Skenēšanas tuneļu mikroskopija (STM): kas tas ir un kā darbojas
Atklāj atomu pasauli ar skenēšanas tuneļmikroskopiju (STM) — kvantu tuneļošanas princips, izcila nm izšķirtspēja, Nobela atklājums un praktiski pielietojumi materiāztehnikā.
Skenēšanas tuneļmikroskopija (STM) ir metode, kas ļauj vizualizēt virsmas atomiskās struktūras ar ārkārtīgi augstu izšķirtspēju. To izstrādāja 1981. gadā Gerds Binnigs (Gerd Binnig) un Heinrihs Rorers (Heinrich Rohrer) IBM Cīrihē. Par šī izgudrojuma nozīmīgumu viņi 1986. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. STM tipiskā sānu izšķirtspēja var būt ap 0,1 nm (cik precīzi var redzēt virsmas iezīmes), bet dziļuma (augstuma) izšķirtspēja — ap 0,01 nm, kas ļauj noteikt pat ļoti sīkus augstuma atšķirību nianses.
Kā darbojas STM — pamata princips
STM darbības pamatā ir kvantu tuneļošana. Kad asu metāla zondi (uzgalis) pietuvina metāla vai pusvadītāja virsmai ļoti mazos attālumos (parasti dažas Ångströmas), starp zondi un paraugu var rasties tuneļstrāva, ja starp tiem ir uzlikts spriegums. Elektroni var "tunnelēt" cauri vakuumam vai šķērslim starp zondi un virsmu, radot mērojamu strāvu. Šīs strāvas vērtības mainās strauji atkarībā no zondes un virsmas attāluma: neliela attāluma izmaiņa izraisa eksponenciālu strāvas izmaiņu (piemēram, aptuveni 10 reizes mainās, ja attālums mainās par ~1 Å).
STM attēlu iegūst, pārvietojot zondi pa virsmu un reģistrējot strāvas izmaiņas. Parasti sistēmā ir atsauksmes (feedback) slēdzis, kas kontrolē zondes augstumu tā, lai uzturētu noteiktu tuneļstrāvu; no šīs zondes vertikālajām korekcijām tiek veidots topogrāfisks attēls.
Darbošanās režīmi un tehniskie elementi
- Konstantās strāvas režīms: kontrolē zondes augstumu, lai noturētu konstanti strāvu; nodrošina drošu attēlošanu uz nevienmērīgām virsmām.
- Konstantā augstuma režīms: zondē notiek bez augstuma korekcijām, reģistrējot strāvas svārstības; ātrāks, bet riskantāks — var izraisīt sadursmi ar virsmu.
- Piezoelektriskais skeneris: precīzi pārvieto zondi trīs dimensijās ar atomu līmeņa precizitāti.
- Zondes materiāli: parasti izmanto volframu (W), platīna-irīdija (PtIr) vai citus metālu uzgaļus; zondes forma un lēkums ietekmē attēla izšķirtspēju.
- Elektroķīmiskā/šķidruma STM: STM var darboties arī šķidrumos (piem., elektroķīmiskos pētījumos) un gaisā, ne tikai vakuumā.
Informācija, ko sniedz STM
STM attēli nav tikai "topogrāfija" — tie atspoguļo lokālo elektronu blīvumu pie Fermi līmeņa, t.i., vietējās elektriskās īpašības. Ar papildu metodi, skenēšanas tuneļspektroskopiju (STS), var mērīt vietējo enerģijas atkarīgo stāvokļu blīvumu (LDOS), kas sniedz informāciju par elektroniskajiem stāvokļiem, enerģiju joslām un vietējām defektu iezīmēm.
Lietojumi
- Pamatpētījumi virsmas fizikā un ķīmijā (atomu un molekulu uzvedības izpēte).
- Nanotehnoloģijas — atsevišķu atomu un molekulas manipulācija (slavenais atsevišķu atomu pārvietojums ar STM).
- Pusvadītāju struktūru un nanoelektronikas elementu aplūkošana.
- Virsmu katalīzes un ķīmisko reakciju vietu analīze.
- Elektroķīmiskie pētījumi šķidrumos.
Prasības un ierobežojumi
- Virsmu tīrība: lai iegūtu augstas kvalitātes atomattēlus, paraugi bieži jāsagatavo ultra-tīros apstākļos (UHV — ultra-high vacuum) un jāattīra ar sputterēšanu/anneal vai ķīmisku šķelšanu.
- Vibrācijas un trokšņa kontrole: STM ir ļoti jutīgs pret mehāniskām vibrācijām un akustisko troksni — laboratorijai nepieciešama vibrāciju izolācija un stabils statīvs.
- Temperatūra: daudzi pētījumi prasa zemas temperatūras, lai samazinātu termisko šumu; tomēr ir sistēmas, kas darbojas istabas temperatūrā vai šķidrumos.
- Interpretācija: attēli atspoguļo gan topogrāfiju, gan elektronisko struktūru; to interpretācija prasa uzmanību un bieži papildu mērījumus.
- Ātrums: skenēšana var būt lēna — viena attēla iegūšanai bieži nepieciešamas minūtes vai stundas.
Praktiskas piezīmes
STM instrumenta uzbūve parasti ietver vakuuma kameru (ja nepieciešams), stabilu piezoelektrisko skeneri, precīzu zondes pozicionēšanas sistēmu, elektronikas bloku strāvas un sprieguma mērīšanai, kā arī vadības programmatūru attēlu iegūšanai. Lai saņemtu uzticamus rezultātus, eksperimenti prasa rūpīgu kalibrāciju, kvalitatīvu zondi un piemērotas parauga sagatavošanas metodes.
Īsumā, Skenēšanas tuneļmikroskopija (STM) ir spēcīgs instruments materiālu zinātnē un nanotehnoloģijā, kas ļauj "redzēt" un pētīt virsmas atomu līmenī, kā arī pētīt materiālu elektroniskās īpašības ar ļoti augstu telpisko izšķirtspēju.
Rekonstrukcijas attēls uz zelta virsmas.
Procedūra
Vispirms uzgalis tiek pietuvināts ļoti tuvu aplūkojamajam objektam, apmēram 4-7 angstroms. Pēc tam uzgalis tiek ļoti uzmanīgi pārvietots pāri testējamai lietai. Var izmērīt strāvas izmaiņas, kad tas tiek pārvietots (konstanta augstuma režīms). Var izmērīt arī uzgaļa augstumu, kurā tam vienmēr ir vienāda strāva (konstantas strāvas režīms). Pastāvīga augstuma režīma izmantošana ir ātrāka.
Instrumentācija
STM daļas ir šādas: skenēšanas uzgalis, kaut kas, kas kustina uzgalīti, kaut kas, kas aptur tā vibrāciju, un dators.
STM daļas
Vienkārša skenējošā tuneļmikroskopa galviņas tuvplāns Sentendrjūsas Universitātē, kas skenē MoS2, izmantojot platīna-iridija stilu.
Saistītās lapas
Literatūra
- Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
- Bardeen, J.: Tunelēšana no daudzu daļiņu viedokļa, Physical Review Letters 6 (2), 1961, 57-59. lpp.
- Chen, C. J.: Čen Čen (Chen Chen Chen): Atomārās izšķirtspējas izcelsme metālu virsmās skenēšanas tuneļmikroskopijā, Physical Review Letters 65 (4), 1990, 448-451. lpp., Physical Review Letters 65 (4), 1990, 448-451. lpp.
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber un E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber un E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber un 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, 15. sējums, 9. numurs, 1135-1151. lpp., 2004. gads.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir skenējošā tuneļmikroskopija?
A: Skenēšanas tuneļmikroskopija (STM) ir veids, kā apskatīt sīku objektu formu. Ar to var uzņemt atomu attēlus uz virsmas un pārvietot atomus uz dažādām vietām.
J: Kas izgudroja STM?
A: STM izgudroja Gerds Binnigs un Heinrihs Roreers 1981. gadā IBM, Cīrihē.
J: Kad viņi to izgudroja?
A: Viņi to izgudroja 1981. gadā IBM, Cīrihē.
J: Ko STM spēj?
A: STM var uzņemt atomu attēlus uz virsmas un pārvietot atomus uz dažādām vietām.
J: Vai viņi saņēma balvu par STM izgudrošanu?
A: Jā, par STM izgudrošanu 1986. gadā viņi saņēma Nobela prēmiju fizikā.
J: Kur viņi ieguva šo balvu?
A: Viņi saņēma Nobela prēmiju fizikā par tās izgudrošanu 1986. gadā.
J: Kurā gadā viņi ieguva šo balvu?
A: Viņi saņēma Nobela prēmiju fizikā par tās izgudrošanu 1986. gadā.
Meklēt