میکروسکوپ تونل زنی ابزاری بسیار قدرتمند برای مطالعه ساختار الکترونیکی سیستم های حالت جامد است. تصاویر توپوگرافی آن به استفاده از تکنیک های تجزیه و تحلیل سطح ویژه شیمیایی کمک می کند و منجر به تعریف ساختاری سطح می شود. شما می توانید در مورد دستگاه، عملکرد و معنی آن و همچنین عکسی از یک میکروسکوپ تونل زنی را در این مقاله مشاهده کنید.
Creators
قبل از اختراع چنین میکروسکوپی، امکان مطالعه ساختار اتمی سطوح عمدتاً به روش های پراش با استفاده از پرتوهای اشعه ایکس، الکترون ها، یون ها و سایر ذرات محدود می شد. این پیشرفت زمانی رخ داد که فیزیکدانان سوئیسی گرد بیننیگ و هاینریش رورر اولین میکروسکوپ تونل زنی را ساختند. آنها سطح طلا را برای اولین تصویر خود انتخاب کردند. هنگامی که تصویر بر روی یک مانیتور تلویزیون نمایش داده شد، آن ها ردیف هایی از اتم های مرتب شده را دیدند و تراس های وسیعی را مشاهده کردند که با پله هایی به ارتفاع یک اتم از هم جدا شده بودند. بینینگ و روهرریک روش ساده برای ایجاد یک تصویر مستقیم از ساختار اتمی سطوح کشف کرد. دستاورد چشمگیر آنها با جایزه نوبل فیزیک در سال 1986 شناخته شد.
پیش‌نما
میکروسکوپ مشابهی به نام Topografiner توسط راسل یانگ و همکارانش بین سال‌های 1965 تا 1971 در اداره ملی استاندارد اختراع شد. این موسسه در حال حاضر موسسه ملی استاندارد و فناوری است. این میکروسکوپ بر اساس این اصل کار می کند که درایورهای پیزو چپ و راست نوک بالا و کمی بالاتر از سطح نمونه را اسکن می کنند. درایو سرور مرکزی با کنترل پیزو توسط سیستم سرور کنترل می شود تا ولتاژ ثابتی را حفظ کند. این منجر به جدایی عمودی دائمی بین نوک و سطح می شود. ضرب‌کننده الکترون، بخش کوچکی از جریان تونل‌زنی را که روی سطح نمونه پخش می‌شود، تشخیص می‌دهد.
نمای شماتیک
مجموعه میکروسکوپ تونل زنی شامل اجزای زیر است:
- نکته اسکن؛
- کنترل کننده برای انتقال نوک از یک مختصات به مختصات دیگر؛
- سیستم عایق ارتعاش؛
- کامپیوتر.
نوک اغلب از تنگستن یا پلاتین-ایریدیم ساخته شده است، اگرچه از طلا نیز استفاده می شود. کامپیوتر برای بهبود تصویر از طریق پردازش تصویر و اندازه گیری کمی استفاده می شود.
چگونه کار می کند
اصل عملکرد تونلمیکروسکوپ بسیار پیچیده است. الکترون های بالای نوک به ناحیه داخل فلز توسط سد پتانسیل محدود نمی شوند. آنها مانند حرکت خود در فلز از طریق مانع حرکت می کنند. توهم حرکت آزادانه ذرات ایجاد می شود. در حقیقت، الکترون‌ها از اتمی به اتم دیگر حرکت می‌کنند و از یک سد پتانسیل بین دو مکان اتمی عبور می‌کنند. برای هر نزدیک شدن به مانع، احتمال تونل زنی 10:4 است. الکترون ها با سرعت 1013 در ثانیه از آن عبور می کنند. این نرخ انتقال بالا به این معنی است که حرکت قابل توجه و مداوم است.
با حرکت دادن نوک فلز روی سطح برای فاصله بسیار کم، روی هم قرار گرفتن ابرهای اتمی، تبادل اتمی انجام می شود. این باعث ایجاد مقدار کمی جریان الکتریکی بین نوک و سطح می شود. قابل اندازه گیری است. از طریق این تغییرات مداوم، میکروسکوپ تونل زنی اطلاعاتی در مورد ساختار و توپوگرافی سطح ارائه می دهد. بر اساس آن یک مدل سه بعدی در مقیاس اتمی ساخته شده است که تصویری از نمونه می دهد.
تونل زنی
وقتی نوک به نمونه نزدیک می شود، فاصله بین آن و سطح به مقداری کاهش می یابد که با شکاف بین اتم های مجاور در شبکه قابل مقایسه است. الکترون تونل می تواند به سمت آنها یا به سمت اتم در نوک کاوشگر حرکت کند. جریان موجود در پروب چگالی الکترون روی سطح نمونه را اندازه گیری می کند و این اطلاعات روی تصویر نمایش داده می شود. آرایه تناوبی اتم ها به وضوح روی موادی مانند طلا، پلاتین، نقره، نیکل و مس قابل مشاهده است. خلاءتونل زدن الکترون ها از نوک به نمونه می تواند اتفاق بیفتد حتی اگر محیط خلاء نباشد، بلکه با مولکول های گاز یا مایع پر شده باشد.
تشکیل ارتفاع مانع
طیف‌سنجی ارتفاع مانع محلی اطلاعاتی در مورد توزیع فضایی تابع کار سطح میکروسکوپی فراهم می‌کند. تصویر با اندازه گیری نقطه به نقطه تغییر لگاریتمی در جریان تونل، با در نظر گرفتن تبدیل به یک شکاف تقسیم به دست می آید. هنگام اندازه گیری ارتفاع مانع، فاصله بین پروب و نمونه به صورت سینوسی با استفاده از یک ولتاژ AC اضافی مدوله می شود. دوره مدولاسیون بسیار کوتاهتر از ثابت زمانی حلقه بازخورد در میکروسکوپ تونل زنی انتخاب شده است.
معنا
این نوع میکروسکوپ کاوشگر روبشی امکان توسعه فناوری‌های نانو را فراهم کرده است که باید اجسام در اندازه نانومتر (کوچکتر از طول موج نور مرئی بین 400 تا 800 نانومتر) را دستکاری کنند. میکروسکوپ تونل زنی به وضوح مکانیک کوانتومی را با اندازه گیری کوانتوم پوسته نشان می دهد. امروزه، مواد غیر کریستالی آمورف با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی مشاهده می‌شوند.
نمونه سیلیکون
سطوح سیلیکونی بیش از هر ماده دیگری مورد مطالعه قرار گرفته است. آنها با حرارت دادن در خلاء به دمایی که اتم ها در یک فرآیند برانگیخته بازسازی شدند، آماده شدند. بازسازی با جزئیات زیادی مورد مطالعه قرار گرفته است. یک الگوی پیچیده روی سطح شکل گرفت که به نام تاکایاناگی 7 x 7 شناخته می شود. اتم ها جفت تشکیل دادندیا دایمرهایی که در ردیف‌هایی قرار می‌گیرند که در سراسر قطعه سیلیکون مورد مطالعه امتداد دارند.
تحقیق
تحقیق در مورد اصل عملکرد یک میکروسکوپ تونل زنی به این نتیجه رسید که می تواند در اتمسفر اطراف به همان روشی که در خلاء کار می کند. این در هوا، آب، مایعات عایق و محلول های یونی مورد استفاده در الکتروشیمی استفاده شده است. این بسیار راحت‌تر از دستگاه‌های با خلاء بالا است.
میکروسکوپ تونل زنی را می توان تا دمای منفی ۲۶۹ درجه سانتیگراد خنک کرد و تا دمای مثبت ۷۰۰ درجه سانتیگراد گرم کرد. دمای پایین برای مطالعه خواص مواد ابررسانا و دمای بالا برای مطالعه انتشار سریع اتم ها در سطح فلزات و خوردگی آنها استفاده می شود.
میکروسکوپ تونل زنی عمدتاً برای تصویربرداری استفاده می شود، اما موارد بسیاری دیگر نیز وجود دارد که مورد بررسی قرار گرفته است. یک میدان الکتریکی قوی بین کاوشگر و نمونه برای حرکت اتم ها در امتداد سطح نمونه استفاده شد. اثر میکروسکوپ تونل زنی در گازهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. در یک مطالعه، ولتاژ چهار ولت بود. میدان نوک آن به اندازه‌ای قوی بود که اتم‌ها را از نوک جدا کرده و روی بستر قرار داد. این روش با یک کاوشگر طلا برای ساختن جزایر کوچک طلا بر روی بستری با چند صد اتم طلا استفاده شد. در طی تحقیقات، یک میکروسکوپ تونل زنی هیبریدی اختراع شد. دستگاه اصلی با یک دو پتانسیواستات یکپارچه شده بود.
