin. Se voidaan mitata. Näiden jatkuvien muutosten kautta tunnelimikroskooppi antaa tietoa pinnan rakenteesta ja topografiasta. Sen perusteella rakennetaan atomimittakaavaan kolmiulotteinen malli, joka antaa kuvan näytteestä.
Tunnelointi
Kun kärki liikkuu lähelle näytettä, sen ja pinnan välinen etäisyys pienenee arvoon, joka on verrattavissa hilan vierekkäisten atomien väliseen rakoon. Tunnelielektroni voi liikkua joko niitä kohti tai kohti atomia koettimen kärjessä. Anturin virta mittaa elektronitiheyttä näytteen pinnalla ja tämä tieto näkyy kuvassa. Jaksottainen atomijoukko näkyy selvästi materiaaleissa, kuten kullassa, platinassa, hopeassa, nikkelissä ja kuparissa. tyhjiöelektronien tunneloitumista kärjestä näytteeseen voi tapahtua, vaikka ympäristö ei ole tyhjiö, vaan täynnä kaasua tai nestemäisiä molekyylejä.
Esteen korkeuden muodostuminen
Paikallinen esteen korkeusspektroskopia antaa tietoa mikroskooppisen pintatyöfunktion tilajakaumasta. Kuva saadaan mittaamalla piste pisteeltä tunnelin virran logaritminen muutos, jossa huomioidaan muunnos jakoväliksi. Esteen korkeutta mitattaessa anturin ja näytteen välinen etäisyys moduloidaan sinimuotoisesti käyttämällä lisävaihtojännitettä. Modulaatiojakso valitaan paljon lyhyemmäksi kuin takaisinkytkentäsilmukan aikavakio tunnelointimikroskoopissa.
Merkitys
Tämän tyyppinen pyyhkäisyanturimikroskooppi on mahdollistanut nanoteknologioiden kehittämisen, joiden on manipuloitava nanometrin kokoisia esineitä (pienempi kuin näkyvän valon aallonpituus välillä 400-800 nm). Tunnelointimikroskooppi havainnollistaa selkeästi kvanttimekaniikkaa mittaamalla kuoren kvanttia. Nykyään amorfisia ei-kiteisiä materiaaleja tarkkaillaan atomivoimamikroskoopilla.
Pii-esimerkki
Piipintoja on tutkittu laajemmin kuin mitään muuta materiaalia. Ne valmistettiin kuumentamalla tyhjiössä sellaiseen lämpötilaan, että atomit rakennettiin uudelleen herätetyssä prosessissa. Rekonstruktiota on tutkittu erittäin yksityiskohtaisesti. Pintaan muodostui monimutkainen kuvio, joka tunnetaan nimellä Takayanagi 7 x 7. Atomit muodostivat pareja,tai dimeerit, jotka sopivat riveihin, jotka ulottuvat koko tutkittavan piipalan poikki.
Tutkimus
Tunnelimikroskoopin toimintaperiaatetta koskeva tutkimus johti johtopäätökseen, että se voi toimia ympäröivässä ilmakehässä samalla tavalla kuin tyhjiössä. Sitä on käytetty ilmassa, vedessä, eristävissä nesteissä ja sähkökemiassa käytetyissä ioniliuoksissa. Tämä on paljon kätevämpää kuin korkeapainelaitteet.
Tunnelointimikroskooppi voidaan jäähdyttää -269 °C:seen ja lämmittää plus 700 °C:seen. Matalalla lämpötilalla tutkitaan suprajohtavien materiaalien ominaisuuksia ja korkealla atomien nopeaa diffuusiota metallien pinnan läpi ja niiden korroosiota.
Tunnelointimikroskooppia käytetään ensisijaisesti kuvantamiseen, mutta monia muita käyttötarkoituksia on tutkittu. Anturin ja näytteen välistä voimakasta sähkökenttää käytettiin siirtämään atomeja pitkin näytteen pintaa. Tunnelimikroskoopin vaikutusta erilaisiin kaasuihin on tutkittu. Eräässä tutkimuksessa jännite oli neljä volttia. Kärjen kenttä oli tarpeeksi vahva poistamaan atomit kärjestä ja sijoittamaan ne alustalle. Tätä menettelyä käytettiin kultakoettimen kanssa pienten kultasaarekkeiden tekemiseen alustalle, jossa kussakin oli useita satoja kultaatomeja. Tutkimuksen aikana keksittiin hybriditunnelimikroskooppi. Alkuperäinen laite oli integroitu bipotentiostaatilla.
