Сканираща тунелна микроскопия (STM) — метод за наблюдение и манипулация на атоми
Сканираща тунелна микроскопия (STM) – високо резолюционно наблюдение и прецизна манипулация на атоми върху повърхности; революционна техника, носител на Нобелова награда.
Сканиращата тунелна микроскопия (STM) е метод за наблюдение и манипулация на повърхности с атомна резолюция. Тя позволява да се получат „снимки“ на отделни атоми върху повърхности, да се измерват електронни свойства локално и дори да се преместят атоми и молекули на желани позиции. Методът е изобретен през 1981 г. от Герд Бининг и Хайнрих Рорер в лабораториите на IBM в Цюрих; за това откритие те получават Нобелова награда за физика през 1986 г.
Принцип на работа
STM работи на принципа на квантовото тунелиране: острие (игла) се доближава на няколко ангстрьома до проводяща повърхност и през междинния вакуумен/въздушен промеждутък тече тунелен ток, когато между върха и пробата се приложи малко напрежение. Тунелният ток има експоненциална зависимост от разстоянието между върха и повърхността (приблизително I ∝ e^{-κd}), поради което промени в разстоянието от порядъка на части от ангстрьом дават ясно различими сигнали. Позиционирането на върха се контролира чрез пиезоелектрични елементи, които осигуряват под-ангстрьомна прецизност при сканиране.
Режими на работа и измервания
- Постоянен ток (constant current) — обратната връзка променя височината на върха, за да запази тунелния ток постоянен; записвайки височината се получава изображение на топографията и локалната електронна структура.
- Постоянна височина (constant height) — върхът остава на фиксирана височина, а вариациите в тока се записват директно; този режим е бърз и подходящ за плоски повърхности, но рискът от контакт с пробата е по-голям.
- Сканираща тунелна спектроскопия (STS) — измерване на I(V) и dI/dV характеристики в дадена позиция, което дава информация за локалната плътност на електронните състояния и енергийния спектър на повърхността.
Манипулация на атоми и примери
С помощта на контролираното приближение на върха и настройка на напрежението/тока могат да се извършват манипулации на адатоми и молекули: преместващи (lateral) или вертикални манипулации, закрепване/откачане на атоми, както и оформяне на наноструктури. Един известен експеримент е подреждането на отделни атоми, за да се създаде модел или надпис — демонстрация на възможностите за атомно конструиране и контрол.
Приложения
- Изследване на кристални повърхности, дефекти, адсорбция и каталитични процеси.
- Измерване на локални електронни свойства и наблюдение на повърхностни състояния, спин-структури и квантови ефекти.
- Нанотехнологии и наноконструиране — създаване и изучаване на единични молекули и атомни вериги.
- Комбинация с други методи (AFM, вакуумни техники) за разширяване на обхвата към непроводящи проби и различни среди (вакуум, газ, течност).
Ограничения и изисквания
- STM изисква повърхността да бъде проводяща или полупроводникова; при изолираните материали се използват други подходи (напр. AFM) или повърхността се покрива с проводящ слой.
- Качество на върха: формата и химията на върха влияят силно на полученото изображение и резолюция.
- Чувствителност към вибрации и шум — обикновено измерванията се правят в изолация от вибрации, а често и при ултра-висок вакуум и ниски температури за подобряване на стабилността и енергетичната резолюция.
Практически бележки
За добри резултати се използват остри и чисти върхове (напр. от платина-иридий или вградени въглеродни/метални върхове), стабилни пиезоелектрични сканиращи механизми и подходящи условия (UHV, ниски температури) в зависимост от целите на изследването. Интерпретацията на изображенията изисква опит, тъй като топографията и електронните ефекти често се преплитат.
Изображение на реконструкция върху златна повърхност.
Как работи
STM се нарича микроскоп, защото прави снимки на малки обекти. Но той е различен - няма нищо, в което да се вгледаме с очите си. Това е подобно на усещането за формата на предметите върху масата в тъмна стая: можете да нарисувате картина на формата, въпреки че не сте я видели с очите си. STM прави това за много малки обекти. Той работи чрез сканиране на остра метална игла напред-назад по повърхността и използва електрически ток вместо сила, за да усети формата. Когато върхът на острата метална игла се доближи много близо до повърхността на изследваното нещо, напрежението между тях предизвиква протичане на електрони в пространството между тях. Електроните преминават през това пространство чрез процес, наречен квантово тунелиране, откъдето идва и името на STM. Този малък ток от електрони протича, когато върхът почти докосва повърхността. Токът се променя, когато сондата се движи по повърхността. Тази промяна се записва от компютър, който я превръща в картина, която можем да видим.
Повърхността и накрайникът трябва да провеждат електрони, затова трябва да са изработени от метал или полупроводник. Сроден вид микроскоп отчита силата вместо електрическия ток. Този вид микроскоп се нарича микроскоп на атомната сила.
STM е трудна задача, тъй като се нуждае от много чиста повърхност и много остър връх на иглата. Обикновено STM работи във вакуум, за да не се нарушава целостта на повърхността от молекулите на въздуха, но може да работи и във въздух или вода.
Начини, по които може да направи картина
Първо, накрайникът се доближава много близо до повърхността на изследваната вещ. Това разстояние е около половин нанометър. След това накрайникът се движи много внимателно напред-назад по повърхността. Електрическият ток се измерва, докато накрайникът се движи напред-назад (метод на постоянната височина). STM може да работи и чрез регулиране на върха, така че тунелният ток да остане един и същ (метод на постоянния ток). Използването на метода на постоянната височина е по-бързо. Използването на метода на постоянния ток помага да се избегне блъскането на върха в неща по повърхността, така че може да се изследват неща, които са по-груби.
Преместване на атоми
STM може да премести атом (или молекула) на ново място върху повърхността. За да преместите атом, върхът се премества така, че да докосне атома. След това накрайникът издърпва или избутва атома на ново място. Преместването на атоми позволява на учените да ги подреждат в малки обекти, за да могат да тестват техните свойства и да изпробват нови идеи.
Части на STM
Частите на STM са: сканиращ накрайник, нещо, което движи накрайника, нещо, което го спира да вибрира, и компютър, който контролира накрайника и прави снимката.
Части на STM
Близък план на обикновена глава на сканиращ тунелен микроскоп в Университета в Сейнт Андрюс, сканиращ MoS2 с помощта на платинено-иридиев стилус.
Свързани страници
Литература
- Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
- Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961 г., стр. 57-59.
- Чен, К. Ж.: Произход на атомната разделителна способност на метални повърхности при сканираща тунелна микроскопия, Physical Review Letters 65 (4), 1990 г., стр. 448-451
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber и E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber и E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982)
- R. В. Лапшин, Методология на сканиране, ориентирана към характеристиките, за сондова микроскопия и нанотехнологии, Нанотехнологии, том 15, брой 9, страници 1135-1151, 2004 г.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява сканиращата тунелна микроскопия?
О: Сканиращата тунелна микроскопия (СТМ) е начин за разглеждане на формата на малки обекти. Тя може да прави снимки на атоми върху повърхност и да премества атомите на различни места.
В: Кой е изобретил STM?
О: STM е изобретена от Герд Биниг и Хайнрих Рорер през 1981 г. в IBM, Цюрих.
В: Кога са го изобретили?
О: Изобретиха я през 1981 г. в IBM, в Цюрих.
В: Какво може да прави STM?
О: STM може да прави снимки на атоми върху повърхност и да премества атомите на различни места.
В: Спечелиха ли награда за изобретяването на STM?
О: Да, те спечелиха Нобелова награда за физика за изобретяването ѝ през 1986 г.
В: Къде спечелиха тази награда?
О: Спечелиха Нобелова награда за физика за изобретяването ѝ през 1986 г.
В: През коя година спечелиха тази награда?
О: Те спечелиха Нобелова награда за физика за изобретяването му през 1986 г.
обискирам