Die tonnelmikroskoop is 'n uiters kragtige hulpmiddel om die elektroniese struktuur van vastestofstelsels te bestudeer. Die topografiese beelde help met die toepassing van chemiese-spesifieke oppervlak-analise tegnieke, wat lei tot 'n strukturele definisie van die oppervlak. Jy kan meer oor die toestel, funksies en betekenis leer, asook 'n foto van 'n tonnelmikroskoop in hierdie artikel sien.
Skeppers
Voor die uitvinding van so 'n mikroskoop was die moontlikhede om die atoomstruktuur van oppervlaktes te bestudeer hoofsaaklik beperk tot diffraksiemetodes wat strale van x-strale, elektrone, ione en ander deeltjies gebruik. Die deurbraak het gekom toe die Switserse fisici Gerd Binnig en Heinrich Rohrer die eerste tonnelmikroskoop ontwikkel het. Hulle het die oppervlak van goud gekies vir hul eerste beeld. Toe die beeld op 'n televisiemonitor vertoon is, het hulle rye presies gerangskik atome gesien en breë terrasse waargeneem wat geskei is deur trappe een atoom hoog. Binnig en Rohrer'n eenvoudige metode ontdek om 'n direkte beeld van die atoomstruktuur van oppervlaktes te skep. Hulle indrukwekkende prestasie is erken met die Nobelprys vir Fisika in 1986.
Voorloper
'n Soortgelyke mikroskoop genaamd die Topografiner is deur Russell Young en sy kollegas tussen 1965 en 1971 by die Nasionale Buro vir Standaarde uitgevind. Dit is tans die Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie. Hierdie mikroskoop werk op die beginsel dat die linker- en regter-piezo-drywers die punt bo en effens bokant die monsteroppervlak skandeer. Die sentrale piëzo-beheerde bedieneraandrywing word deur die bedienerstelsel beheer om 'n konstante spanning te handhaaf. Dit lei tot 'n permanente vertikale skeiding tussen punt en oppervlak. Die elektronvermenigvuldiger bespeur 'n klein fraksie van die tonnelstroom wat op die oppervlak van die monster versprei word.
Skematiese aansig
Die tonnelmikroskoopsamestelling sluit die volgende komponente in:
- skanderingswenk;
- beheerder om die punt van een koördinaat na 'n ander te skuif;
- vibrasie-isolasiestelsel;
- rekenaar.
Die punt word dikwels van wolfram of platinum-iridium gemaak, hoewel goud ook gebruik word. Die rekenaar word gebruik om die beeld deur beeldverwerking te verbeter en om kwantitatiewe metings te maak.
Hoe dit werk
Die beginsel van werking van die tonnelmikroskoop is nogal ingewikkeld. Die elektrone aan die bokant van die punt is nie beperk tot die gebied binne die metaal deur die potensiaalversperring nie. Hulle beweeg deur die hindernis soos hul beweging in metaal. Die illusie van vrylik bewegende deeltjies word geskep. In werklikheid beweeg elektrone van atoom tot atoom en gaan deur 'n potensiële versperring tussen twee atoomterreine. Vir elke benadering tot die versperring is die waarskynlikheid van tonnel 10:4. Elektrone kruis dit teen 'n spoed van 1013 per sekonde. Hierdie hoë transmissietempo beteken dat die beweging aansienlik en deurlopend is.
Deur die punt van die metaal oor 'n baie klein afstand oor die oppervlak te beweeg, wat die atoomwolke oorvleuel, word 'n atoomwisseling uitgevoer. Dit skep 'n klein hoeveelheid elektriese stroom wat tussen die punt en die oppervlak vloei. Dit kan gemeet word. Deur hierdie voortdurende veranderinge verskaf die tonnelmikroskoop inligting oor die struktuur en topografie van die oppervlak. Op grond daarvan word 'n driedimensionele model op 'n atoomskaal gebou, wat 'n beeld van die monster gee.
tonneling
Wanneer die punt naby die monster beweeg, verminder die afstand tussen dit en die oppervlak tot 'n waarde wat vergelykbaar is met die gaping tussen aangrensende atome in die rooster. Die tonnelelektron kan óf na hulle óf na die atoom aan die punt van die sonde beweeg. Die stroom in die sonde meet die elektrondigtheid op die oppervlak van die monster, en hierdie inligting word op die prent vertoon. Die periodieke skikking van atome is duidelik sigbaar op materiale soos goud, platinum, silwer, nikkel en koper. vakuumtonnel van elektrone vanaf die punt na die monster kan plaasvind al is die omgewing nie 'n vakuum nie, maar gevul met gas- of vloeistofmolekules.
Vorming van versperringhoogte
Plaaslike versperringhoogtespektroskopie verskaf inligting oor die ruimtelike verspreiding van die mikroskopiese oppervlakwerkfunksie. Die beeld word verkry deur punt-vir-punt meting van die logaritmiese verandering in die tonnelstroom, met inagneming van die transformasie in 'n verdelingsgaping. Wanneer die versperringshoogte gemeet word, word die afstand tussen die sonde en die monster sinusvormig gemoduleer deur 'n bykomende WS-spanning te gebruik. Die modulasieperiode word gekies om baie korter te wees as die terugvoerlustydkonstante in 'n tonnelmikroskoop.
Betekenis
Hierdie tipe skandeer-sonde-mikroskoop het die ontwikkeling van nanotegnologieë moontlik gemaak wat nanometer-grootte voorwerpe moet manipuleer (kleiner as die golflengte van sigbare lig tussen 400 en 800 nm). Die tonnelmikroskoop illustreer kwantummeganika duidelik deur die dopkwantum te meet. Vandag word amorfe nie-kristallyne materiale waargeneem met behulp van atoomkragmikroskopie.
Silicon-voorbeeld
Silicon oppervlaktes is meer omvattend bestudeer as enige ander materiaal. Hulle is voorberei deur in vakuum te verhit tot so 'n temperatuur dat die atome in 'n opgewekte proses gerekonstrueer is. Die rekonstruksie is in groot detail bestudeer. 'n Komplekse patroon wat op die oppervlak gevorm word, bekend as Takayanagi 7 x 7. Die atome het pare gevorm,of dimere wat in rye pas wat strek oor die hele stuk silikon wat bestudeer word.
Navorsing
Navorsing oor die werkingsbeginsel van 'n tonnelmikroskoop het tot die gevolgtrekking gelei dat dit in die omringende atmosfeer op dieselfde manier as in 'n vakuum kan werk. Dit is gebruik in lug, water, isolerende vloeistowwe en ioniese oplossings wat in elektrochemie gebruik word. Dit is baie geriefliker as hoëvakuumtoestelle.
Die tonnelmikroskoop kan afgekoel word tot minus 269 °C en verhit word tot plus 700 °C. Lae temperatuur word gebruik om die eienskappe van supergeleidende materiale te bestudeer, en hoë temperatuur word gebruik om die vinnige diffusie van atome deur die oppervlak van metale en hul korrosie te bestudeer.
Die tonnelmikroskoop word hoofsaaklik vir beeldvorming gebruik, maar daar is baie ander gebruike wat ondersoek is. 'n Sterk elektriese veld tussen die sonde en die monster is gebruik om die atome langs die oppervlak van die monster te beweeg. Die effek van 'n tonnelmikroskoop in verskeie gasse is bestudeer. In een studie was die spanning vier volt. Die veld by die punt was sterk genoeg om die atome van die punt te verwyder en op die substraat te plaas. Hierdie prosedure is met 'n goue sonde gebruik om klein goue eilande op 'n substraat met 'n paar honderd goudatome elk te maak. Tydens die navorsing is 'n hibriede tonnelmikroskoop uitgevind. Die oorspronklike toestel is met 'n bipotentiostaat geïntegreer.
