Das Tunnelmikroskop ist ein extrem leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Festkörpersystemen. Seine topografischen Bilder helfen bei der Anwendung von chemikalienspezifischen Oberflächenanalysetechniken, die zu einer strukturellen Definition der Oberfläche führen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über das Gerät, die Funktionen und die Bedeutung sowie ein Foto eines Tunnelmikroskops.
Ersteller
Vor der Erfindung eines solchen Mikroskops beschränkten sich die Möglichkeiten zur Untersuchung der atomaren Struktur von Oberflächen hauptsächlich auf Beugungsmethoden mit Röntgenstrahlen, Elektronen, Ionen und anderen Teilchen. Der Durchbruch gelang, als die Schweizer Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das erste Tunnelmikroskop entwickelten. Für ihr erstes Bild wählten sie die Oberfläche aus Gold. Als das Bild auf einem Fernsehmonitor angezeigt wurde, sahen sie Reihen präzise angeordneter Atome und breite Terrassen, die durch ein Atom hohe Stufen voneinander getrennt waren. Binnig und Rohrerentdeckten eine einfache Methode, um ein direktes Abbild der atomaren Struktur von Oberflächen zu erstellen. Ihre beeindruckende Leistung wurde 1986 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt.
Vorläufer
Ein ähnliches Mikroskop namens Topografiner wurde von Russell Young und seinen Kollegen zwischen 1965 und 1971 im National Bureau of Standards erfunden. Es ist derzeit das National Institute of Standards and Technology. Dieses Mikroskop arbeitet nach dem Prinzip, dass der linke und der rechte Piezotreiber die Spitze über und etwas über der Probenoberfläche abtasten. Das zentrale piezogesteuerte Serverlaufwerk wird vom Serversystem gesteuert, um eine konstante Spannung aufrechtzuerh alten. Dadurch entsteht eine dauerhafte vertikale Trennung zwischen Spitze und Oberfläche. Der Elektronenvervielfacher detektiert einen winzigen Bruchteil des Tunnelstroms, der an der Oberfläche der Probe dissipiert wird.
Schematische Ansicht
Die Tunnelmikroskop-Baugruppe umfasst die folgenden Komponenten:
- Scan-Tipp;
- Controller, um die Spitze von einer Koordinate zur anderen zu bewegen;
- Schwingungsisolationssystem;
- computer.
Die Spitze besteht oft aus Wolfram oder Platin-Iridium, obwohl auch Gold verwendet wird. Der Computer wird verwendet, um das Bild durch Bildverarbeitung zu verbessern und quantitative Messungen durchzuführen.
Wie es funktioniert
Das Funktionsprinzip des TunnelsMikroskop ist ziemlich kompliziert. Die Elektronen an der Spitze der Spitze sind nicht durch die Potentialbarriere auf den Bereich innerhalb des Metalls beschränkt. Sie bewegen sich durch das Hindernis wie ihre Bewegung in Metall. Es entsteht die Illusion sich frei bewegender Partikel. In Wirklichkeit bewegen sich Elektronen von Atom zu Atom und passieren dabei eine Potentialbarriere zwischen zwei Atomstellen. Für jede Annäherung an die Barriere beträgt die Tunnelwahrscheinlichkeit 10:4. Elektronen durchqueren es mit einer Geschwindigkeit von 1013 pro Sekunde. Diese hohe Übertragungsrate bedeutet, dass die Bewegung erheblich und kontinuierlich ist.
Indem die Spitze des Metalls über eine sehr kleine Distanz über die Oberfläche bewegt wird und die Atomwolken überlappt, wird ein Atomaustausch durchgeführt. Dadurch entsteht ein kleiner elektrischer Strom, der zwischen der Spitze und der Oberfläche fließt. Es kann gemessen werden. Durch diese fortwährenden Veränderungen liefert das Tunnelmikroskop Informationen über die Struktur und Topografie der Oberfläche. Darauf aufbauend wird ein dreidimensionales Modell im atomaren Maßstab aufgebaut, das ein Abbild der Probe ergibt.
Tunnelbau
Wenn sich die Spitze der Probe nähert, verringert sich der Abstand zwischen ihr und der Oberfläche auf einen Wert, der mit dem Abstand zwischen benachbarten Atomen im Gitter vergleichbar ist. Das Tunnelelektron kann sich entweder auf sie zu oder auf das Atom an der Sondenspitze zubewegen. Der Strom in der Sonde misst die Elektronendichte auf der Oberfläche der Probe, und diese Information wird auf dem Bild angezeigt. Die periodische Anordnung von Atomen ist auf Materialien wie Gold, Platin, Silber, Nickel und Kupfer deutlich sichtbar. VakuumTunneln von Elektronen von der Spitze zur Probe kann auftreten, obwohl die Umgebung kein Vakuum ist, sondern mit Gas- oder Flüssigkeitsmolekülen gefüllt ist.
Bildung der Barrierenhöhe
Lokale Barrierenhöhenspektroskopie liefert Informationen über die räumliche Verteilung der mikroskopischen Oberflächenaustrittsarbeit. Das Bild wird durch punktuelle Messung der logarithmischen Änderung des Tunnelstroms unter Berücksichtigung der Transformation in einen Trennsp alt gewonnen. Bei der Messung der Barrierenhöhe wird der Abstand zwischen Sonde und Probe mit einer zusätzlichen Wechselspannung sinusförmig moduliert. Die Modulationsperiode wird viel kürzer gewählt als die Zeitkonstante der Rückkopplungsschleife in einem Tunnelmikroskop.
Bedeutung
Diese Art von Rastersondenmikroskop hat die Entwicklung von Nanotechnologien ermöglicht, die Objekte in Nanometergröße manipulieren müssen (kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht zwischen 400 und 800 nm). Das Tunnelmikroskop veranschaulicht anschaulich die Quantenmechanik durch Messung des Schalenquants. Heute werden amorphe nichtkristalline Materialien mit Rasterkraftmikroskopie beobachtet.
Siliziumbeispiel
Siliziumoberflächen wurden umfassender untersucht als jedes andere Material. Sie wurden durch Erhitzen im Vakuum auf eine solche Temperatur präpariert, dass die Atome in einem evozierten Prozess rekonstruiert wurden. Die Rekonstruktion wurde sehr detailliert untersucht. Auf der Oberfläche bildete sich ein komplexes Muster, bekannt als Takayanagi 7 x 7. Die Atome bildeten Paare,oder Dimere, die in Reihen passen, die sich über das gesamte untersuchte Stück Silizium erstrecken.
Forschung
Untersuchungen zum Funktionsprinzip eines Tunnelmikroskops führten zu dem Schluss, dass es in der umgebenden Atmosphäre genauso funktionieren kann wie im Vakuum. Es wurde in Luft, Wasser, Isolierflüssigkeiten und in der Elektrochemie verwendeten ionischen Lösungen betrieben. Dies ist viel bequemer als Hochvakuumgeräte.
Das Tunnelmikroskop kann auf minus 269 °C gekühlt und auf plus 700 °C geheizt werden. Niedertemperatur wird verwendet, um die Eigenschaften supraleitender Materialien zu untersuchen, und Hochtemperatur wird verwendet, um die schnelle Diffusion von Atomen durch die Oberfläche von Metallen und ihre Korrosion zu untersuchen.
Das Tunnelmikroskop wird hauptsächlich zur Bildgebung verwendet, aber es gibt viele andere Anwendungen, die erforscht wurden. Ein starkes elektrisches Feld zwischen der Sonde und der Probe wurde verwendet, um die Atome entlang der Oberfläche der Probe zu bewegen. Die Wirkung eines Tunnelmikroskops in verschiedenen Gasen wurde untersucht. In einer Studie betrug die Spannung vier Volt. Das Feld an der Spitze war stark genug, um die Atome von der Spitze zu entfernen und auf dem Substrat zu platzieren. Dieses Verfahren wurde mit einer Goldsonde verwendet, um kleine Goldinseln mit jeweils mehreren hundert Goldatomen auf einem Substrat herzustellen. Während der Forschung wurde ein Hybrid-Tunnelmikroskop erfunden. Das ursprüngliche Gerät war mit einem Bipotentiostaten integriert.
