Туннельный микроскоп: история создания, устройство и принцип работы

Туннельный микроскоп - чрезвычайно мощный инструмент для изучения электронной структуры твердотельных систем. Его топографические изображения помогают при применении поверхностных методов анализа с химической спецификой, приводя к структурному определению поверхности. Узнать об устройстве, функциях и значении, а также посмотреть фото туннельного микроскопа можно в этой статье.

Создатели

До изобретения подобного микроскопа возможности изучения атомарного строения поверхностей в основном ограничивались дифракционными методами с использованием пучков рентгеновских лучей, электронов, ионов и других частиц. Прорыв произошел, когда швейцарские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер разработали первый туннельный микроскоп. Они выбрали поверхность золота для своего первого изображения. Когда изображение выводилось на экран телевизионного монитора, они видели ряды точно расположенных атомов и наблюдали широкие террасы, разделенные ступенями высотой в один атом. Бинниг и Рорер открыли простой метод создания прямого образа атомной структуры поверхностей. Их впечатляющее достижение было признано Нобелевской премией по физике в 1986 году.

Предшественник

Подобный микроскоп под названием Topografiner был изобретен Расселом Янгом и его коллегами в период с 1965 по 1971 год в Национальном бюро стандартов. В настоящее время это Национальный институт стандартов и технологий. Данный микроскоп работает по принципу, согласно которому левый и правый пьезо-драйверы сканируют наконечник над и немного выше поверхности образца. Центральный пьезоуправляемый серверный привод управляется серверной системой для поддержания постоянного напряжения. Это приводит к постоянному вертикальному разделению между наконечником и поверхностью. Электронный умножитель обнаруживает крошечную долю туннельного тока, которая рассеивается на поверхности образца.

Схематический вид

Устройство туннельного микроскопа включает следующие компоненты:

• сканирующий наконечник;
• контроллер для перемещения наконечника от одной координаты к другой;
• систему виброизоляции;
• компьютер.

Наконечник часто изготавливается из вольфрама или платины-иридия, хотя также используется золото. Компьютер применяется для улучшения изображения с помощью его обработки и для выполнения количественных измерений.

Как работает

Принцип работы туннельного микроскопа достаточно сложен. Электроны на вершине наконечника не ограничены областью внутри металла потенциальным барьером. Они движутся через препятствие подобно их движению в металле. Создается иллюзия свободно перемещающихся частиц. В действительности электроны движутся от атома к атому, проходя через потенциальный барьер между двумя атомными участками. Для каждого подхода к барьеру вероятность туннелирования равна 10:4. Электроны пересекают его со скоростью 1013 шт в секунду. Этот высокий темп передачи значит, что движение существенно и непрерывно.

Перемещая наконечник металла по поверхности на очень маленькое, перекрывающее атомные облака расстояние производится атомный обмен. При этом образуется небольшое количество электрического тока, протекающего между наконечником и поверхностью. Его можно измерить. Благодаря этим текущим изменениям туннельный микроскоп предоставляет информацию о структуре и топографии поверхности. На ее основе строится трехмерная модель в атомном масштабе, которая дает изображение образца.

Туннелирование

Когда наконечник перемещается близко к образцу, расстояние между ним и поверхностью уменьшается до величины, сравнимой с промежутком между соседними атомами в решетке. Туннельный электрон может двигаться либо к ним, либо к атому на кончике зонда. Ток в зонде измеряет плотность электронов на поверхности образца, и эта информация отображается на картинке. Периодический массив атомов хорошо виден на таких материалах, как золото, платина, серебро, никель и медь. Вакуумное туннелирование электронов от кончика к образцу может происходить даже при том, что окружающая среда не является вакуумом, а заполнена молекулами газа или жидкости.

Формирование высоты барьера

Спектроскопия высоты локального барьера обеспечивает информацию о пространственном распределении микроскопической функции работы поверхности. Изображение получают путем измерения по пунктам логарифмического изменения туннельного тока с учетом трансформации в разделительный разрыв. При измерении высоты барьера расстояние между зондом и образцом модулируется по синусоидальному закону с помощью дополнительного переменного напряжения. Период модуляции выбирается гораздо короче, чем константа времени петли обратной связи в туннельном микроскопе.

Значение

Этот тип сканирующих зондовых микроскопов позволил разработать нанотехнологии, которые должны манипулировать объектами нанометрического размера (меньше длины волны видимого света от 400 до 800 нм). Туннельный микроскоп наглядно иллюстрирует квантовую механику, измеряя квант оболочки. Сегодня аморфные некристаллические материалы наблюдаются с помощью атомно-силовой микроскопии.

Пример на кремнии

Поверхности кремния были изучены более широко, чем любой другой материал. Они подготавливались путем нагревания в вакууме до такой температуры, что атомы реконструировались в вызванном процессе. Реконструкция была изучена в мельчайших деталях. На поверхности образовался сложный узор, известный как Такаянаги 7 х 7. Атомы образовали пары, или димеры, которые вписались в ряды, простирающиеся по всей исследуемой части кремния.

Исследования

Исследования принципа действия туннельного микроскопа привели к выводу, что он может работать в окружающей атмосфере так же, как и в вакууме. Он эксплуатировался в воздухе, воде, изоляционных жидкостях и ионных разрешениях, используемых в электрохимии. Это гораздо удобнее, чем высоковакуумные приборы.

Туннельный микроскоп можно охладить до температуры минус 269 °C и нагреть до плюс 700 °C. Низкая температура используется для того, чтобы исследовать свойства сверхпроводящих материалов, а высокая - для изучения быстрой диффузии атомов через поверхность металлов и их коррозию.

Туннельный микроскоп используется в основном для визуализации, но есть много других применений, которые были изучены. Сильное электрическое поле между зондом и образцом было использовано для того, чтобы двинуть атомы вдоль поверхности образца. Изучено действие туннельного микроскопа в различных газах. В одном из исследований напряжение составляло четыре вольта. Поле на кончике было достаточно сильным, чтобы удалить атомы из наконечника и поместить их на подложку. Эту процедуру использовали с золотым зондом для изготовления небольших золотых островков на подложке с несколькими сотнями атомов золота в каждом. В ходе исследований был изобретен гибридный туннельный микроскоп. Изначальное устройство интегрировали с бипотенциостатом.