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.

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.