atomi de observație vizuală

După inventarea oamenilor microscop optic de mai multe secole cercetă în partea din față a deschis lor minunata lume: celulă, organelle, cristale, molecula uriașă. Ca îmbunătățiri optice la lumina, în sensul literal este, plutea toate noile detalii.

Până în momentul în care au atins limita de difracție a luminii vizibile (creștere de aproximativ 1000 de ori), oamenii au realizat că cele mai interesante și rămase: cu ajutorul unor dispozitive optice nu vor putea vedea atomi, având o dimensiune de ordinul a angstromi (0,1 de miliardime dintr-un metru). Si uita-te la ei foarte mult. Pentru a veni mai aproape de obiectivul său a ajutat la microscopul electronic. Și totuși, cel mai bun pe care le puteți spera este imagini ale atomului-prin puncte. Mai departe viziunea noastră este lipsit de putere, și nici un microscop nu va ajuta aici. cu excepția tunelului.

Primii pași pe atingerea

La începutul anilor 1980, Binning si Rohrer, IBM Fellow filiala elvețiană, a făcut un dispozitiv pentru a trata singur atom de materie. A fost folosit un efect cuantic al tunelare, și a fost numit „microscop de scanare de tunel“ (STM).

Ideea a fost după cum urmează. vârf foarte subțire sonda ac, cu o grosime de un atom este deplasat peste suprafața obiectului, la o distanță de ordinul a un nanometru. În conformitate cu legile efectului mecanicii cuantice de tunel are loc: electronii depășească bariera de vid între subiect și acul, și circuitul „probă-ac“ începe să curgă curent. Valoarea sa depinde foarte puternic de distanța dintre vârful acului și suprafața obiectului. Atât de mult, astfel încât chiar și cu o scădere a intervalului crește doar unul angstromi curent cu aproximativ un ordin de mărime. Prin urmare, în urma valoarea curentă atunci când se deplasează acul de-a lungul suprafeței, este posibil să se studieze de relief - cum ar fi citirea cărților pentru nevăzători scrise în Braille.

În teorie ideea uu simplă și frumoasă, dar, în practică, este extrem de dificil. Este necesar să se elimine vibrațiile, deformarea termică, ceea ce face vârful acului cu monohidric, dar încă să fie capabil să-l treacă de la o precizie subatomice. Primele două probleme pot fi rezolvate prin realizarea vibrorazvyazku și sisteme izolate în vid de zgomot acustic și pentru proiectarea componentelor selectate materiale cu coeficienți de dilatare termică reduse. În ceea ce privește mișcarea, apoi, din fericire, acolo piezoengine. Dar cum rămâne cu acul? A salvat faptul că la suprafața de nivel atomic este întotdeauna „dur“, și există întotdeauna un „mini-insulă“, mai proeminent. Este în primul rând să fie „simt“ de suprafață, iar curentul prin atomi adiacenți de pe capătul acului va fi mult mai mici. Verificați acuratețea acestor argumente ar putea fi doar în experimente, care a avut 27 de luni.

Primul test a fost efectuat un amestec de lucru de laborator în fizică și science-fiction. Sa făcut pe baza exsicator (desicant), înfășurat un număr foarte mare de bandă adezivă obișnuită. În această cameră de răcire deasupra vasului de plumb supraconductor levitated platforma rigida, echipat cu un magnet permanent. Ea a fost montată platforma pe trei picioare, cu un piezoengine eșantion și suport de ac. Construcția unică a consumat 20 de litri pe oră de heliu lichid. La acest dispozitiv exotic după câteva luni de funcționare continuă a primei primite - a confirmat relația exponențială între curent de tunel și distanța de la acul la probă. A fost prima și ultima, în cazul folosirii microscopie levitație tunelare - STM vibrorazvyazka utilizat ulterior cu ajutorul unui sistem de arcuri sau elemente active cu feedback-ul.

De fapt, îndoielile de sceptici nu au fost complet nefondate. Într-adevăr, în ciuda nume similar, tunelare microscop, în contrast cu de obicei optice, nu în sensul literal este, o imagine mărită a obiectului. Surprinzătoare imagine tridimensională cu atomii (!) - numai interpretarea acului și interacțiunea suprafață de probă rezultă un grafic care arată modul în care modificările actuale cu mișcarea acului paralel cu suprafața.

STM are o limitare semnificativă: obiectul de studiu pentru a fi conductoare - metal sau un semiconductor, în caz contrar va exista un curent tunel. Se pare că într-un microscop de tunel nu poate „vedea“ orice izolator, cum ar fi diamant. Stapânirea metoda tunelare, o nouă idee: în 1986, Binning a propus o variantă de microscop, numită forță atomică. Acesta funcționează după cum urmează. La aceste distanțe la care se tunelare între eșantion și acul începe să acționeze în forță suficient de mare. Și ea, ca și curentul de tunel depinde de mărimea diferenței, și poate fi, de asemenea, măsurată folosind, de exemplu, elasticitatea suspensiei - consola pe care este fixat acul. Pe de o parte, se deschide perspective extraordinare - puteți afla orice organism, indiferent de conductivitatea lor, iar pe de altă parte - există probleme suplimentare. Forța de interacțiune dintre vârful și proba, în contrast cu curentul de tunel depinde de distanța nu este monotonă, ci mai degrabă complicat: în primul rând, această atracție, care odată cu scăderea distanța variind de la aproximativ 2 nm, se înlocuiește cu repulsie. Prin urmare, intervalul de distanțe în care să lucreze, este foarte limitată, și necesită alinierea atentă a dispozitivului, în caz contrar imaginea rezultată va fi aproape imposibil de interpretat.

În general, tunelare si microscoape forta atomica sunt foarte similare, dar au o singură diferență importantă - proiectarea ac. Acul tunelare este, în esență, fixat foarte ferm și nu ar trebui să atingă suprafața, și într-o forță atomică - întotdeauna pe o suspensie elastică (consola) și poate rula chiar în contact direct cu proba. Pentru STM mai ascuțit decât un ac, cu atât mai bine, și într-un microscop de forta atomica este prea ascuțit ac va da prea puțin semnal, care este dificil de detectat. La început cantilevere pentru AFM au fost realizate din folie de aur, cu un vârf de diamant sau folie de aluminiu de uz casnic, cu un fir de tungsten, și apoi mutat pe siliciu, care sunt utilizate pe scară largă până în prezent. oscilații cantilever au fost înregistrate cu un pulverizat pe el o oglindă mică. Un foarte convenabil mod, dar nu și atunci când se lucrează la temperaturi scăzute, când microscopul este localizat în interiorul criostatului și aliniați consola cu o oglindă este aproape imposibil. Aici am găsit o soluție elegantă - utilizată ca consolă de cuarț diapazon care stabilește frecvența oricărui ceas digital.

În absența unor factori externi astfel de rezonator are o frecvență naturală bine definită. Dar dacă a existat o forță suplimentară, de exemplu atunci când se apropie atomii din modul vigoare microscop atomic, modificările de frecvență de oscilație ca circuitele de registru.

Acul are o valoare

Cel mai important element și tunel și microscop de forță atomică - ac. Tot ceea ce este la dispoziția noastră, acesta este rezultatul interacțiunii dintre eșantion și cojile de electroni de atomi de atomi de ac. Imaginați-vă dacă sonda a format ca două vârful paralele. Acestea vor efectua un curent de tunel simultan, și pentru a da un semnal de la două puncte la o distanță unul față de celălalt. În acest caz, datele sunt foarte dificil de interpretat în mod corect, imaginea poate fi dublu sau estompată.

Ace standard ascutit tehnologie - gravare un fir de tungsten într-un electrolit special. Folosit în acest scop și așa-numita ascuțirea ionică: suflate sârmă fluxul de ioni, bate pe toate inutile. Din păcate, experiența arată că acul nu poate fi pregătit încă o dată și pentru totdeauna. Acest microscop de tunel componentă necesită îngrijire constantă. Nu toate laboratoarele își pot permite să acționeze în conformitate cu procedurile standard - oamenii de știință folosesc adesea ingenioase și relativ ieftine, dar nu și metode mai puțin eficiente. De exemplu, sârmă de platină poate musca unghiere sau tăietori cu tăiere specială a suprafețelor metalice dure. Dacă aveți experiență și dexteritate sunt obținute ac destul de viabil.

În timpul funcționării, distanța dintre vârful și proba este extrem de mic, iar atunci când acestea ating accidental proba poate fi deteriorat, iar acul se deterioreze. Când sistemul este în aer, înlocuiți acul este relativ ușor, iar dacă acesta este într-un vid? Există mai multe opțiuni: descărcați o dată întregul set de ace și probe (numărul de câteva zeci), o poartă de acces special la schimbarea acului (timp de înlocuire - câteva ore) sau repara doar în interiorul microscop. ace de reparare în diferite moduri. O anumită tensiune este furnizat și exces atomii migrează spre vârful acului sau, invers, să adere la ea, formând un vârf ascuțit. Uneori, aproape de proba din interiorul microscop special pus stratul de metal. Dacă introduceți în ea un ac, și apoi să ia încet, există o șansă ca acul este indicat. Această metodă este deosebit de popular pentru microscoape de temperatură joasă, cu excepția cazului în care este necesar pentru a proteja vidul încă și rece.

microscopie Tunelarea - o metodă unică, în primul rând, din cauza efectului de tunel nu are nevoie de condiții speciale - fie un vid sau la temperaturi scăzute. Așa că, în sine, un tunel microscop este o unitate foarte compactă și poate fi dimensiunea de câțiva centimetri. Este necesar doar pentru a furniza vibrorazvyazku și măsurători electrice de circuit și a stabiliza curentul tunel legat cu piezomotor.

Proiectat, de exemplu, un microscop special de scanare de tunel pentru a studia în interiorul instalației „Tokamak“. Este destul de elegant dispozitiv chiar și fără izolarea vibrațiilor, deoarece acul vizează o poziție fixă ​​a obiectului testat. Prin plasarea unui astfel de STM cu fixată în interiorul eșantionului într-o unitate de lucru, în timp ce uitam modul în care materialul se degradează în condiții de temperaturi extreme și radiații. Microscopul are timp să treacă o serie de imagini succesive ale suprafeței, atâta timp cât el nu devine o victimă a condițiilor intolerabile.

Dar, oricare ar fi posibilitatea de a microscopului de tunel, în cazul în care se ajunge la suprafața studiului nu se poate face fără un vid ultraînaltă. Singura modalitate de a asigura puritatea obiectului în absența atomilor străini și molecule și pentru a vedea cum, de fapt, aranjate Grile de materiale diferite ca apar impurități în semiconductori sau o suprafață de strat în timpul MBE. Mărimea suprafeței scanate este de obicei mică - de ordinul 100x100 nm. Prin urmare, există un sistem în care STM este construit în faza de microscop electronic pentru a găsi mai întâi locul potrivit pe suprafața obiectului, și apoi să examineze în detaliu cu rezoluția subatomice.

Astăzi, STM și AFM a devenit instrumente de cercetare pe scară largă. O nanotehnologie fără ele ar fi pur și simplu timp de marcare - bine, cum altfel pentru a vedea ceea ce faci, și cel mai important - pentru a arăta restul rezultatelor muncii lor? A existat o industrie întreagă, unde puteți găsi totul, de la ace si cantilevers la complexe de cercetare complexe. Cu toate acestea, de lucru cu microscop de tunel, așa cum a fost acum 20 de ani, rămâne chestii de fizicieni profesioniști. Pentru a obține chiar și pe companie pentru o jumătate de milion de dolari imagine STM dintr-un material neobișnuit cu o rezoluție de câteva sutimi de un angstrom, aceasta necesită îndemânare considerabilă.

Vorbeste Cu toate acestea, nu a existat nici o discuție.

euristice probabilitate
Astăzi, există metode care, chiar și în cazul în care un minim de experiență pentru a estima cât de probabil este ca minti parteneri și prieteni, cât de încrezător poate permite o relație între fenomene, inclusiv, s-ar părea fără nici o legătură: Euristici probabilitate.