Alagút mikroszkóp: a teremtés története, az eszköz és a működés elve

Az alagútmikroszkóp rendkívül hatékony eszköz a szilárdtest-rendszerek elektronikus szerkezetének tanulmányozására. Topográfiai képei segítenek a kémiai specifitású felületelemzési módszerek alkalmazásában, ami a felület szerkezeti meghatározásához vezet. Megismerheti az eszközt, a funkciókat és a jelentést, valamint megtekintheti az alagútmikroszkóp fényképeit ebben a cikkben.

Alkotók

Az ilyen mikroszkóp feltalálása előtt a felületek atomszerkezetének tanulmányozásának lehetőségei elsősorban a röntgensugarak, elektronok, ionok és egyéb részecskék alkalmazásával végzett diffrakciós módszerekre korlátozódtak. Az áttörés akkor következett be, amikor Gerd Binnig és Heinrich Rohrer Svájci fizikusok kifejlesztették az első alagútmikroszkópot. Az első képhez arany felületet választottak. Amikor a kép megjelent a televízió képernyőjén, pontosan elrendezett atomok sorait látták, széles teraszokat figyeltek meg, amelyeket egy atom magas lépései választottak el egymástól. Binnig és Rohrer felfedeztek egy egyszerű módszert a felületek atomi szerkezetének közvetlen képének létrehozására. Lenyűgöző eredményüket a fizikai Nobel-Díj 1986-ban ismerte el.

Előd

A Topografiner nevű mikroszkópot Russell Young és kollégái találták ki 1965 és 1971 között a Nemzeti Szabványügyi Hivatalnál. Jelenleg a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet. Ez a mikroszkóp azon elv szerint működik, hogy a bal és a jobb piezo illesztőprogramok a minta felszíne felett és kissé felett szkennelik a csúcsot. A központi piezo-vezérelt szervermeghajtót a szerverrendszer vezérli az állandó feszültség fenntartása érdekében. Ez állandó függőleges elválasztást eredményez a csúcs és a felület között. Az elektronikus szorzó az alagútáram apró töredékét érzékeli, amely eloszlik a minta felületén.

Sematikus nézet

Az alagútmikroszkóp eszköz a következő komponenseket tartalmazza:

• szkennelési tipp;
• vezérlő a csúcs egyik koordinátáról a másikra történő mozgatásához;
• rezgésszigetelő rendszer;
• egy számítógép.

A csúcs gyakran volfrámból vagy platina-irídiumból készül, bár aranyat is használnak. A számítógépet a kép feldolgozásával és mennyiségi mérések elvégzésével javítják.

Hogyan működik

Az alagútmikroszkóp működésének elve meglehetősen összetett. A hegycsúcson lévő elektronok nem korlátozódnak a fém belsejében lévő területre egy potenciális gáton. Olyan akadályon haladnak át, mint a fém mozgása. A szabadon mozgó részecskék illúziója jön létre. A valóságban az elektronok atomról atomra mozognak, áthaladva egy potenciális gáton két atomhely között. Az akadály minden megközelítésénél az alagút valószínűsége 10:4. Az elektronok másodpercenként 1013 db sebességgel haladnak át. Ez a magas átviteli sebesség azt jelenti, hogy a mozgás jelentős és folyamatos.

Ha a fém hegyét a felület mentén nagyon kis távolságra mozgatja, átfedő atomfelhők, atomcserét hajtanak végre. Ez kis mennyiségű elektromos áramot generál a csúcs és a felület között. Meg lehet mérni. Ezeknek a jelenlegi változásoknak köszönhetően az alagútmikroszkóp információt nyújt a felület szerkezetéről és topográfiájáról. Ennek alapján egy háromdimenziós modell épül egy atomi skálán, amely képet ad a mintáról.

Alagút

Amikor a csúcs a minta közelében mozog, a felület közötti távolság a rács szomszédos atomjai közötti réshez 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 tömbje jól látható olyan anyagokon, mint az arany, platina, ezüst, nikkel és réz. Az elektronok vákuum alagútja a csúcstól a mintáig akkor is előfordulhat, ha a a környezet nem vákuum, de tele van gázzal vagy folyékony molekulák.

Barrier magasság kialakulása

A helyi gát magasságának spektroszkópiája információt nyújt a felület mikroszkopikus funkciójának térbeli eloszlásáról. A képet úgy kapjuk meg, hogy az alagút áramának logaritmikus változását pontról pontra mérjük, figyelembe véve az elválasztási réssé történő átalakulást. A gát magasságának mérésekor a szonda és a minta közötti távolságot szinuszos törvény szerint modulálják egy további váltakozó feszültség alkalmazásával. A modulációs periódus sokkal rövidebb, mint a visszacsatolási hurok időállandója egy alagútmikroszkópban.

Jelentés

Az ilyen típusú pásztázó szonda mikroszkópok lehetővé tették olyan nanotechnológiák kifejlesztését ,amelyeknek nanometrikus méretű tárgyakat kell manipulálniuk (kevesebb, mint a látható fény hullámhossza 400-800 nm). Az alagútmikroszkóp egyértelműen szemlélteti a kvantummechanikát a héj kvantumának mérésével. Ma az amorf nem kristályos anyagokat atomi erő mikroszkópiával figyeljük meg.

Példa a szilíciumra

A Szilícium felületeket alaposabban tanulmányozták, mint bármely más anyagot. Ezeket vákuumban olyan hőmérsékletre hevítve állítottuk elő, hogy az atomokat az indukált folyamat során rekonstruáljuk. A rekonstrukciót nagyon részletesen tanulmányozták. A felszínen komplex minta alakult ki, Takayanagi néven ismert 7 x 7. Az atomok párokat vagy dimereket képeztek, amelyek a szilícium vizsgált részében terjedő sorokba illeszkednek.

Kutatások

Az alagútmikroszkóp működési elvének vizsgálata arra a következtetésre jutott, hogy a környező légkörben ugyanúgy működhet, mint a. Az elektrokémiában használt levegőben, vízben, szigetelő folyadékokban és Ionos oldatokban hasznosították. Ez sokkal kényelmesebb, mint a nagy vákuumos eszközök.

Az alagútmikroszkópot mínusz 269cc-re lehet hűteni, és plusz 700cc-re melegíteni. Az alacsony hőmérsékletet a szupravezető anyagok tulajdonságainak tanulmányozására, a magas hőmérsékletet pedig az atomok gyors diffúziójának tanulmányozására használják a fémek felületén és korróziójukon keresztül.

Az alagútmikroszkóp elsősorban a következőkre használják a képalkotó vákuum, de sok van egyéb feltárt felhasználások. A szonda és a minta közötti erős elektromos mezőt használtuk az atomok mozgatására a minta felületén. Tanulmányozták az alagútmikroszkóp hatását különböző gázokban. Egy tanulmányban a feszültség négy volt volt. A csúcson lévő mező elég erős volt ahhoz, hogy eltávolítsa az atomokat a csúcsról, és helyezze őket a hordozóra. Ezt az eljárást egy arany szondával használtuk ahhoz, hogy kis arany szigetek egy szubsztrátumon, mindegyikben több száz aranyatom van. A kutatás során hibrid alagútmikroszkópot találtak ki. Az eredeti eszközt egy bi-potenciosztáttal integrálták.