Кіріспе
Кванттық туннельдеу эффектілерін пайдаланып, атомдық деңгейде беттерді бейнелей алатын құрал. Сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ) – атомдық деңгейде беттерді бейнелеуге қолданылатын сканерлеуші зонд микроскопының бір түрі. Оның 1981 жылғы дамуы оның изобретаторлары Герд Биннинг пен Генрих Рорерге, содан кейін IBM Цюрихте, 1986 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын әкелді. СТМ бетті 0,01 нм (10 пм) тереңдіктегі ажыратымдылықпен 0,1 нм-ден кіші нысандарды ажырата алатын өте өткір өткізгіш ұшы арқылы сезеді. Бұл жеке атомдарды жүйелі түрде бейнелеуге және манипуляциялауға мүмкіндік береді. Көптеген сканерлеуші туннельдік микроскоптар абсолютті нөлге жақын температурадағы жоғары вакуумде қолдану үшін жасалған, бірақ ауа, су және басқа орталарда, сондай-ақ 1000 °C-тан жоғары температурада зерттеулер жүргізуге арналған нұсқалары да бар. СТМ кванттық туннельдеу концепциясына негізделген. Ұшы зерттелетін бетке өте жақын келгенде, екеуі арасындағы кернеу электрондарға оларды бөлетін вакуум арқылы туннельдеуге мүмкіндік береді. Нәтижедегі туннельдік ток ұштың орналасуына, қолданылатын кернеуге және сынаманың жергілікті күй тығыздығына (LDOS) байланысты. Ақпарат ұштың бетін сканерлеу кезінде ток мониторингі арқылы алынады және әдетте бейне түрінде көрсетіледі. Бұл кейде зерттелетін материалдағы электрондардың қасиеттерін және өзара әрекеттесуін анықтау үшін жоғары магниттік өрістерде және қоспалардың болуында жүзеге асырылады. Сканерлеуші туннельдік микроскопия қиын техника болып табылуы мүмкін, себебі ол өте таза және тұрақты беттерді, өткір ұштарды, жақсы діріл оқшаулауды және күрделі электрониканы талап етеді. Дегенмен, көптеген хоббистер өздерінің микроскоптарын құрастырады.
A scanning tunneling microscope (STM) is a type of scanning probe microscope used for imaging surfaces at the atomic level. Its development in 1981 earned its inventors, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer, then at IBM Zürich, the Nobel Prize in Physics in 1986. STM senses the surface by using an extremely sharp conducting tip that can distinguish features smaller than 0.1 nm with a 0.01 nm (10 pm) depth resolution. This means that individual atoms can routinely be imaged and manipulated. Most scanning tunneling microscopes are built for use in ultra high vacuum at temperatures approaching absolute zero, but variants exist for studies in air, water and other environments, and for temperatures over 1000 °C. STM is based on the concept of quantum tunneling. When the tip is brought very near to the surface to be examined, a bias voltage applied between the two allows electrons to tunnel through the vacuum separating them. The resulting tunneling current is a function of the tip position, applied voltage, and the local density of states (LDOS) of the sample. Information is acquired by monitoring the current as the tip scans across the surface, and is usually displayed in image form. This is sometimes performed in high magnetic fields and in presence of impurities to infer the properties and interactions of electrons in the studied material. Scanning tunneling microscopy can be a challenging technique, as it requires extremely clean and stable surfaces, sharp tips, excellent vibration isolation, and sophisticated electronics. Nonetheless, many hobbyists build their own microscopes.
Процедура
Ұшы көбінесе көзбен бақыланатын жалпы орналастыру механизмі арқылы үлгіге жақын келтіріледі. Жақын қашықтықта, ұштың үлгі бетіне қатысты орналасуын нақты басқару пьезоэлектрлік сканерлік түтіктер арқылы жүзеге асырылады, олардың ұзындығы басқару кернеуімен өзгертіледі. Үлгі мен ұш арасына кернеу қолданылады, және ұш туннельдік ток қабылдай бастағанға дейін сканер біртіндеп ұзартылады. Содан кейін ұш-үлгі арасындағы қашықтық w 4–7 Å (0.4–0.7 нм) диапазонында ұсталады, бұл ұшқа итергіш әрекеттесу туындайтын биіктіктен сәл жоғары (w < 3 Å), бірақ тартымды әрекеттесу аймағында болады (3 < w < 10 Å).
Аспаптар
Сканерлі туннельдік микроскоптың негізгі компоненттері – сканерлеу ұшы, пьезоэлектрлік басқарылатын биіктік (z ось) және көлденең (x және y ось) сканері, сондай-ақ үлгіні ұшқа жақындату механизмі. Микроскоп арнайы электроника және компьютермен басқарылады. Жүйе дірілді оқшаулау жүйесімен қамтамасыз етілген. Кейбір сканерлі туннельдік микроскоптар жоғары кадр жылдамдығымен бейнелерді жазуға қабілетті. Мұндай бейнелерден жасалған видеолар беттік диффузияны немесе бетте адсорбция мен реакцияларды көрсетуге мүмкіндік береді. Видео жылдамдығындағы микроскоптарда ұшының биіктігін реттейтін толыққанды кері байланыспен 80 Гц кадр жылдамдығына қол жеткізілді.
Ертедегі өнертабыстар
Биннинг пен Роррдің алдындағы ұқсас өнертабысы, NIST-тен Р. Янг, Дж. Уорд және Ф. Скайр жасаған Топографинер, өрістік эмиссияға негізделген. Дегенмен, Нобель комитеті Янгты туннельдік эффектіні пайдалану арқылы жақсырақ ажыратымдылыққа қол жеткізуге болатынын білген адам деп санайды.
Басқа ұқсас әдістер
STM негізінде көптеген басқа микроскопиялық әдістер әзірленді. Оларға фотондарды туннельдеу үшін оптикалық ұшты қолданатын фотондық сканерлеу микроскопиясы (PSTM), наноөлшемде электрлік өлшемдер жүргізуге мүмкіндік беретін көп ұшты сканерлеу туннельдеу микроскопиясы және ұш мен үлгі арасындағы өзара әрекеттесуден туындаған күшті өлшейтін атомдық күш микроскопиясы (AFM) жатады. STM атомдарды манипуляциялауға және үлгінің топографиясын өзгертуге қолданылуы мүмкін. Бұл бірнеше себепке байланысты тартымды. Біріншіден, STM атомдық дәлдікпен орналасу жүйесіне ие, бұл өте дәл атомдық деңгейде манипуляциялауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, беткі қабатты ұшпен өзгертуден кейін, пайда болған құрылымдарды бейнелеу үшін сол құралды пайдалануға болады. IBM ғалымдары никель бетінде адсорбцияланған ксенон атомдарын манипуляциялау тәсілін жасады. Бұл техника аз мөлшерде адсорбцияланған атомдардан электрондық корралдар жасау және субстрат бетіндегі электрондық тығыздықтың Фридель осцилляцияларын байқау үшін қолданылды. Үлгі бетін өзгертуден басқа, литография жасау үшін STM-ді үлгідегі электрондық сәуле фоторезисті қабатына электрондарды туннельдеу үшін де пайдалануға болады. Бұл дәстүрлі электрондық сәулелі литографияға қарағанда экспозицияны жақсырақ бақылау мүмкіндігін ұсынады. STM-нің тағы бір практикалық қолданылуы – металдарды (алтын, күміс, вольфрам және т.б.) атомдық деңгейде жинақтау, кез келген қажетті (алдын ала бағдарламаланған) үлгімен, оларды наноқұрылғыларға қосылым ретінде немесе наноқұрылғылар ретінде пайдалануға болады.