Tunelinis mikroskopas yra itin galingas įrankis kietojo kūno sistemų elektroninei struktūrai tirti. Jo topografiniai vaizdai padeda taikyti specifinius cheminių paviršių analizės metodus, o tai leidžia struktūriškai apibrėžti paviršių. Šiame straipsnyje galite sužinoti apie įrenginį, funkcijas ir reikšmę, taip pat pamatyti tunelinio mikroskopo nuotrauką.
Kūrėjai
Prieš išrandant tokį mikroskopą, paviršių atominės struktūros tyrimo galimybės daugiausia apsiribojo difrakcijos metodais, naudojant rentgeno spindulius, elektronus, jonus ir kitas daleles. Proveržis įvyko, kai šveicarų fizikai Gerd Binnig ir Heinrich Rohrer sukūrė pirmąjį tunelinį mikroskopą. Pirmajam įvaizdžiui jie pasirinko aukso paviršių. Kai vaizdas buvo rodomas televizoriaus monitoriuje, jie pamatė tiksliai išdėstytų atomų eiles ir stebėjo plačias terasas, atskirtas vieno atomo aukščio laipteliais. Binnigas ir Rorerisatrado paprastą būdą sukurti tiesioginį paviršių atominės struktūros vaizdą. Jų įspūdingas pasiekimas 1986 m. buvo įvertintas Nobelio fizikos premija.
Pirmtakas
Panašų mikroskopą, vadinamą Topografiner, išrado Russellas Youngas ir jo kolegos 1965–1971 m. Nacionaliniame standartų biure. Šiuo metu tai yra Nacionalinis standartų ir technologijos institutas. Šis mikroskopas veikia pagal principą, kad kairysis ir dešinysis pjezo tvarkyklės nuskaito viršų ir šiek tiek virš mėginio paviršiaus. Centrinė pjezo valdoma serverio pavara yra valdoma serverio sistemos, kad būtų palaikoma pastovi įtampa. Dėl to antgalis ir paviršius nuolat atsiskiria vertikaliai. Elektronų daugiklis aptinka nedidelę tunelio srovės dalį, kuri yra išsklaidyta mėginio paviršiuje.
Scheminis vaizdas
Tunelinio mikroskopo agregatą sudaro šie komponentai:
- nuskaitymo patarimas;
- valdiklis, perkeliantis smaigalį iš vienos koordinatės į kitą;
- vibracijos izoliavimo sistema;
- kompiuteris.
Antgalis dažnai pagamintas iš volframo arba platinos iridžio, nors naudojamas ir auksas. Kompiuteris naudojamas norint pagerinti vaizdą apdorojant vaizdą ir atlikti kiekybinius matavimus.
Kaip tai veikia
Tunelio veikimo principasMikroskopas yra gana sudėtingas. Antgalio viršuje esantys elektronai neapsiriboja potencialo barjeru metalo viduje. Jie juda per kliūtį taip, kaip juda metalu. Sukuriama laisvai judančių dalelių iliuzija. Tiesą sakant, elektronai juda iš atomo į atomą, pereidami per potencialų barjerą tarp dviejų atominių vietų. Kiekvienam privažiavimui prie užtvaros tuneliavimo tikimybė yra 10:4. Elektronai ją kerta 1013 per sekundę greičiu. Šis didelis perdavimo greitis reiškia, kad judėjimas yra didelis ir nenutrūkstamas.
Metalo galiuką perkeliant per paviršių labai mažu atstumu, perdengiant atominius debesis, vyksta atomų mainai. Tai sukuria nedidelį kiekį elektros srovės, tekančios tarp antgalio ir paviršiaus. Jį galima išmatuoti. Dėl šių nuolatinių pokyčių tunelinis mikroskopas suteikia informacijos apie paviršiaus struktūrą ir topografiją. Remiantis juo, atominėje skalėje sukuriamas trimatis modelis, kuris suteikia pavyzdžio vaizdą.
Tuneliavimas
Kai antgalis priartėja prie mėginio, atstumas tarp jo ir paviršiaus sumažėja iki vertės, panašios į tarpą tarp gretimų gardelės atomų. Tunelio elektronas gali judėti arba link jų, arba link atomo zondo gale. Srovė zonde matuoja elektronų tankį mėginio paviršiuje, ir ši informacija rodoma paveikslėlyje. Periodiškas atomų masyvas aiškiai matomas ant tokių medžiagų kaip auksas, platina, sidabras, nikelis ir varis. vakuumaselektronų tuneliavimas nuo galo iki mėginio gali įvykti, net jei aplinka nėra vakuumas, o užpildyta dujų ar skysčio molekulėmis.
Užtvaros aukščio formavimas
Vietinė barjero aukščio spektroskopija suteikia informacijos apie mikroskopinio paviršiaus darbo funkcijos erdvinį pasiskirstymą. Vaizdas gaunamas taškas po taško matuojant tunelio srovės logaritminį pokytį, atsižvelgiant į transformaciją į dalijamąjį tarpą. Matuojant barjero aukštį, atstumas tarp zondo ir mėginio moduliuojamas sinusoidiškai naudojant papildomą kintamosios srovės įtampą. Moduliacijos periodas pasirenkamas daug trumpesnis nei grįžtamojo ryšio linijos laiko konstanta tuneliniame mikroskope.
Reikšmė
Šis skenuojančio zondo mikroskopas leido sukurti nanotechnologijas, kurios turi manipuliuoti nanometro dydžio objektais (mažesniais nei matomos šviesos bangos ilgis nuo 400 iki 800 nm). Tunelinis mikroskopas aiškiai iliustruoja kvantinę mechaniką matuodamas apvalkalo kvantą. Šiandien amorfinės nekristalinės medžiagos stebimos naudojant atominės jėgos mikroskopiją.
Silicio pavyzdys
Silicio paviršiai buvo tiriami plačiau nei bet kuri kita medžiaga. Jie buvo paruošti kaitinant vakuume iki tokios temperatūros, kad atomai buvo rekonstruoti iššaukto proceso metu. Rekonstrukcija buvo labai išsamiai ištirta. Paviršiuje susidarė sudėtingas raštas, žinomas kaip Takayanagi 7 x 7. Atomai sudarė poras,arba dimerai, kurie telpa į eilutes, besitęsiančias per visą tiriamą silicio gabalą.
Tyrimai
Trintus apie tunelinio mikroskopo veikimo principą buvo padaryta išvada, kad jis gali veikti supančioje atmosferoje taip pat, kaip ir vakuume. Jis buvo naudojamas ore, vandenyje, izoliaciniuose skysčiuose ir joniniuose tirpaluose, naudojamuose elektrochemijoje. Tai daug patogiau nei aukšto vakuumo įrenginiai.
Tunnelinį mikroskopą galima atvėsinti iki minus 269 °C ir pašildyti iki plius 700 °C. Žema temperatūra naudojama superlaidžių medžiagų savybėms tirti, o aukšta temperatūra – greitai atomų difuzijai per metalų paviršių ir jų korozijai tirti.
Tunelinis mikroskopas visų pirma naudojamas vaizdams gauti, tačiau yra ir daug kitų ištirtų naudojimo būdų. Stiprus elektrinis laukas tarp zondo ir mėginio buvo naudojamas atomams perkelti išilgai mėginio paviršiaus. Ištirtas tunelinio mikroskopo poveikis įvairiose dujose. Viename tyrime įtampa buvo keturi voltai. Laukas antgalio buvo pakankamai stiprus, kad pašalintų atomus iš antgalio ir padėtų juos ant pagrindo. Ši procedūra buvo naudojama su aukso zondu, kad ant substrato būtų pagamintos nedidelės aukso salelės, kurių kiekvienoje yra keli šimtai aukso atomų. Tyrimo metu buvo išrastas hibridinis tunelinis mikroskopas. Originalus įrenginys buvo integruotas su bipotenciostatu.
