Tunnelmikroskopet er et ekstremt kraftig verktøy for å studere den elektroniske strukturen til solid-state-systemer. Dens topografiske bilder hjelper til med anvendelsen av kjemisk-spesifikke overflateanalyseteknikker, noe som fører til en strukturell definisjon av overflaten. Du kan lære om enheten, funksjoner og betydning, samt se et bilde av et tunnelmikroskop i denne artikkelen.
Creators
Før oppfinnelsen av et slikt mikroskop var mulighetene for å studere atomstrukturen til overflater hovedsakelig begrenset til diffraksjonsmetoder ved bruk av stråler av røntgenstråler, elektroner, ioner og andre partikler. Gjennombruddet kom da de sveitsiske fysikerne Gerd Binnig og Heinrich Rohrer utviklet det første tunnelmikroskopet. De valgte overflaten av gull for sitt første bilde. Da bildet ble vist på en TV-skjerm, så de rader med nøyaktig ordnede atomer og observerte brede terrasser atskilt med ett atomtrinn høye. Binnig og Rohreroppdaget en enkel metode for å lage et direkte bilde av atomstrukturen til overflater. Deres imponerende prestasjon ble anerkjent med Nobelprisen i fysikk i 1986.
Forløper
Et lignende mikroskop k alt Topografiner ble oppfunnet av Russell Young og hans kolleger mellom 1965 og 1971 ved National Bureau of Standards. Det er for tiden National Institute of Standards and Technology. Dette mikroskopet fungerer etter prinsippet om at venstre og høyre piezodriver skanner spissen over og litt over prøveoverflaten. Den sentrale piezo-kontrollerte serverstasjonen styres av serversystemet for å opprettholde en konstant spenning. Dette resulterer i en permanent vertikal separasjon mellom spiss og overflate. Elektronmultiplikatoren oppdager en liten brøkdel av tunnelstrømmen som spres på overflaten av prøven.
skjematisk visning
The Tunneling Microscope Assembly inkluderer følgende komponenter:
- skannetips;
- kontroller for å flytte spissen fra en koordinat til en annen;
- vibrasjonsisoleringssystem;
- datamaskin.
Spissen er ofte laget av wolfram eller platina-iridium, selv om gull også brukes. Datamaskinen brukes til å forbedre bildet gjennom bildebehandling og for å gjøre kvantitative målinger.
Slik fungerer det
Prinsippet for drift av tunnelenmikroskop er ganske komplisert. Elektronene på toppen av spissen er ikke begrenset til området inne i metallet av potensialbarrieren. De beveger seg gjennom hindringen som deres bevegelse i metall. Illusjonen av fritt bevegelige partikler skapes. I virkeligheten beveger elektroner seg fra atom til atom, og passerer gjennom en potensiell barriere mellom to atomsteder. For hver tilnærming til barrieren er sannsynligheten for tunneling 10:4. Elektroner krysser den med en hastighet på 1013 per sekund. Denne høye overføringshastigheten betyr at bevegelsen er betydelig og kontinuerlig.
Ved å flytte tuppen av metallet over overflaten en veldig liten avstand, overlappende atomskyene, utføres en atomutveksling. Dette skaper en liten mengde elektrisk strøm som flyter mellom spissen og overflaten. Det kan måles. Gjennom disse pågående endringene gir tunnelmikroskopet informasjon om strukturen og topografien til overflaten. Basert på den bygges en tredimensjonal modell i atomskala, som gir et bilde av prøven.
Tunneldrift
Når spissen beveger seg nær prøven, reduseres avstanden mellom den og overflaten til en verdi som kan sammenlignes med gapet mellom tilstøtende atomer i gitteret. Tunnelelektronet kan bevege seg enten mot dem eller mot atomet på spissen av sonden. Strømmen i sonden måler elektrontettheten på overflaten av prøven, og denne informasjonen vises på bildet. Det periodiske utvalget av atomer er tydelig synlig på materialer som gull, platina, sølv, nikkel og kobber. vakuumtunnelering av elektroner fra spissen til prøven kan oppstå selv om miljøet ikke er et vakuum, men fylt med gass eller væskemolekyler.
Formasjon av barrierehøyde
Lokal barrierehøydespektroskopi gir informasjon om den romlige fordelingen av den mikroskopiske overflatearbeidsfunksjonen. Bildet oppnås ved punktvis måling av den logaritmiske endringen i tunnelstrømmen, tatt i betraktning transformasjonen til et skillegap. Ved måling av barrierehøyden moduleres avstanden mellom sonden og prøven sinusformet ved hjelp av en ekstra AC-spenning. Modulasjonsperioden er valgt å være mye kortere enn tidskonstanten for tilbakekoblingssløyfen i et tunnelmikroskop.
Meaning
Denne typen skanningsprobemikroskop har muliggjort utviklingen av nanoteknologier som må manipulere objekter på nanometerstørrelse (mindre enn bølgelengden til synlig lys mellom 400 og 800 nm). Tunnelmikroskopet illustrerer tydelig kvantemekanikk ved å måle skallkvanten. I dag observeres amorfe ikke-krystallinske materialer ved hjelp av atomkraftmikroskopi.
Silisiumeksempel
Silisiumoverflater har blitt studert mer omfattende enn noe annet materiale. De ble tilberedt ved oppvarming i vakuum til en slik temperatur at atomene ble rekonstruert i en fremk alt prosess. Rekonstruksjonen er studert i stor detalj. Et komplekst mønster dannet på overflaten, kjent som Takayanagi 7 x 7. Atomene dannet par,eller dimerer som passer inn i rader som strekker seg over hele silisiumstykket som studeres.
Research
Forskning på driftsprinsippet til et tunnelmikroskop førte til konklusjonen at det kan fungere i den omkringliggende atmosfæren på samme måte som i et vakuum. Den har blitt operert i luft, vann, isolerende væsker og ioniske løsninger brukt i elektrokjemi. Dette er mye mer praktisk enn høyvakuumenheter.
Tunnelmikroskopet kan avkjøles til minus 269 °C og varmes opp til pluss 700 °C. Lav temperatur brukes til å studere egenskapene til superledende materialer, og høy temperatur brukes til å studere den raske diffusjonen av atomer gjennom overflaten av metaller og deres korrosjon.
Tunnelmikroskopet brukes først og fremst til avbildning, men det er mange andre bruksområder som har blitt utforsket. Et sterkt elektrisk felt mellom sonden og prøven ble brukt til å flytte atomene langs overflaten av prøven. Effekten av et tunnelmikroskop i ulike gasser er studert. I en studie var spenningen fire volt. Feltet ved spissen var sterkt nok til å fjerne atomene fra spissen og plassere dem på underlaget. Denne prosedyren ble brukt med en gullsonde for å lage små gulløyer på et substrat med flere hundre gullatomer hver. Under forskningen ble et hybrid tunnelmikroskop oppfunnet. Den originale enheten var integrert med en bipotentiostat.
