Tunnelmikroskopet er et ekstremt kraftfuldt værktøj til at studere den elektroniske struktur af faststofsystemer. Dens topografiske billeder hjælper med anvendelsen af kemisk-specifikke overfladeanalyseteknikker, hvilket fører til en strukturel definition af overfladen. Du kan lære om enheden, funktioner og betydning, samt se et foto af et tunnelmikroskop i denne artikel.
Creators
Før opfindelsen af et sådant mikroskop var mulighederne for at studere overfladers atomare struktur hovedsageligt begrænset til diffraktionsmetoder ved hjælp af stråler af røntgenstråler, elektroner, ioner og andre partikler. Gennembruddet kom, da de schweiziske fysikere Gerd Binnig og Heinrich Rohrer udviklede det første tunnelmikroskop. De valgte overfladen af guld til deres første billede. Når billedet blev vist på en tv-skærm, så de rækker af præcist arrangerede atomer og observerede brede terrasser adskilt af trin et atom højt. Binnig og Rohreropdagede en simpel metode til at skabe et direkte billede af overfladers atomare struktur. Deres imponerende præstation blev anerkendt med Nobelprisen i fysik i 1986.
Precursor
Et lignende mikroskop kaldet Topografiner blev opfundet af Russell Young og hans kolleger mellem 1965 og 1971 ved National Bureau of Standards. Det er i øjeblikket National Institute of Standards and Technology. Dette mikroskop fungerer efter princippet om, at venstre og højre piezo-driver scanner spidsen over og lidt over prøveoverfladen. Det centrale piezo-kontrollerede serverdrev styres af serversystemet for at opretholde en konstant spænding. Dette resulterer i en permanent lodret adskillelse mellem spids og overflade. Elektronmultiplikatoren detekterer en lille brøkdel af tunnelstrømmen, der spredes på prøvens overflade.
Skematisk visning
Tunnelmikroskopsamlingen inkluderer følgende komponenter:
- scanningstip;
- controller til at flytte spidsen fra en koordinat til en anden;
- vibrationsisoleringssystem;
- computer.
Spidsen er ofte lavet af wolfram eller platin-iridium, selvom der også bruges guld. Computeren bruges til at forbedre billedet gennem billedbehandling og til at foretage kvantitative målinger.
Sådan virker det
Tunnellens funktionsprincipmikroskop er ret kompliceret. Elektronerne i toppen af spidsen er ikke begrænset til området inde i metallet af potentialbarrieren. De bevæger sig gennem forhindringen ligesom deres bevægelse i metal. Illusionen om frit bevægelige partikler skabes. I virkeligheden bevæger elektroner sig fra atom til atom og passerer gennem en potentiel barriere mellem to atomare steder. For hver tilgang til barrieren er sandsynligheden for tunneling 10:4. Elektroner krydser det med en hastighed på 1013 i sekundet. Denne høje transmissionshastighed betyder, at bevægelsen er betydelig og kontinuerlig.
Ved at flytte spidsen af metallet over overfladen i en meget lille afstand, overlappende atomskyerne, udføres en atomudveksling. Dette skaber en lille mængde elektrisk strøm, der flyder mellem spidsen og overfladen. Det kan måles. Gennem disse løbende ændringer giver tunnelmikroskopet information om overfladens struktur og topografi. Baseret på den bygges en tredimensionel model i atomskala, som giver et billede af prøven.
Tunnelkørsel
Når spidsen bevæger sig tæt på prøven, falder afstanden mellem den og overfladen til en værdi, der kan sammenlignes med afstanden mellem tilstødende atomer i gitteret. Tunnelelektronen kan bevæge sig enten mod dem eller mod atomet i spidsen af sonden. Strømmen i sonden måler elektrontætheden på overfladen af prøven, og denne information vises på billedet. Den periodiske række af atomer er tydeligt synlig på materialer som guld, platin, sølv, nikkel og kobber. vakuumtunnelering af elektroner fra spidsen til prøven kan forekomme, selvom omgivelserne ikke er et vakuum, men fyldt med gas- eller væskemolekyler.
Danning af barrierehøjde
Lokal barrierehøjdespektroskopi giver information om den rumlige fordeling af den mikroskopiske overfladearbejdsfunktion. Billedet opnås ved punkt-for-punkt måling af den logaritmiske ændring i tunnelstrømmen, idet der tages højde for transformationen til et opdelingsgab. Ved måling af barrierehøjden moduleres afstanden mellem sonden og prøven sinusformet ved hjælp af en ekstra AC-spænding. Modulationsperioden er valgt til at være meget kortere end tilbagekoblingssløjfens tidskonstanten i et tunnelmikroskop.
Meaning
Denne type scanningsprobemikroskop har muliggjort udviklingen af nanoteknologier, der skal manipulere objekter på nanometerstørrelse (mindre end bølgelængden af synligt lys mellem 400 og 800 nm). Tunnelmikroskopet illustrerer klart kvantemekanikken ved at måle skallens kvantum. I dag observeres amorfe ikke-krystallinske materialer ved hjælp af atomkraftmikroskopi.
Siliconeeksempel
Siliconoverflader er blevet undersøgt mere omfattende end noget andet materiale. De blev fremstillet ved opvarmning i vakuum til en sådan temperatur, at atomerne blev rekonstrueret i en fremkaldt proces. Rekonstruktionen er blevet studeret meget detaljeret. Et komplekst mønster dannet på overfladen, kendt som Takayanagi 7 x 7. Atomerne dannede par,eller dimerer, der passer ind i rækker, der strækker sig over hele det siliciumstykke, der undersøges.
Forskning
Forskning i funktionsprincippet for et tunnelmikroskop førte til den konklusion, at det kan arbejde i den omgivende atmosfære på samme måde som i et vakuum. Den har været drevet i luft, vand, isolerende væsker og ioniske opløsninger, der bruges i elektrokemi. Dette er meget mere praktisk end højvakuum-enheder.
Tunnelmikroskopet kan afkøles til minus 269 °C og opvarmes til plus 700 °C. Lav temperatur bruges til at studere egenskaberne af superledende materialer, og høj temperatur bruges til at studere den hurtige diffusion af atomer gennem overfladen af metaller og deres korrosion.
Tunnelmikroskopet bruges primært til billeddannelse, men der er mange andre anvendelser, der er blevet udforsket. Et stærkt elektrisk felt mellem sonden og prøven blev brugt til at flytte atomerne langs prøvens overflade. Effekten af et tunnelmikroskop i forskellige gasser er blevet undersøgt. I en undersøgelse var spændingen fire volt. Feltet ved spidsen var stærkt nok til at fjerne atomerne fra spidsen og placere dem på substratet. Denne procedure blev brugt med en guldsonde til at lave små guldøer på et substrat med flere hundrede guldatomer hver. Under forskningen blev et hybridt tunnelmikroskop opfundet. Den originale enhed var integreret med en bipotentiostat.
