Tuneļu mikroskops ir ārkārtīgi spēcīgs instruments cietvielu sistēmu elektroniskās struktūras pētīšanai. Tās topogrāfiskie attēli palīdz izmantot ķīmiskām vielām specifiskas virsmas analīzes metodes, kā rezultātā tiek noteikta virsmas strukturālā definīcija. Šajā rakstā varat uzzināt par ierīci, funkcijām un nozīmi, kā arī skatīt tuneļa mikroskopa fotoattēlu.
Radītāji
Pirms šāda mikroskopa izgudrošanas virsmu atomu struktūras izpētes iespējas galvenokārt aprobežojās ar difrakcijas metodēm, izmantojot rentgenstaru, elektronu, jonu un citu daļiņu starus. Izrāviens notika, kad Šveices fiziķi Gerds Binigs un Heinrihs Rors izstrādāja pirmo tunelēšanas mikroskopu. Savam pirmajam attēlam viņi izvēlējās zelta virsmu. Kad attēls tika parādīts televīzijas monitorā, viņi redzēja precīzi sakārtotu atomu rindas un novēroja plašas terases, kas atdalītas ar pakāpieniem viena atoma augstumā. Binigs un Rorersatklāja vienkāršu metodi, kā radīt tiešu virsmu atomu struktūras attēlu. Viņu iespaidīgais sasniegums tika atzīts ar Nobela prēmiju fizikā 1986. gadā.
Prekursors
Līdzīgu mikroskopu ar nosaukumu Topografiner izgudroja Rasels Jangs un viņa kolēģi no 1965. līdz 1971. gadam Nacionālajā standartu birojā. Pašlaik tas ir Nacionālais standartu un tehnoloģiju institūts. Šis mikroskops darbojas pēc principa, ka kreisais un labais pjezo draiveris skenē galu virs un nedaudz virs parauga virsmas. Centrālo pjezo kontrolēto servera disku kontrolē servera sistēma, lai uzturētu nemainīgu spriegumu. Tas rada pastāvīgu vertikālu atdalīšanu starp galu un virsmu. Elektronu reizinātājs nosaka nelielu daļu no tuneļa strāvas, kas tiek izkliedēta uz parauga virsmas.
Shematisks skats
Tuneļa mikroskopa komplektā ir iekļauti šādi komponenti:
- skenēšanas padoms;
- kontrolieris, lai pārvietotu galu no vienas koordinātas uz citu;
- vibrācijas izolācijas sistēma;
- dators.
Uzgalis bieži ir izgatavots no volframa vai platīna-irīdija, lai gan tiek izmantots arī zelts. Datoru izmanto, lai uzlabotu attēlu, apstrādājot attēlus un veiktu kvantitatīvus mērījumus.
Kā tas darbojas
Tuneļa darbības principsMikroskops ir diezgan sarežģīts. Elektroni gala augšpusē nav ierobežoti ar potenciāla barjeru metāla iekšpusē. Viņi pārvietojas cauri šķērslim tāpat kā kustība metālā. Tiek radīta ilūzija par brīvi kustīgām daļiņām. Patiesībā elektroni pārvietojas no atoma uz atomu, šķērsojot potenciālu barjeru starp divām atomu vietām. Katrai pieejai barjerai tunelēšanas iespējamība ir 10:4. Elektroni to šķērso ar ātrumu 1013 sekundē. Šis lielais pārraides ātrums nozīmē, ka kustība ir ievērojama un nepārtraukta.
Pārvietojot metāla galu pa virsmu ļoti nelielu attālumu, pārklājot atomu mākoņus, tiek veikta atomu apmaiņa. Tas rada nelielu elektriskās strāvas daudzumu, kas plūst starp galu un virsmu. To var izmērīt. Izmantojot šīs notiekošās izmaiņas, tunelēšanas mikroskops sniedz informāciju par virsmas struktūru un topogrāfiju. Pamatojoties uz to, uz atomu mēroga tiek izveidots trīsdimensiju modelis, kas sniedz parauga attēlu.
Tunelēšana
Kad gals tuvojas paraugam, attālums starp to un virsmu samazinās līdz vērtībai, kas ir salīdzināma ar atstarpi starp blakus esošajiem atomiem režģī. Tuneļa elektrons var virzīties vai nu pret tiem, vai uz atomu zondes galā. Strāva zondē mēra elektronu blīvumu uz parauga virsmas, un šī informācija tiek parādīta attēlā. Periodiskais atomu klāsts ir skaidri redzams uz tādiem materiāliem kā zelts, platīns, sudrabs, niķelis un varš. vakuumselektronu tunelēšana no gala līdz paraugam var notikt pat tad, ja vide nav vakuums, bet gan piepildīta ar gāzes vai šķidruma molekulām.
Barjeras augstuma veidošana
Lokālā barjeras augstuma spektroskopija sniedz informāciju par mikroskopiskās virsmas darba funkcijas telpisko sadalījumu. Attēlu iegūst, punktu pa punktam izmērot tuneļa strāvas logaritmiskās izmaiņas, ņemot vērā transformāciju dalošā spraugā. Mērot barjeras augstumu, attālums starp zondi un paraugu tiek modulēts sinusoidāli, izmantojot papildu maiņstrāvas spriegumu. Modulācijas periods ir izvēlēts daudz īsāks par atgriezeniskās saites cilpas laika konstanti tunelēšanas mikroskopā.
Nozīme
Šāda veida skenēšanas zondes mikroskops ir ļāvis izstrādāt nanotehnoloģijas, kurām jāvada nanometru lieluma objekti (mazāki par redzamās gaismas viļņa garumu no 400 līdz 800 nm). Tunelēšanas mikroskops skaidri ilustrē kvantu mehāniku, mērot apvalka kvantu. Mūsdienās amorfos nekristāliskos materiālus novēro, izmantojot atomu spēka mikroskopiju.
Silīcija piemērs
Silīcija virsmas ir pētītas daudz plašāk nekā jebkurš cits materiāls. Tos sagatavoja, karsējot vakuumā līdz tādai temperatūrai, ka atomi tika rekonstruēti izsauktā procesā. Rekonstrukcija ir ļoti detalizēti izpētīta. Uz virsmas izveidojās sarežģīts raksts, kas pazīstams kā Takayanagi 7 x 7. Atomi veidoja pārus,vai dimēri, kas iekļaujas rindās, kas stiepjas pāri visam pētāmajam silīcija gabalam.
Pētniecība
Tuneļmikroskopa darbības principa izpēte ļāva secināt, ka tas var darboties apkārtējā atmosfērā tāpat kā vakuumā. Tas ir darbināts gaisā, ūdenī, izolācijas šķidrumos un jonu šķīdumos, ko izmanto elektroķīmijā. Tas ir daudz ērtāk nekā augsta vakuuma ierīces.
Tuneļu mikroskopu var atdzesēt līdz mīnus 269 °C un uzsildīt līdz plus 700 °C. Zema temperatūra tiek izmantota supravadošu materiālu īpašību izpētei, bet augsta temperatūra tiek izmantota, lai pētītu atomu straujo difūziju caur metālu virsmu un to koroziju.
Tuneļu mikroskopu galvenokārt izmanto attēlveidošanai, taču ir izpētīti arī daudzi citi lietojumi. Spēcīgs elektriskais lauks starp zondi un paraugu tika izmantots, lai pārvietotu atomus pa parauga virsmu. Pētīta tunelēšanas mikroskopa iedarbība dažādās gāzēs. Vienā pētījumā spriegums bija četri volti. Lauks galā bija pietiekami spēcīgs, lai noņemtu atomus no gala un novietotu tos uz pamatnes. Šo procedūru izmantoja ar zelta zondi, lai uz substrāta izveidotu nelielas zelta salas ar vairākiem simtiem zelta atomu katrā. Pētījuma laikā tika izgudrots hibrīda tunelēšanas mikroskops. Sākotnējā ierīce tika integrēta ar bipotenciostatu.
