Тунелният микроскоп е изключително мощен инструмент за изследване на електронната структура на твърдотелни системи. Неговите топографски изображения помагат при прилагането на специфични за химикали техники за анализ на повърхността, което води до структурна дефиниция на повърхността. Можете да научите за устройството, функциите и значението, както и да видите снимка на тунелен микроскоп в тази статия.
Създатели
Преди изобретяването на такъв микроскоп, възможностите за изследване на атомната структура на повърхностите бяха ограничени главно до дифракционни методи, използващи лъчи от рентгенови лъчи, електрони, йони и други частици. Пробивът идва, когато швейцарските физици Герд Биниг и Хайнрих Рорер разработват първия тунелен микроскоп. Те избраха златната повърхност за първото си изображение. Когато изображението беше показано на телевизионен монитор, те видяха редици от точно подредени атоми и наблюдаваха широки тераси, разделени със стъпала с височина един атом. Биниг и Рорероткри прост метод за създаване на пряк образ на атомната структура на повърхностите. Тяхното впечатляващо постижение беше признато с Нобеловата награда по физика през 1986 г.
Прекурсор
Подобен микроскоп, наречен Topografiner, е изобретен от Ръсел Йънг и неговите колеги между 1965 и 1971 г. в Националното бюро по стандарти. В момента е Националният институт по стандарти и технологии. Този микроскоп работи на принципа, че левият и десният пиезо драйвери сканират върха над и малко над повърхността на пробата. Централното пиезо-контролирано сървърно устройство се управлява от сървърната система, за да поддържа постоянно напрежение. Това води до постоянно вертикално разделяне между върха и повърхността. Електронният умножител открива малка част от тунелния ток, който се разсейва на повърхността на пробата.
Схематичен изглед
Сглобката на тунелния микроскоп включва следните компоненти:
- съвет за сканиране;
- контролер за преместване на върха от една координата в друга;
- система за изолация на вибрации;
- 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 изображения и за извършване на количествени измервания.
Как работи
Принципът на работа на тунеламикроскопът е доста сложен. Електроните в горната част на върха не са ограничени до областта вътре в метала от потенциалната бариера. Те се движат през препятствието като движението си в метал. Създава се илюзията за свободно движещи се частици. В действителност електроните се движат от атом на атом, преминавайки през потенциална бариера между две атомни места. За всеки подход към бариерата, вероятността за тунелиране е 10:4. Електроните го пресичат със скорост 1013 в секунда. Тази висока скорост на предаване означава, че движението е значително и непрекъснато.
Чрез преместване на върха на метала над повърхността на много малко разстояние, припокривайки атомните облаци, се извършва атомен обмен. Това създава малко количество електрически ток, протичащ между върха и повърхността. Може да се измери. Чрез тези текущи промени тунелният микроскоп предоставя информация за структурата и топографията на повърхността. Въз основа на него се изгражда триизмерен модел в атомен мащаб, който дава изображение на пробата.
Тунелиране
Когато върхът се приближи до пробата, разстоянието между него и повърхността намалява до стойност, сравнима с пролуката между съседни атоми в решетката. Тунелният електрон може да се движи или към тях, или към атома на върха на сондата. Токът в сондата измерва електронната плътност на повърхността на пробата и тази информация се показва на снимката. Периодичният масив от атоми е ясно видим върху материали като злато, платина, сребро, никел и мед. вакуумтунелиране на електрони от върха към пробата може да се случи, въпреки че околната среда не е вакуум, а пълна с газ или течни молекули.
Формиране на височината на преградата
Локалната бариерна височинна спектроскопия предоставя информация за пространственото разпределение на микроскопичната повърхностна работна функция. Изображението се получава чрез измерване точка по точка на логаритмичната промяна в тунелния ток, като се вземе предвид трансформацията в разделителна междина. При измерване на височината на бариерата разстоянието между сондата и пробата се модулира синусоидално с помощта на допълнително променливо напрежение. Периодът на модулация е избран да бъде много по-кратък от времевата константа на обратната връзка в тунелен микроскоп.
Значение
Този тип сканиращ сондов микроскоп даде възможност за разработването на нанотехнологии, които трябва да манипулират нанометрови обекти (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 обвивката. Днес аморфни некристални материали се наблюдават с помощта на атомно-силова микроскопия.
Пример за силиций
Силициевите повърхности са изследвани по-обстойно от всеки друг материал. Те бяха приготвени чрез нагряване във вакуум до такава температура, че атомите бяха реконструирани в предизвикан процес. Реконструкцията е проучена много подробно. Сложен модел, образуван на повърхността, известен като Takayanagi 7 x 7. Атомите образуваха двойки,или димери, които се вписват в редове, простиращи се през цялото изучавано парче силиций.
Изследване
Изследването на принципа на действие на тунелния микроскоп доведе до заключението, че той може да работи в заобикалящата атмосфера по същия начин, както във вакуум. Работил е във въздух, вода, изолационни течности и йонни разтвори, използвани в електрохимията. Това е много по-удобно от устройствата с висок вакуум.
Тунелният микроскоп може да се охлади до минус 269 °C и да се нагрее до плюс 700 °C. Ниската температура се използва за изследване на свойствата на свръхпроводящите материали, а високата температура се използва за изследване на бързата дифузия на атомите през повърхността на металите и тяхната корозия.
Тунелният микроскоп се използва основно за изображения, но има много други приложения, които са проучени. Силно електрическо поле между сондата и пробата беше използвано за придвижване на атомите по повърхността на пробата. Изследван е ефектът на тунелен микроскоп в различни газове. В едно проучване напрежението е четири волта. Полето на върха беше достатъчно силно, за да премахне атомите от върха и да ги постави върху субстрата. Тази процедура беше използвана със златна сонда за създаване на малки златни острови върху субстрат с няколкостотин златни атома всеки. По време на изследването е изобретен хибриден тунелен микроскоп. Оригиналното устройство е интегрирано с бипотенциостат.
