Skenuojanti tunelinė mikroskopija (STM): kas tai ir kaip veikia
Skenuojanti tunelinė mikroskopija (STM) – atraskite atomų pasaulį ir kvantinį tuneliavimą, sužinokite apie nm skiriamąją gebą, veikimo principą ir praktinius panaudojimus.
Skenuojanti tunelinė mikroskopija (STM) yra mikroskopinis metodas, leidžiantis tiesiogiai vaizduoti paviršiaus atomus ir jų topografiją. Jį 1981 m. išrado Gerdas Binnigas ir Heinrichas Rohreris, dirbę IBM Ciuriche. Už šį atradimą 1986 m. jie gavo Nobelio fizikos premiją. STM pasižymi labai dideliu sugebėjimu atskirti smulkius paviršiaus požymius: šoninė skiriamoji geba gali siekti maždaug 0,1 nm, o gilioji (aukščio) skiriamoji geba – apie 0,01 nm. STM galima naudoti ne tik vakuume, bet ir ore, taip pat įvairiuose skysčiuose ar dujose, o daugeliu atvejų – ir įprastose temperatūrose, priklausomai nuo eksperimento reikalavimų.
STM principas pagrįstas kvantiniu tuneliavimu. Kai labai aštrus metalinis zondo antgalis priartinamas iki kelių angstremų (~0,5–1 nm) atstumo nuo metalinio arba puslaidininkinio paviršiaus, tarp jų susidariusi įtampa leidžia elektronams „tuneliuoti” per vakuumą ar terpę. Susidariusi tunelinė srovė labai jautriai priklauso nuo atstumo tarp antgalio ir paviršiaus (srovė sumažėja eksponentiškai didėjant atstumui), todėl skenuodami zondą paviršiumi ir registruodami srovės pokyčius galime rekonstruoti paviršiaus topografiją ir elektronines savybes. Tačiau sėkmingam STM atlikimui dažnai reikalingi itin švarūs paviršiai, aštrūs antgaliai, vibracijų izoliacija ir kartais žema temperatūra, kad būtų sumažintas triukšmas ir užtikrintas didelis skiriamumas.
Kaip tiksliau veikia STM
Zondas (antgalis) juda ant paviršiaus pagal tam tikrą skenavimo schemą (pvz., eilutė po eilutės). Yra du pagrindiniai darbo režimai:
- Pastovaus srovės režimas: valdiklis keičia zondo aukštį taip, kad tunelinė srovė išliktų pastovi; zondo aukščio pokyčiai yra interpretaciją kaip paviršiaus topografiją.
- Pastovaus aukščio režimas: zondas laikomas fiksuotame aukštyje, o srovės pokyčiai užregistruojami – šis režimas leidžia greičiau skenuoti, bet rizikuoja zondo ir paviršiaus kontaktu.
Tunelinės srovės dydis priklauso ne tik nuo atstumo, bet ir nuo vietinės elektroninės būsenų tankio (LDOS) paviršiuje bei nuo įtampos tarp zondo ir mėginio. Todėl STM ne tik pateikia topografinę informaciją, bet ir – naudojant papildomas technikas, pvz., skenuojančią tunelinę spektroskopiją (STS) – leidžia tyrinėti vietines elektronines savybes energijos erdvėje.
Techniniai reikalavimai ir eksperimentinė įranga
- Itin stabilus mechaninis stendas ir aktyvi vibracijų izoliacija — smulkūs svyravimai gali „ištrinti” atominius vaizdus.
- Antgalių (zondų) paruošimas: zondas turi būti labai aštrus (pagal vieną atomų galūnę), dažnai ruošiami cheminiu ar plazminiu poliravimu arba elektriniu ardymu.
- Aplinkos kontrolė: nors STM veikia ir ore, daug išsamesniems ir tiksliausiems matavimams naudojamas ultražemas vakuumas (UHV) ir žemos temperatūros (pvz., heliuminiai aušintuvai), kad sumažinti adsorbatus ir termiškai sukeliamą triukšmą.
- Elektronikos grandinės: jautrūs srovės stiprintuvai ir preciziškas zondo valdymas (piezoelektriniai pavarų valdikliai) reikalingi norint išlaikyti ir fiksuoti zondo padėtį angstremų tikslumu.
Praktiniai apribojimai ir triukšmai
STM gali duoti klaidingą informaciją, jeigu antgalis nėra idealiai aštrus arba antgalio forma keičiasi skenavimo metu — tokie efektai vadinami antgalio artefaktais. Be to, STM veikia tik ant laidžių arba puslaidininkių paviršių; izoliuojančius paviršius paprastai reikia padengti laidžia plėvele arba naudoti kitą metodą, pvz., atominę jėgų mikroskopiją (AFM). Kiti triukšmo šaltiniai – elektra, termiški svyravimai, netinkama masės valdymo elektronika ir paviršiaus netobulumai (nešvarumai, oksidai).
Taikymo sritys
- Paviršiaus mokslas: atominių defektų, adsorbatų, kristalinių grobių ir epitaksinių sluoksnių tyrimai.
- Elektroniniai savybių matavimai: STS leidžia ištirti elektronines būsenas, juostų struktūrą ir vietinį būsenų tankį.
- Atomų ir molekulių manipuliacija: naudojant STM galima perstumti atskirus atomus ar molekules ant paviršiaus — garsus pavyzdys yra atominė „IBM” išrašymo demonstracija (Eigler & Schweizer), kuria parodytas atomų pozicionavimo galimumas.
- Elektrochemija ir biologija: STM taikomas ir skysčiuose esančių laidžių paviršių tyrimams bei kai kuriems biologiniams eksperimentams (kai paviršius laidus arba modifikuotas).
Trumpa istorinė pastaba ir praktinė reikšmė
STM išradimas leido peržengti optinių ir elektroninių mikroskopų ribas ir tiesiogiai stebėti atomines struktūras realiuoju laiku. Tai suteikė naujų galimybių nanotechnologijoms, paviršių inžinerijai ir fundamentiniams tyrimams, todėl metodas tapo kertiniu daugelyje šiuolaikinių mokslo ir pramonės sričių.
Santrauka
- STM leidžia vaizduoti paviršiaus atomus ir tirti vietines elektronines savybes.
- Darbas grindžiamas kvantiniu tuneliavimu ir labai jautria srovės priklausomybe nuo zondo–paviršiaus atstumo.
- Metodas reikalauja geros antgalio kokybės, vibracijų kontrolės ir tinkamų aplinkos sąlygų; be to, tinka tik laidžiams arba puslaidininkiniams mėginiams.
Rekonstrukcijos ant aukso paviršiaus vaizdas.
Procedūra
Pirmiausia antgalis priartinamas labai arti prie stebimo objekto, maždaug 4-7 angstromai. Tada antgalis labai atsargiai perkeliamas per tiriamąjį objektą. Galima išmatuoti srovės pokytį jį judinant (pastovaus aukščio režimas). Taip pat galima išmatuoti antgalio aukštį, kai jo srovė visada tokia pati (pastovios srovės režimas). Naudojant pastovaus aukščio režimą yra greičiau.
Prietaisai
STM dalys yra šios: nuskaitymo antgalis, antgalį judinantis įtaisas, antgalio vibraciją stabdantis įtaisas ir kompiuteris.
STM dalys
St Andrews universiteto paprastos skenuojančio tunelinio mikroskopo galvutės, skenuojančios MoS2 naudojant platinos ir iridžio plunksną, stambus planas.
Susiję puslapiai
Literatūra
- Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
- Bardeen, J.: Tuneliavimas daugelio dalelių požiūriu, Physical Review Letters 6 (2), 1961, p. 57-59.
- Chen, C. J.: Chenas Chen: Atominės skiriamosios gebos metalo paviršiuose kilmė skenuojančioje tunelinėje mikroskopijoje, Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451.
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ir E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ir E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ir E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982)
- R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, tomas 15, numeris 9, puslapiai 1135-1151, 2004 m.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra skenuojanti tunelinė mikroskopija?
A: Skenuojanti tunelinė mikroskopija (STM) - tai būdas stebėti mažų objektų formą. Juo galima nufotografuoti atomus ant paviršiaus ir perkelti atomus į skirtingas vietas.
K: Kas išrado STM?
A.: STM išrado Gerdas Binnigas ir Heinrichas Rohreris 1981 m. IBM, Ciuriche.
K: Kada jie jį išrado?
A: Jie išrado jį 1981 m. IBM, Ciuriche.
K.: Ką gali STM?
A.: STM gali nufotografuoti atomus ant paviršiaus ir perkelti atomus į skirtingas vietas.
K: Ar jie laimėjo apdovanojimą už STM išradimą?
A: Taip, 1986 m. už STM išradimą jie gavo Nobelio fizikos premiją.
K: Kur jie laimėjo šią premiją?
Atsakymas: Nobelio fizikos premiją jie gavo 1986 m. už STM išradimą.
K: Kuriais metais jie laimėjo šią premiją?
A: Nobelio fizikos premiją jie gavo 1986 m. už jo išradimą.
Ieškoti