Tunnelmikroskopet är ett extremt kraftfullt verktyg för att studera den elektroniska strukturen hos solid-state-system. Dess topografiska bilder hjälper till vid tillämpningen av kemiska specifika ytanalystekniker, vilket leder till en strukturell definition av ytan. Du kan lära dig mer om enheten, funktioner och betydelse, samt se ett foto av ett tunnelmikroskop i den här artikeln.
Creators
Före uppfinningen av ett sådant mikroskop var möjligheterna att studera ytornas atomära struktur huvudsakligen begränsade till diffraktionsmetoder som använder strålar av röntgenstrålar, elektroner, joner och andra partiklar. Genombrottet kom när de schweiziska fysikerna Gerd Binnig och Heinrich Rohrer utvecklade det första tunnelmikroskopet. De valde ytan av guld för sin första bild. När bilden visades på en tv-monitor såg de rader av exakt ordnade atomer och observerade breda terrasser åtskilda av steg en atom hög. Binnig och Rohrerupptäckte en enkel metod för att skapa en direkt bild av ytornas atomära struktur. Deras imponerande prestation uppmärksammades med Nobelpriset i fysik 1986.
Precursor
Ett liknande mikroskop kallat Topografiner uppfanns av Russell Young och hans kollegor mellan 1965 och 1971 vid National Bureau of Standards. Det är för närvarande National Institute of Standards and Technology. Detta mikroskop fungerar på principen att de vänstra och högra piezodrivrutinerna skannar spetsen ovanför och något ovanför provytan. Den centrala piezostyrda serverenheten styrs av serversystemet för att upprätthålla en konstant spänning. Detta resulterar i en permanent vertikal separation mellan spets och yta. Elektronmultiplikatorn detekterar en liten del av tunnelströmmen som försvinner på provets yta.
schematisk vy
The Tunneling Microscope Assembly innehåller följande komponenter:
- skanningstips;
- kontroller för att flytta spetsen från en koordinat till en annan;
- vibrationsisoleringssystem;
- dator.
Spetsen är ofta gjord av volfram eller platina-iridium, även om guld också används. Datorn används för att förbättra bilden genom bildbehandling och för att göra kvantitativa mätningar.
Så fungerar det
Tunnelns funktionsprincipmikroskop är ganska komplicerat. Elektronerna på toppen av spetsen är inte begränsade till området inuti metallen av potentialbarriären. De rör sig genom hindret som deras rörelse i metall. Illusionen av fritt rörliga partiklar skapas. I verkligheten rör sig elektroner från atom till atom och passerar genom en potentiell barriär mellan två atomära platser. För varje inflygning till barriären är sannolikheten för tunnling 10:4. Elektroner korsar den med en hastighet av 1013 per sekund. Denna höga överföringshastighet innebär att rörelsen är betydande och kontinuerlig.
Genom att flytta metallspetsen över ytan ett mycket litet avstånd, överlappande atommolnen, utförs ett atomutbyte. Detta skapar en liten mängd elektrisk ström som flyter mellan spetsen och ytan. Det går att mäta. Genom dessa pågående förändringar ger tunnelmikroskopet information om ytans struktur och topografi. Utifrån den byggs en tredimensionell modell i atomskala som ger en bild av provet.
Tunnling
När spetsen rör sig nära provet, minskar avståndet mellan det och ytan till ett värde som är jämförbart med gapet mellan intilliggande atomer i gittret. Tunnelelektronen kan röra sig antingen mot dem eller mot atomen i spetsen av sonden. Strömmen i sonden mäter elektrontätheten på provets yta, och denna information visas på bilden. Den periodiska uppsättningen av atomer är tydligt synlig på material som guld, platina, silver, nickel och koppar. Vakuumtunnling av elektroner från spetsen till provet kan inträffa även om miljön inte är ett vakuum, utan fylld med gas- eller vätskemolekyler.
Formation av barriärhöjd
Lokal barriärhöjdspektroskopi ger information om den rumsliga fördelningen av den mikroskopiska ytarbetsfunktionen. Bilden erhålls genom punkt-för-punkt-mätning av den logaritmiska förändringen i tunnelströmmen, med hänsyn tagen till omvandlingen till ett delande gap. Vid mätning av barriärhöjden moduleras avståndet mellan sonden och provet sinusformigt med en extra växelspänning. Modulationsperioden är vald att vara mycket kortare än återkopplingsslingans tidskonstant i ett tunnelmikroskop.
Meaning
Denna typ av skanningssondmikroskop har möjliggjort utvecklingen av nanoteknik som måste manipulera nanometerstora objekt (mindre än våglängden för synligt ljus mellan 400 och 800 nm). Tunnelmikroskopet illustrerar tydligt kvantmekaniken genom att mäta skalets kvantum. Idag observeras amorfa icke-kristallina material med hjälp av atomkraftsmikroskopi.
Siliconexempel
Kiselytor har studerats mer omfattande än något annat material. De framställdes genom upphettning i vakuum till en sådan temperatur att atomerna rekonstruerades i en framkallad process. Rekonstruktionen har studerats mycket i detalj. Ett komplext mönster bildat på ytan, känt som Takayanagi 7 x 7. Atomerna bildade par,eller dimerer som passar in i rader som sträcker sig över hela kiselbiten som studeras.
Forskning
Forskning om funktionsprincipen för ett tunnelmikroskop ledde till slutsatsen att det kan arbeta i den omgivande atmosfären på samma sätt som i ett vakuum. Den har använts i luft, vatten, isolerande vätskor och joniska lösningar som används inom elektrokemi. Detta är mycket bekvämare än högvakuumenheter.
Tunnelmikroskopet kan kylas till minus 269 °C och värmas till plus 700 °C. Låg temperatur används för att studera egenskaperna hos supraledande material, och hög temperatur används för att studera den snabba diffusionen av atomer genom metallytan och deras korrosion.
Tunnelmikroskopet används främst för avbildning, men det finns många andra användningsområden som har utforskats. Ett starkt elektriskt fält mellan sonden och provet användes för att flytta atomerna längs provets yta. Effekten av ett tunnelmikroskop i olika gaser har studerats. I en studie var spänningen fyra volt. Fältet vid spetsen var tillräckligt starkt för att avlägsna atomerna från spetsen och placera dem på substratet. Denna procedur användes med en guldsond för att göra små guldöar på ett substrat med flera hundra guldatomer vardera. Under forskningen uppfanns ett hybridt tunnelmikroskop. Den ursprungliga enheten var integrerad med en bipotentiostat.
