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.