Tunelski mikroskop je izjemno zmogljivo orodje za preučevanje elektronske strukture polprevodniških sistemov. Njegove topografske slike pomagajo pri uporabi kemijsko specifičnih tehnik površinske analize, kar vodi do strukturne definicije površine. V tem članku lahko izveste o napravi, funkcijah in pomenu ter si ogledate fotografijo tunelskega mikroskopa.
Ustvarjalci
Pred izumom takšnega mikroskopa so bile možnosti preučevanja atomske strukture površin omejene predvsem na difrakcijske metode z uporabo žarkov rentgenskih žarkov, elektronov, ionov in drugih delcev. Preboj je prišel, ko sta švicarska fizika Gerd Binnig in Heinrich Rohrer razvila prvi tunelski mikroskop. Za svojo prvo podobo so izbrali površino zlata. Ko je bila slika prikazana na televizijskem monitorju, so videli vrste natančno razporejenih atomov in opazovali široke terase, ločene s stopnicami visoko en atom. Binnig in Rohrerodkril preprosto metodo za ustvarjanje neposredne slike atomske strukture površin. Njihov impresiven dosežek je bil priznan z Nobelovo nagrado za fiziko leta 1986.
predhodnik
Podoben mikroskop, imenovan Topografiner, so izumili Russell Young in njegovi kolegi med letoma 1965 in 1971 pri Nacionalnem uradu za standarde. Trenutno je Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo. Ta mikroskop deluje na principu, da levi in desni piezo gonilniki skenirajo konico nad in nekoliko nad površino vzorca. Osrednji piezo krmiljen strežniški pogon nadzira strežniški sistem, da vzdržuje konstantno napetost. To ima za posledico trajno navpično ločitev med konico in površino. Elektronski množitelj zazna majhen del tunelskega toka, ki se razprši na površini vzorca.
Shematski pogled
Sklop tunelskega mikroskopa vključuje naslednje komponente:
- nasvet za skeniranje;
- krmilnik za premikanje konice iz ene koordinate v drugo;
- sistem za izolacijo vibracij;
- računalnik.
Konica je pogosto izdelana iz volframa ali platine-iridija, čeprav se uporablja tudi zlato. Računalnik se uporablja za izboljšanje slike z obdelavo slike in za kvantitativne meritve.
Kako deluje
Načelo delovanja predoramikroskop je precej zapleten. Elektroni na vrhu konice s potencialno pregrado niso omejeni na območje znotraj kovine. Premikajo se skozi oviro kot njihovo gibanje v kovini. Ustvarja se iluzija prosto gibljivih delcev. V resnici se elektroni premikajo od atoma do atoma in prehajajo skozi potencialno pregrado med dvema atomskima mestoma. Za vsak pristop k pregradi je verjetnost tuneliranja 10:4. Elektroni jo prečkajo s hitrostjo 1013 na sekundo. Ta visoka hitrost prenosa pomeni, da je gibanje veliko in neprekinjeno.
S premikanjem konice kovine po površini za zelo majhno razdaljo, ki prekriva atomske oblake, se izvede atomska izmenjava. To ustvari majhno količino električnega toka, ki teče med konico in površino. Lahko se izmeri. Skozi te nenehne spremembe tunelski mikroskop zagotavlja informacije o strukturi in topografiji površine. Na podlagi tega je v atomski lestvici zgrajen tridimenzionalni model, ki daje sliko vzorca.
predor
Ko se konica približa vzorcu, se razdalja med njo in površino zmanjša na vrednost, primerljivo z vrzeljo med sosednjimi atomi v mreži. Tunelski elektron se lahko premika proti njim ali proti atomu na konici sonde. Tok v sondi meri elektronsko gostoto na površini vzorca in ta podatek se prikaže na sliki. Periodični niz atomov je jasno viden na materialih, kot so zlato, platina, srebro, nikelj in baker. vakuumtuneliranje elektronov od konice do vzorca se lahko zgodi, čeprav okolje ni vakuum, ampak je napolnjeno s plinskimi ali tekočimi molekulami.
Tvorba višine pregrade
Lokalna pregradna višinska spektroskopija zagotavlja informacije o prostorski porazdelitvi delovne funkcije mikroskopske površine. Slika je pridobljena z meritvijo logaritemske spremembe tunelskega toka od točke do točke ob upoštevanju transformacije v ločilno vrzel. Pri merjenju višine pregrade se razdalja med sondo in vzorcem modulira sinusno z uporabo dodatne izmenične napetosti. Obdobje modulacije je izbrano tako, da je veliko krajše od časovne konstante povratne zanke v tunelskem mikroskopu.
pomen
Ta vrsta skenirnega sondnega mikroskopa je omogočila razvoj nanotehnologij, ki morajo manipulirati z nanometrskimi predmeti (manjšimi od valovne dolžine vidne svetlobe med 400 in 800 nm). Tunelski mikroskop jasno ponazarja kvantno mehaniko z merjenjem kvanta lupine. Danes z atomsko silo mikroskopijo opazujemo amorfne nekristalne materiale.
primer silicija
Silicijeve površine so bile raziskane obsežneje kot kateri koli drug material. Pripravili so jih s segrevanjem v vakuumu na takšno temperaturo, da so bili atomi rekonstruirani v sproženem procesu. Rekonstrukcija je bila zelo podrobno proučena. Na površini je nastal kompleksen vzorec, znan kot Takayanagi 7 x 7. Atomi so tvorili pare,ali dimerje, ki se prilegajo vrsticam, ki segajo čez celoten kos silicija, ki se preučuje.
Raziskava
Raziskave o principu delovanja tunelskega mikroskopa so pripeljale do zaključka, da lahko deluje v okoliški atmosferi na enak način kot v vakuumu. Deloval je v zraku, vodi, izolacijskih tekočinah in ionskih raztopinah, ki se uporabljajo v elektrokemiji. To je veliko bolj priročno kot naprave z visokim vakuumom.
Tunelski mikroskop je mogoče ohladiti na minus 269 °C in segreti na plus 700 °C. Nizka temperatura se uporablja za preučevanje lastnosti superprevodnih materialov, visoka temperatura pa se uporablja za preučevanje hitre difuzije atomov skozi površino kovin in njihove korozije.
Mikroskop za tuneliranje se uporablja predvsem za slikanje, vendar so bile raziskane številne druge uporabe. Močno električno polje med sondo in vzorcem je bilo uporabljeno za premikanje atomov vzdolž površine vzorca. Raziskan je bil učinek tunelskega mikroskopa v različnih plinih. V eni študiji je bila napetost štiri volte. Polje na konici je bilo dovolj močno, da odstrani atome s konice in jih položi na substrat. Ta postopek je bil uporabljen z zlato sondo za izdelavo majhnih zlatih otokov na substratu z več sto atomi zlata. Med raziskavo je bil izumljen hibridni tunelski mikroskop. Prvotna naprava je bila integrirana z bipotenciostatom.
