Microscopul tunel este un instrument extrem de puternic pentru studierea structurii electronice a sistemelor cu stare solidă. Imaginile sale topografice ajută la aplicarea tehnicilor de analiză a suprafeței chimice specifice, conducând la o definire structurală a suprafeței. Puteți afla despre dispozitiv, funcții și semnificație, precum și să vedeți o fotografie a unui microscop tunel în acest articol.
Creatori
Înainte de inventarea unui astfel de microscop, posibilitățile de a studia structura atomică a suprafețelor se limitau în principal la metodele de difracție folosind fascicule de raze X, electroni, ioni și alte particule. Descoperirea a venit atunci când fizicienii elvețieni Gerd Binnig și Heinrich Rohrer au dezvoltat primul microscop tunel. Ei au ales suprafața de aur pentru prima lor imagine. Când imaginea a fost afișată pe un monitor de televiziune, ei au văzut șiruri de atomi aranjați cu precizie și au observat terase largi separate prin trepte în alte de un atom. Binnig și Rohrera descoperit o metodă simplă de a crea o imagine directă a structurii atomice a suprafețelor. Realizarea lor impresionantă a fost recunoscută cu Premiul Nobel pentru fizică în 1986.
Precursor
Un microscop similar numit Topografiner a fost inventat de Russell Young și colegii săi între 1965 și 1971 la Biroul Național de Standarde. În prezent este Institutul Național de Standarde și Tehnologie. Acest microscop funcționează pe principiul că driverele piezo din stânga și dreapta scanează vârful deasupra și ușor deasupra suprafeței probei. Unitatea centrală de server piezocontrolată este controlată de sistemul de server pentru a menține o tensiune constantă. Aceasta are ca rezultat o separare verticală permanentă între vârf și suprafață. Multiplicatorul de electroni detectează o mică parte din curentul de tunel care este disipat pe suprafața probei.
Vizualizare schematică
Ansamblul microscopului de tunel include următoarele componente:
- sfat de scanare;
- controler pentru a muta vârful de la o coordonată la alta;
- sistem de izolare a vibrațiilor;
- computer.
Vârful este adesea făcut din tungsten sau platină-iridiu, deși se folosește și aurul. Computerul este folosit pentru a îmbunătăți imaginea prin procesarea imaginii și pentru a efectua măsurători cantitative.
Cum funcționează
Principiul de funcționare a tuneluluimicroscopul este destul de complicat. Electronii din partea de sus a vârfului nu sunt limitați la regiunea din interiorul metalului de bariera de potențial. Ei trec prin obstacol ca și mișcarea lor în metal. Se creează iluzia particulelor care se mișcă liber. În realitate, electronii se deplasează de la atom la atom, trecând printr-o barieră de potențial între două locuri atomice. Pentru fiecare apropiere de barieră, probabilitatea tunelului este de 10:4. Electronii îl traversează cu o viteză de 1013 pe secundă. Această rată mare de transmisie înseamnă că mișcarea este substanțială și continuă.
Deplasând vârful metalului peste suprafață pe o distanță foarte mică, suprapunând norii atomici, se realizează un schimb atomic. Acest lucru creează o cantitate mică de curent electric care curge între vârf și suprafață. Se poate măsura. Prin aceste schimbări în curs, microscopul tunel oferă informații despre structura și topografia suprafeței. Pe baza acestuia, se construiește un model tridimensional la scară atomică, care oferă o imagine a eșantionului.
Tunelare
Când vârful se mișcă aproape de probă, distanța dintre acesta și suprafață scade la o valoare comparabilă cu decalajul dintre atomii adiacenți din rețea. Electronul tunel se poate deplasa fie spre ei, fie spre atomul din vârful sondei. Curentul din sondă măsoară densitatea electronilor de pe suprafața probei, iar această informație este afișată pe imagine. Matricea periodică de atomi este clar vizibilă pe materiale precum aurul, platina, argintul, nichelul și cuprul. vidtunelarea electronilor de la vârf la probă poate avea loc chiar dacă mediul nu este un vid, ci plin cu molecule de gaz sau lichid.
Formarea înălțimii barierei
Spectroscopia locală a înălțimii barierei oferă informații despre distribuția spațială a funcției de lucru a suprafeței microscopice. Imaginea este obținută prin măsurarea punct cu punct a modificării logaritmice a curentului de tunel, ținând cont de transformarea într-un interval de divizare. La măsurarea înălțimii barierei, distanța dintre sondă și probă este modulată sinusoid folosind o tensiune alternativă suplimentară. Perioada de modulație este aleasă să fie mult mai scurtă decât constanta de timp a buclei de feedback într-un microscop tunel.
Semnificat
Acest tip de microscop cu sondă de scanare a permis dezvoltarea nanotehnologiilor care trebuie să manipuleze obiecte de dimensiuni nanometrice (mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile între 400 și 800 nm). Microscopul tunel ilustrează în mod clar mecanica cuantică prin măsurarea cuantumului învelișului. Astăzi, materialele amorfe necristaline sunt observate folosind microscopia cu forță atomică.
Exemplu de silicon
Suprafețele din silicon au fost studiate mai pe larg decât orice alt material. Au fost preparate prin încălzire în vid la o astfel de temperatură încât atomii au fost reconstruiți într-un proces evocat. Reconstrucția a fost studiată în detaliu. La suprafață s-a format un model complex, cunoscut sub numele de Takayanagi 7 x 7. Atomii au format perechi,sau dimeri care se încadrează în rânduri care se extind pe întreaga bucată de siliciu studiată.
Cercetare
Cercetarea principiului de funcționare al unui microscop tunel a condus la concluzia că acesta poate funcționa în atmosfera înconjurătoare în același mod ca și în vid. A fost operat în aer, apă, lichide izolante și soluții ionice utilizate în electrochimie. Acest lucru este mult mai convenabil decât dispozitivele cu vid puternic.
Microscopul tunelizat poate fi răcit la minus 269 °C și încălzit la plus 700 °C. Temperatura scăzută este folosită pentru a studia proprietățile materialelor supraconductoare, iar temperatura ridicată este folosită pentru a studia difuzia rapidă a atomilor prin suprafața metalelor și coroziunea acestora.
Microscopul tunel este folosit în primul rând pentru imagistica, dar există multe alte utilizări care au fost explorate. Un câmp electric puternic între sondă și probă a fost folosit pentru a muta atomii de-a lungul suprafeței probei. A fost studiat efectul unui microscop tunel în diferite gaze. Într-un studiu, tensiunea a fost de patru volți. Câmpul de la vârf a fost suficient de puternic pentru a îndepărta atomii din vârf și a-i plasa pe substrat. Această procedură a fost folosită cu o sondă de aur pentru a face mici insule de aur pe un substrat cu câteva sute de atomi de aur fiecare. În timpul cercetării, a fost inventat un microscop hibrid de tunel. Dispozitivul original a fost integrat cu un bipotențiostat.
