Az alagútmikroszkóp rendkívül hatékony eszköz a szilárdtestrendszerek elektronikus szerkezetének tanulmányozására. Topográfiai képei segítenek a kémiai specifikus felületelemzési technikák alkalmazásában, ami a felület szerkezeti meghatározásához vezet. Ebben a cikkben megtudhatja az eszközt, a funkciókat és a jelentést, valamint megtekinthet egy fotót egy alagútmikroszkópról.
Alkotók
Egy ilyen mikroszkóp feltalálása előtt a felületek atomi szerkezetének vizsgálatának lehetőségei főként a röntgensugarak, elektronok, ionok és egyéb részecskék nyalábjait alkalmazó diffrakciós módszerekre korlátozódtak. Az áttörés akkor következett be, amikor Gerd Binnig és Heinrich Rohrer svájci fizikusok kifejlesztették az első alagútmikroszkópot. Első képüknek az arany felületét választották. Amikor a képet megjelenítették a televízió monitorán, pontosan elrendezett atomsorokat láttak, és széles teraszokat figyeltek meg, amelyeket egy atom magas lépcsőfok választott el egymástól. Binnig és Rohrerfelfedezett egy egyszerű módszert a felületek atomi szerkezetének közvetlen képének létrehozására. Lenyűgöző teljesítményüket 1986-ban fizikai Nobel-díjjal ismerték el.
Prekurzor
A Topografiner nevű hasonló mikroszkópot Russell Young és munkatársai találták fel 1965 és 1971 között a National Bureau of Standards-nál. Jelenleg a National Institute of Standards and Technology. Ez a mikroszkóp azon az elven működik, hogy a bal és a jobb piezo meghajtó a minta felülete feletti és kissé feletti hegyét pásztázza. A központi piezovezérlésű szervermeghajtót a szerverrendszer vezérli az állandó feszültség fenntartása érdekében. Ez állandó függőleges elválasztást eredményez a csúcs és a felület között. Az elektronsokszorozó a minta felületén szétszóródó alagútáram egy kis részét érzékeli.
Seatikus nézet
Az alagútmikroszkóp-egység a következő összetevőket tartalmazza:
- lapolvasási tipp;
- vezérlő a csúcs áthelyezéséhez egyik koordinátáról a másikra;
- rezgésszigetelő rendszer;
- számítógép.
A hegy gyakran wolframból vagy platina-iridiumból készül, bár aranyat is használnak. A számítógépet a kép javítására használják képfeldolgozással és mennyiségi mérések elvégzésére.
Hogyan működik
Az alagút működési elveA mikroszkóp meglehetősen bonyolult. A csúcs tetején lévő elektronok nem korlátozódnak a potenciálgát által a fém belsejében lévő régióra. Úgy haladnak át az akadályon, mint a fémben. A szabadon mozgó részecskék illúziója jön létre. A valóságban az elektronok atomról atomra mozognak, áthaladva a két atomi hely közötti potenciálgáton. A sorompó minden megközelítésénél az alagút kialakulásának valószínűsége 10:4. Az elektronok 1013 másodpercenkénti sebességgel haladnak át rajta. Ez a nagy átviteli sebesség azt jelenti, hogy a mozgás jelentős és folyamatos.
Ha a fém hegyét nagyon kis távolságra mozgatjuk a felületen, átfedve az atomfelhőket, atomcsere történik. Ez kis mennyiségű elektromos áramot hoz létre a csúcs és a felület között. Mérhető. A folyamatban lévő változásokon keresztül az alagútmikroszkóp információkat nyújt a felszín szerkezetéről és topográfiájáról. Ennek alapján atomi skálán háromdimenziós modellt építenek, amely képet ad a mintáról.
Alagút
Amikor a csúcs közel kerül a mintához, a közte és a felület közötti távolság a rácsban lévő szomszédos atomok közötti távolsághoz hasonló értékre csökken. Az alagútelektron akár feléjük, akár a szonda csúcsán lévő atom felé mozoghat. A szondában lévő áram méri az elektronsűrűséget a minta felületén, és ez az információ megjelenik a képen. Az atomok periodikus elrendezése jól látható olyan anyagokon, mint az arany, platina, ezüst, nikkel és réz. vákuumAz elektronok alagútvezetése a csúcstól a mintáig akkor is megtörténhet, ha a környezet nem vákuum, hanem gáz- vagy folyadékmolekulákkal van tele.
A sorompó magasságának kialakítása
A helyi gátmagasság-spektroszkópia információt nyújt a mikroszkopikus felületi munka függvényének térbeli eloszlásáról. A képet az alagútáram logaritmikus változásának pontonkénti mérésével kapjuk, figyelembe véve az osztóréssé való átalakulást. A gát magasságának mérésekor a szonda és a minta közötti távolságot szinuszosan modulálják egy további váltakozó feszültség segítségével. A modulációs periódus sokkal rövidebb, mint egy alagútmikroszkópban a visszacsatoló hurok időállandója.
Jelentés
Ez a fajta pásztázó szondás mikroszkóp lehetővé tette olyan nanotechnológiák kifejlesztését, amelyeknek nanométer méretű (a látható fény hullámhosszánál 400 és 800 nm közötti hullámhossznál kisebb) objektumokat kell manipulálniuk. Az alagútmikroszkóp egyértelműen szemlélteti a kvantummechanikát a héjkvantum mérésével. Ma az amorf, nem kristályos anyagokat atomerő-mikroszkóppal figyelik meg.
Szilícium példa
A szilícium felületeket alaposabban tanulmányozták, mint bármely más anyagot. Vákuumban olyan hőmérsékletre hevítve állították elő őket, hogy az atomokat kiváltott folyamat során rekonstruálják. A rekonstrukciót nagyon részletesen tanulmányozták. Egy összetett mintázat alakult ki a felszínen, Takayanagi 7 x 7 néven. Az atomok párokat alkottak,vagy dimerek, amelyek a teljes vizsgált szilíciumdarabon átnyúló sorokba illeszkednek.
Kutatás
Az alagútmikroszkóp működési elvének kutatása arra a következtetésre jutott, hogy a környező légkörben ugyanúgy működhet, mint a vákuumban. Levegőben, vízben, szigetelő folyadékokban és elektrokémiában használt ionos oldatokban működött. Ez sokkal kényelmesebb, mint a nagyvákuumú készülékek.
Az alagútmikroszkóp mínusz 269 °C-ra hűthető és plusz 700 °C-ra melegíthető. Az alacsony hőmérsékletet a szupravezető anyagok tulajdonságainak, a magas hőmérsékletet pedig az atomok fémek felületén történő gyors diffúziójának és korróziójának tanulmányozására használják.
Az alagútmikroszkópot elsősorban képalkotásra használják, de számos más felhasználási terület is felfedezésre került. A szonda és a minta között erős elektromos mezőt használtak az atomok mozgatására a minta felületén. Az alagútmikroszkóp hatását különféle gázokban tanulmányozták. Egy tanulmányban a feszültség négy volt volt. A hegyen lévő mező elég erős volt ahhoz, hogy eltávolítsa az atomokat a csúcsról, és helyezze őket a hordozóra. Ezt az eljárást aranyszondával használták kis aranyszigetek készítésére egyenként több száz aranyatomot tartalmazó hordozón. A kutatás során feltaláltak egy hibrid alagútmikroszkópot. Az eredeti eszköz egy bipotenciosztáttal volt integrálva.
