Тунелен микроскоп: история, конструкция и принцип на работа

Тунелният микроскоп е изключително мощен инструмент за изучаване на електронната структура на твърдотелни системи. Неговите топографски изображения са полезни при прилагането на техники за анализ на повърхности с химическа специфичност, което води до определяне на структурата на повърхността. За да научите повече за конструкцията, функцията и значението, както и да видите снимки на тунелен микроскоп, вижте тази статия.

Създатели

Преди изобретяването на такъв микроскоп възможностите за изучаване на атомната структура на повърхностите се ограничаваха главно до дифракционни методи, използващи снопове рентгенови лъчи, електрони, йони и други частици. Пробивът настъпва, когато швейцарските физици Герд Биниг и Хайнрих Рорер разработват първия тунелен микроскоп. Те избират повърхността на златото за първото си изображение. Когато изображението се показва на телевизионен монитор, те виждат редици от прецизно подредени атоми и наблюдават широки тераси, разделени с едноатомни стъпала. Биниг и Рорер откриха прост метод за създаване на директно изображение на атомната структура на повърхностите. Тяхното впечатляващо постижение е оценено с Нобелова награда за физика през 1986 г.

Предшественик

Подобен микроскоп, наречен Topografiner, е изобретен от Ръсел Йънг и колегите му в Националното бюро по стандартизация между 1965 и 1971 г. Сега Националният институт по стандартизация и технологии. Този микроскоп работи на принципа, че левият и десният пиезоприемник сканират накрайника над и малко над повърхността на пробата. Централното задвижване на сървъра с пиезоконтрол се контролира от сървърната система, за да поддържа постоянно напрежение. Това води до трайно вертикално разделяне на накрайника от повърхността. Електронният умножител открива малка част от тунелния ток, който е разпръснат по повърхността на пробата.

Схематичен изглед

Структурата на тунелния микроскоп се състои от следните компоненти:

• съвет за сканиране;
• Контролер за преместване на накрайника от една координата в друга;
• Система за виброизолация;
• компютър.

Върхът често е изработен от волфрам или платина-иридий, въпреки че се използва и злато. Компютърът се използва за подобряване на изображението чрез обработка на изображенията и за количествени измервания.

Как работи

Принципът на работа на тунелния микроскоп е доста сложен. Електроните в накрайника не са ограничени до област вътре в метала чрез потенциална бариера. Те се движат през бариерата, както при метала. Създава се илюзията за свободно движещи се частици. Електроните всъщност пътуват от атом до атом, преминавайки през потенциална бариера между две атомни области. За всеки подход към бариерата вероятността за преминаване през тунел е 10:4. Електроните преминават през него със скорост 1013 бр. в секунда. Тази висока скорост на трансфер означава, че движението е значително и непрекъснато.

Преместването на металния накрайник върху повърхността на много малко разстояние, застъпващо атомните облаци, води до атомен обмен. Това генерира малък електрически ток, протичащ между върха и повърхността. Може да се измерва. Благодарение на тези непрекъснати промени тунелният микроскоп предоставя информация за структурата и топографията на повърхността. На тази основа се изгражда триизмерен модел в атомен мащаб, който дава изображение на пробата.

Прокарване на тунели

Когато накрайникът се доближи до образеца, разстоянието между накрайника и повърхността се намалява до степен, сравнима с пространството между съседните атоми в решетката. Тунелиращият електрон може да се движи или към тях, или към атома в края на сондата. Токът в сондата измерва електронната плътност на повърхността на образеца и тази информация се визуализира. Периодичната подредба на атомите е ясно видима при материали като злато, платина, сребро, никел и мед. Вакуумното тунелиране на електрони от върха към пробата може да се случи, въпреки че Околната среда не е е вакуум и е изпълнен с молекули газ или течност.

Формиране на височината на бариерата

Спектроскопията на локалната височина на бариерата дава информация за пространственото разпределение на микроскопичната повърхностна функция. Образът се получава чрез измерване на логаритмичната промяна на тунелния ток в точките на разделителната междина. Когато се измерва височината на бариерата, разстоянието между сондата и пробата се модулира по синусоидален закон чрез допълнително променливо напрежение. Периодът на модулация е избран така, че да бъде много по-кратък от времеконстантата на контура за обратна връзка в тунелния микроскоп.

Стойност

Този тип микроскоп със сканираща сонда позволи разработването на нанотехнологии, които трябва да манипулират обекти с нанометрични размери (по-малки от дължината на вълната на видимата светлина между 400 и 800 nm). Тунелният микроскоп ясно илюстрира квантовата механика чрез измерване на кванта на обвивка. Днес аморфните некристални материали могат да се наблюдават с помощта на атомно-силова микроскопия.

Пример за силиций

Силициевите повърхности са изследвани по-обстойно от всеки друг материал. Те са получени чрез нагряване във вакуум до такава температура, че атомите са реконструирани в индуциран процес. Реконструкцията е проучена много подробно. На повърхността се вижда сложен модел, известен като Takayanagi 7 x 7. Атомите образуват двойки или димери, които се подреждат в редици, простиращи се по протежение на изследваната силициева част.

Изследвания

Изследванията на принципа на работа на тунелния микроскоп доведоха до заключението, че той може да работи в околна среда също толкова добре, колкото и във вакуум. Работи във въздух, вода, изолационни течности и йонни разтвори, използвани в електрохимията. Това е много по-удобно от високовакуумните инструменти.

Тунелният микроскоп може да се охлажда до минус 269°C и да се нагрява до плюс 700°C. Ниската температура се използва за изследване на свойствата на свръхпроводящите материали, а високата температура - за изследване на бързата дифузия на атоми през повърхността на металите и тяхната корозия.

Тунелният микроскоп се използва при главно за визуализация, но Има много други проучени приложения. Силно електрическо поле между сондата и пробата се използва за задвижване на атоми по повърхността на пробата. Изследван е ефектът на тунелен микроскоп в различни газове. В едно от изследванията напрежението е било 4 волта. Полето в накрайника е достатъчно силно, за да извади атомите от накрайника и да ги постави върху подложката. Тази процедура е използвана със златна сонда да направите малки острови от злато върху субстрат с по няколкостотин златни атома във всеки. В хода на изследванията му е изобретен хибриден тунелен микроскоп. Оригиналното устройство е интегрирано с бипотенциостат.