Tunelový mikroskop je extrémně výkonný nástroj pro studium elektronické struktury systémů v pevné fázi. Jeho topografické snímky pomáhají při aplikaci technik povrchové analýzy specifických pro chemické látky, což vede ke strukturní definici povrchu. V tomto článku se můžete dozvědět o zařízení, funkcích a významu a také si prohlédnout fotografii tunelového mikroskopu.
Tvůrci
Před vynálezem takového mikroskopu byly možnosti studia atomové struktury povrchů omezeny především na difrakční metody využívající svazky rentgenových paprsků, elektronů, iontů a dalších částic. Průlom nastal, když švýcarští fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vyvinuli první tunelovací mikroskop. Pro svůj první obrázek si vybrali povrch zlata. Když se obraz zobrazil na televizním monitoru, viděli řady přesně uspořádaných atomů a pozorovali široké terasy oddělené schody o výšce jednoho atomu. Binnig a Rohrerobjevil jednoduchou metodu pro vytvoření přímého obrazu atomové struktury povrchů. Jejich působivý úspěch byl oceněn Nobelovou cenou za fyziku v roce 1986.
Předchůdce
Podobný mikroskop zvaný Topografiner vynalezl Russell Young a jeho kolegové v letech 1965 až 1971 v National Bureau of Standards. V současné době je to Národní institut pro standardy a technologie. Tento mikroskop funguje na principu, že levý a pravý piezo měnič snímá hrot nad a mírně nad povrchem vzorku. Centrální piezoelektrický pohon serveru je řízen serverovým systémem, aby bylo udržováno konstantní napětí. To má za následek trvalé vertikální oddělení mezi špičkou a povrchem. Elektronový multiplikátor detekuje nepatrný zlomek tunelovacího proudu, který se rozptýlí na povrchu vzorku.
Schamatické zobrazení
Sestava tunelového mikroskopu obsahuje následující součásti:
- tip pro skenování;
- ovladač pro přesun hrotu z jedné souřadnice na druhou;
- systém izolace vibrací;
- počítač.
Hrot je často vyroben z wolframu nebo platiny-iridiové, ačkoli se používá i zlato. Počítač se používá ke zlepšení obrazu zpracováním obrazu ak provádění kvantitativních měření.
Jak to funguje
Princip fungování tunelumikroskop je poměrně složitý. Elektrony v horní části hrotu nejsou omezeny na oblast uvnitř kovu potenciálovou bariérou. Pohybují se překážkou jako jejich pohyb v kovu. Vytváří se iluze volně se pohybujících částic. Ve skutečnosti se elektrony pohybují z atomu na atom a procházejí potenciální bariérou mezi dvěma atomovými místy. Pro každé přiblížení k bariéře je pravděpodobnost vyražení tunelu 10:4. Elektrony jej protínají rychlostí 1013 za sekundu. Tato vysoká přenosová rychlost znamená, že pohyb je podstatný a nepřetržitý.
Posunutím špičky kovu po povrchu na velmi malou vzdálenost, překrytím atomových mračen, dojde k atomové výměně. To vytváří malé množství elektrického proudu procházejícího mezi hrotem a povrchem. Dá se to změřit. Prostřednictvím těchto probíhajících změn poskytuje tunelovací mikroskop informace o struktuře a topografii povrchu. Na jeho základě je sestaven trojrozměrný model v atomovém měřítku, který poskytuje obraz vzorku.
Tunely
Když se hrot přiblíží ke vzorku, vzdálenost mezi ním a povrchem se zmenší na hodnotu srovnatelnou s mezerou mezi sousedními atomy v mřížce. Tunelový elektron se může pohybovat buď směrem k nim, nebo směrem k atomu na špičce sondy. Proud v sondě měří hustotu elektronů na povrchu vzorku a tato informace je zobrazena na obrázku. Periodické pole atomů je jasně viditelné na materiálech, jako je zlato, platina, stříbro, nikl a měď. vakuumtunelování elektronů z hrotu do vzorku může nastat, i když prostředí není vakuum, ale naplněné molekulami plynu nebo kapaliny.
Vytvoření výšky bariéry
Spektroskopie výšky lokální bariéry poskytuje informace o prostorovém rozložení funkce mikroskopické povrchové práce. Snímek je získán bodovým měřením logaritmické změny tunelového proudu s přihlédnutím k transformaci na dělicí mezeru. Při měření výšky bariéry je vzdálenost mezi sondou a vzorkem modulována sinusově pomocí přídavného střídavého napětí. Doba modulace je zvolena tak, aby byla mnohem kratší než časová konstanta zpětnovazební smyčky v tunelovém mikroskopu.
Význam
Tento typ rastrovacího sondového mikroskopu umožnil vývoj nanotechnologií, které musí manipulovat s předměty o velikosti nanometrů (menší než vlnová délka viditelného světla mezi 400 a 800 nm). Tunelový mikroskop jasně ilustruje kvantovou mechaniku měřením skořápkového kvanta. Dnes jsou amorfní nekrystalické materiály pozorovány pomocí mikroskopie atomární síly.
Příklad křemíku
Křemíkové povrchy byly studovány rozsáhleji než jakýkoli jiný materiál. Byly připraveny zahřátím ve vakuu na takovou teplotu, aby došlo k rekonstrukci atomů v evokovaném procesu. Rekonstrukce byla velmi podrobně prostudována. Na povrchu se vytvořil složitý vzor, známý jako Takayanagi 7 x 7. Atomy vytvořily páry,nebo dimery, které zapadají do řad táhnoucích se přes celý zkoumaný kus křemíku.
Výzkum
Výzkum fungování tunelového mikroskopu vedl k závěru, že může fungovat v okolní atmosféře stejně jako ve vakuu. Byl provozován ve vzduchu, vodě, izolačních kapalinách a iontových roztocích používaných v elektrochemii. To je mnohem pohodlnější než zařízení s vysokým vakuem.
Tunelový mikroskop lze ochladit na minus 269 °C a zahřát na plus 700 °C. Nízká teplota se používá ke studiu vlastností supravodivých materiálů a vysoká teplota se používá ke studiu rychlé difúze atomů povrchem kovů a jejich koroze.
Tunelový mikroskop se používá především pro zobrazování, ale existuje mnoho dalších využití, která byla prozkoumána. K pohybu atomů po povrchu vzorku bylo použito silné elektrické pole mezi sondou a vzorkem. Byl studován vliv tunelovacího 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 k vytvoření malých zlatých ostrůvků na substrátu, každý s několika stovkami atomů zlata. Během výzkumu byl vynalezen hybridní tunelovací mikroskop. Původní zařízení bylo integrováno s bipotenciostatem.
