Το μικροσκόπιο διάνοιξης σήραγγας είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της ηλεκτρονικής δομής συστημάτων στερεάς κατάστασης. Οι τοπογραφικές του εικόνες βοηθούν στην εφαρμογή ειδικών χημικών τεχνικών ανάλυσης επιφάνειας, οδηγώντας σε έναν δομικό ορισμό της επιφάνειας. Μπορείτε να μάθετε για τη συσκευή, τις λειτουργίες και το νόημα, καθώς και μια φωτογραφία ενός μικροσκοπίου διάνοιξης σήραγγας σε αυτό το άρθρο.
Creators
Πριν από την εφεύρεση ενός τέτοιου μικροσκοπίου, οι δυνατότητες μελέτης της ατομικής δομής των επιφανειών περιορίζονταν κυρίως σε μεθόδους περίθλασης που χρησιμοποιούν δέσμες ακτίνων Χ, ηλεκτρονίων, ιόντων και άλλων σωματιδίων. Η ανακάλυψη ήρθε όταν οι Ελβετοί φυσικοί Gerd Binnig και Heinrich Rohrer ανέπτυξαν το πρώτο μικροσκόπιο διάνοιξης σήραγγας. Επέλεξαν την επιφάνεια του χρυσού για την πρώτη τους εικόνα. Όταν η εικόνα εμφανίστηκε σε μια οθόνη τηλεόρασης, είδαν σειρές από άτομα με ακρίβεια διατεταγμένα και παρατήρησαν φαρδιές βεράντες που χωρίζονταν με σκαλοπάτια σε ύψος ένα άτομο. Binnig και Rohrerανακάλυψε μια απλή μέθοδο για τη δημιουργία μιας άμεσης εικόνας της ατομικής δομής των επιφανειών. Το εντυπωσιακό τους επίτευγμα αναγνωρίστηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1986.
Πρόδρομος
Ένα παρόμοιο μικροσκόπιο που ονομάζεται Topografiner εφευρέθηκε από τον Russell Young και τους συναδέλφους του μεταξύ 1965 και 1971 στο National Bureau of Standards. Αυτή τη στιγμή είναι το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. Αυτό το μικροσκόπιο λειτουργεί με βάση την αρχή ότι ο αριστερός και ο δεξιός πιεζο-οδηγός σαρώνουν το άκρο πάνω και ελαφρώς πάνω από την επιφάνεια του δείγματος. Η κεντρική πιεζο-ελεγχόμενη μονάδα διακομιστή ελέγχεται από το σύστημα διακομιστή για τη διατήρηση σταθερής τάσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα μόνιμο κατακόρυφο διαχωρισμό μεταξύ αιχμής και επιφάνειας. Ο πολλαπλασιαστής ηλεκτρονίων ανιχνεύει ένα μικροσκοπικό κλάσμα του ρεύματος της σήραγγας που διαχέεται στην επιφάνεια του δείγματος.
Σχηματική προβολή
Η διάταξη μικροσκοπίου σήραγγας περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία:
- συμβουλή σάρωσης;
- ελεγκτής για να μετακινήσετε την άκρη από τη μια συντεταγμένη στην άλλη;
- σύστημα απομόνωσης κραδασμών;
- υπολογιστής.
Η άκρη είναι συχνά κατασκευασμένη από βολφράμιο ή πλατίνα-ιρίδιο, αν και χρησιμοποιείται επίσης χρυσός. Ο υπολογιστής χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της εικόνας μέσω της επεξεργασίας εικόνας και για την πραγματοποίηση ποσοτικών μετρήσεων.
Πώς λειτουργεί
Η αρχή λειτουργίας της σήραγγαςΤο μικροσκόπιο είναι αρκετά περίπλοκο. Τα ηλεκτρόνια στην κορυφή του άκρου δεν περιορίζονται στην περιοχή μέσα στο μέταλλο από το φράγμα δυναμικού. Κινούνται μέσα από το εμπόδιο όπως η κίνησή τους στο μέταλλο. Δημιουργείται η ψευδαίσθηση των σωματιδίων που κινούνται ελεύθερα. Στην πραγματικότητα, τα ηλεκτρόνια κινούνται από άτομο σε άτομο, περνώντας μέσα από ένα φράγμα δυναμικού μεταξύ δύο ατομικών θέσεων. Για κάθε προσέγγιση στο φράγμα, η πιθανότητα διάνοιξης σήραγγας είναι 10:4. Τα ηλεκτρόνια το διασχίζουν με ταχύτητα 1013 ανά δευτερόλεπτο. Αυτός ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης σημαίνει ότι η κίνηση είναι ουσιαστική και συνεχής.
Μετακινώντας την άκρη του μετάλλου πάνω από την επιφάνεια για πολύ μικρή απόσταση, επικαλύπτοντας τα ατομικά νέφη, πραγματοποιείται ατομική ανταλλαγή. Αυτό δημιουργεί μια μικρή ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει μεταξύ του άκρου και της επιφάνειας. Μπορεί να μετρηθεί. Μέσα από αυτές τις συνεχείς αλλαγές, το μικροσκόπιο σήραγγας παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη δομή και την τοπογραφία της επιφάνειας. Με βάση αυτό, κατασκευάζεται ένα τρισδιάστατο μοντέλο σε ατομική κλίμακα, το οποίο δίνει μια εικόνα του δείγματος.
Tunneling
Όταν το άκρο κινείται κοντά στο δείγμα, η απόσταση μεταξύ αυτού και της επιφάνειας μειώνεται σε τιμή συγκρίσιμη με το χάσμα μεταξύ γειτονικών ατόμων στο πλέγμα. Το ηλεκτρόνιο της σήραγγας μπορεί να κινηθεί είτε προς το μέρος τους είτε προς το άτομο στο άκρο του ανιχνευτή. Το ρεύμα στον ανιχνευτή μετρά την πυκνότητα ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του δείγματος και αυτές οι πληροφορίες εμφανίζονται στην εικόνα. Η περιοδική συστοιχία ατόμων είναι ξεκάθαρα ορατή σε υλικά όπως ο χρυσός, η πλατίνα, το ασήμι, το νικέλιο και ο χαλκός. κενόη διοχέτευση ηλεκτρονίων από το άκρο στο δείγμα μπορεί να συμβεί ακόμα κι αν το περιβάλλον δεν είναι κενό, αλλά γεμάτο με μόρια αερίου ή υγρού.
Σχηματισμός ύψους φραγμού
Η φασματοσκοπία τοπικού ύψους φραγμού παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη χωρική κατανομή της λειτουργίας μικροσκοπικής επιφάνειας εργασίας. Η εικόνα λαμβάνεται με μέτρηση σημείο προς σημείο της λογαριθμικής μεταβολής του ρεύματος της σήραγγας, λαμβάνοντας υπόψη τη μετατροπή σε διαχωριστικό κενό. Κατά τη μέτρηση του ύψους φραγμού, η απόσταση μεταξύ του καθετήρα και του δείγματος διαμορφώνεται ημιτονοειδώς χρησιμοποιώντας μια πρόσθετη τάση AC. Η περίοδος διαμόρφωσης επιλέγεται να είναι πολύ μικρότερη από τη χρονική σταθερά του βρόχου ανάδρασης σε ένα μικροσκόπιο σήραγγας.
Σημασία
Αυτός ο τύπος μικροσκοπίου ανιχνευτή σάρωσης έχει επιτρέψει την ανάπτυξη νανοτεχνολογιών που πρέπει να χειρίζονται αντικείμενα μεγέθους νανομέτρων (μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός μεταξύ 400 και 800 nm). Το μικροσκόπιο σήραγγας απεικονίζει ξεκάθαρα την κβαντομηχανική μετρώντας το κβαντικό του κελύφους. Σήμερα, άμορφα μη κρυσταλλικά υλικά παρατηρούνται χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης.
Παράδειγμα πυριτίου
Οι επιφάνειες πυριτίου έχουν μελετηθεί εκτενέστερα από οποιοδήποτε άλλο υλικό. Παρασκευάστηκαν με θέρμανση στο κενό σε τέτοια θερμοκρασία που τα άτομα ανακατασκευάστηκαν με μια προκλητική διαδικασία. Η ανακατασκευή έχει μελετηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια. Ένα σύνθετο σχέδιο σχηματίστηκε στην επιφάνεια, γνωστό ως Takayanagi 7 x 7. Τα άτομα σχημάτισαν ζεύγη,ή διμερή που χωρούν σε σειρές που εκτείνονται σε ολόκληρο το υπό μελέτη κομμάτι πυριτίου.
Έρευνα
Έρευνα σχετικά με την αρχή λειτουργίας ενός μικροσκοπίου σήραγγας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι μπορεί να λειτουργήσει στη γύρω ατμόσφαιρα με τον ίδιο τρόπο όπως στο κενό. Έχει λειτουργήσει σε αέρα, νερό, μονωτικά υγρά και ιοντικά διαλύματα που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροχημεία. Αυτό είναι πολύ πιο βολικό από συσκευές υψηλής υποπίεσης.
Το μικροσκόπιο διάνοιξης σήραγγας μπορεί να ψυχθεί στους μείον 269 °C και να θερμανθεί στους συν 700 °C. Η χαμηλή θερμοκρασία χρησιμοποιείται για τη μελέτη των ιδιοτήτων των υπεραγώγιμων υλικών και η υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιείται για τη μελέτη της ταχείας διάχυσης των ατόμων μέσω της επιφάνειας των μετάλλων και της διάβρωσής τους.
Το μικροσκόπιο διάνοιξης σήραγγας χρησιμοποιείται κυρίως για απεικόνιση, αλλά υπάρχουν πολλές άλλες χρήσεις που έχουν διερευνηθεί. Ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ του ανιχνευτή και του δείγματος χρησιμοποιήθηκε για να μετακινήσει τα άτομα κατά μήκος της επιφάνειας του δείγματος. Η επίδραση ενός μικροσκοπίου σήραγγας σε διάφορα αέρια έχει μελετηθεί. Σε μια μελέτη, η τάση ήταν τέσσερα βολτ. Το πεδίο στο άκρο ήταν αρκετά ισχυρό για να αφαιρέσει τα άτομα από το άκρο και να τα τοποθετήσει στο υπόστρωμα. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιήθηκε με έναν ανιχνευτή χρυσού για την κατασκευή μικρών νησίδων χρυσού σε ένα υπόστρωμα με αρκετές εκατοντάδες άτομα χρυσού το καθένα. Κατά τη διάρκεια της έρευνας, εφευρέθηκε ένα υβριδικό μικροσκόπιο σήραγγας. Η αρχική συσκευή ήταν ενσωματωμένη με διποτενσιοστάτη.
