Tünel mikroskobu, katı hal sistemlerinin elektronik yapısını incelemek için son derece güçlü bir araçtır. Topografik görüntüleri, kimyasala özgü yüzey analiz tekniklerinin uygulanmasına yardımcı olarak yüzeyin yapısal bir tanımına yol açar. Bu makalede cihaz, işlevler ve anlam hakkında bilgi edinebilir, ayrıca bir tünelleme mikroskobunun fotoğrafını görebilirsiniz.
Yaratıcılar
Böyle bir mikroskobun icadından önce, yüzeylerin atomik yapısını inceleme olanakları temel olarak x-ışınları, elektronlar, iyonlar ve diğer parçacıkların kullanıldığı kırınım yöntemleriyle sınırlıydı. Bu buluş, İsviçreli fizikçiler Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer'in ilk tünelleme mikroskobunu geliştirmesiyle geldi. İlk görüntüleri için altın yüzeyi seçtiler. Görüntü bir televizyon monitöründe görüntülendiğinde, tam olarak düzenlenmiş atom sıralarını gördüler ve bir atom yüksekliğindeki adımlarla ayrılmış geniş terasları gözlemlediler. Binnig ve Rohreryüzeylerin atomik yapısının doğrudan bir görüntüsünü oluşturmak için basit bir yöntem keşfetti. Etkileyici başarıları 1986'da Nobel Fizik Ödülü ile tanındı.
Öncü
Topografiner adlı benzer bir mikroskop Russell Young ve meslektaşları tarafından 1965 ve 1971 yılları arasında Ulusal Standartlar Bürosunda icat edildi. Şu anda Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsüdür. Bu mikroskop, sol ve sağ piezo sürücülerinin numune yüzeyinin üstündeki ve biraz üzerindeki ucu taramaları prensibine göre çalışır. Merkezi piezo kontrollü sunucu sürücüsü, sabit bir voltajı korumak için sunucu sistemi tarafından kontrol edilir. Bu, uç ve yüzey arasında kalıcı bir dikey ayrılma ile sonuçlanır. Elektron çoğ altıcı, numunenin yüzeyinde dağılan tünel akımının çok küçük bir kısmını algılar.
Şematik görünüm
Tünelleme Mikroskop Düzeneği aşağıdaki bileşenleri içerir:
- tarama ipucu;
- Ucu bir koordinattan diğerine taşımak için kontrolör;
- titreşim izolasyon sistemi;
- bilgisayar.
Uç genellikle tungsten veya platin-iridyumdan yapılır, ancak altın da kullanılır. Bilgisayar, görüntü işleme yoluyla görüntüyü iyileştirmek ve nicel ölçümler yapmak için kullanılır.
Nasıl çalışır
Tünelin çalışma prensibimikroskop oldukça karmaşıktır. Ucun tepesindeki elektronlar, potansiyel bariyer tarafından metalin içindeki bölge ile sınırlı değildir. Metaldeki hareketleri gibi engelin içinden geçerler. Serbestçe hareket eden parçacıkların yanılsaması yaratılır. Gerçekte elektronlar, iki atomik bölge arasındaki potansiyel bir bariyerden geçerek atomdan atoma hareket eder. Bariyere her yaklaşma için tünel açma olasılığı 10:4'tür. Elektronlar saniyede 1013 hızında geçiyor. Bu yüksek aktarım hızı, hareketin önemli ve sürekli olduğu anlamına gelir.
Metalin ucunu yüzey üzerinde çok küçük bir mesafe boyunca hareket ettirerek, atom bulutlarını üst üste getirerek, bir atomik değişim gerçekleştirilir. Bu, uç ile yüzey arasında akan az miktarda elektrik akımı oluşturur. Ölçülebilir. Devam eden bu değişiklikler sayesinde tünelleme mikroskobu, yüzeyin yapısı ve topografyası hakkında bilgi sağlar. Buna dayanarak, örneğin bir görüntüsünü veren atom ölçeğinde üç boyutlu bir model oluşturulur.
Tünel Açma
Uç numuneye yaklaştığında, onunla yüzey arasındaki mesafe, kafesteki bitişik atomlar arasındaki boşluğa benzer bir değere düşer. Tünel elektronu ya onlara doğru ya da sondanın ucundaki atoma doğru hareket edebilir. Probdaki akım numunenin yüzeyindeki elektron yoğunluğunu ölçer ve bu bilgi resimde gösterilir. Periyodik atom dizisi, altın, platin, gümüş, nikel ve bakır gibi malzemeler üzerinde açıkça görülebilir. vakumUçtan örneğe elektronların tünellenmesi, ortam bir vakum olmasa da gaz veya sıvı moleküllerle dolu olsa bile gerçekleşebilir.
Bariyer yüksekliğinin oluşumu
Yerel bariyer yüksekliği spektroskopisi, mikroskobik yüzey çalışma fonksiyonunun uzamsal dağılımı hakkında bilgi sağlar. Görüntü, tünel akımındaki logaritmik değişimin, bir bölme boşluğuna dönüşümü hesaba katarak, nokta nokta ölçümüyle elde edilir. Bariyer yüksekliğini ölçerken, prob ile numune arasındaki mesafe, ek bir AC voltajı kullanılarak sinüzoidal olarak modüle edilir. Modülasyon periyodu, bir tünelleme mikroskobundaki geri besleme döngüsü zaman sabitinden çok daha kısa olacak şekilde seçilir.
Anlam
Bu tip taramalı prob mikroskobu, nanometre boyutundaki nesneleri (400 ile 800 nm arasındaki görünür ışığın dalga boyundan daha küçük) manipüle etmesi gereken nanoteknolojilerin geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Tünelleme mikroskobu, kabuk kuantumunu ölçerek kuantum mekaniğini açıkça göstermektedir. Günümüzde amorf kristal olmayan malzemeler atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak gözlemlenmektedir.
Silikon örneği
Silikon yüzeyler diğer tüm malzemelerden daha kapsamlı olarak incelenmiştir. Atomların uyarılmış bir süreçte yeniden oluşturulduğu bir sıcaklığa vakumda ısıtılarak hazırlandılar. Yeniden yapılanma ayrıntılı olarak incelenmiştir. Takayanagi 7 x 7 olarak bilinen yüzeyde oluşan karmaşık bir desen. Atomlar çiftler oluşturdu,veya incelenen silikon parçasının tamamı boyunca uzanan sıralara uyan dimerler.
Araştırma
Tünelleme mikroskobunun çalışma prensibi üzerine yapılan araştırma, çevredeki atmosferde vakumda olduğu gibi çalışabileceği sonucuna yol açtı. Elektrokimyada kullanılan hava, su, yalıtkan sıvılar ve iyonik çözeltilerde çalıştırılmıştır. Bu, yüksek vakumlu cihazlardan çok daha uygundur.
Tünelleme mikroskobu eksi 269 °C'ye soğutulabilir ve artı 700 °C'ye ısıtılabilir. Düşük sıcaklık, süper iletken malzemelerin özelliklerini incelemek için kullanılır ve yüksek sıcaklık, atomların metallerin yüzeyinden hızlı difüzyonunu ve korozyonlarını incelemek için kullanılır.
Tünelleme mikroskobu öncelikle görüntüleme için kullanılır, ancak keşfedilen başka birçok kullanım vardır. Atomları numunenin yüzeyi boyunca hareket ettirmek için prob ve numune arasında güçlü bir elektrik alanı kullanıldı. Çeşitli gazlarda bir tünelleme mikroskobunun etkisi incelenmiştir. Bir çalışmada voltaj dört volttu. Uçtaki alan, atomları uçtan çıkaracak ve onları alt tabakaya yerleştirecek kadar güçlüydü. Bu prosedür, her biri birkaç yüz altın atomu içeren bir substrat üzerinde küçük altın adaları yapmak için bir altın sonda ile kullanıldı. Araştırma sırasında bir hibrit tünelleme mikroskobu icat edildi. Orijinal cihaz bir bipotentiostat ile entegre edilmiştir.
