Scanarea microscopie tunelare, platforma de conținut

Universitatea Pedagogică de Stat Kareliană

microscopia de scanare tunelare

Finalizat: I. Lukianov

Microscopia tunelare de scanare - o nouă metodă pentru studierea suprafețelor solide.

microscopia de scanare tunelare - metoda de a studia structura solidelor Stand vă permite să STI-l vizualiza în mod clar pe poziția relativă a atomilor individuali; Se bazează pe efectul de tunel

Microscopul tunelare primul scanare (STM) a fost creată relativ recent, în 1982. Cu toate acestea, acum el a găsit aplicații în multe laboratoare științifice și industriale, precum și domeniul de aplicare al utilizării sale continuă să se extindă rapid. Interesul în STM se datorează rezoluția sale unice, care să permită să efectueze cercetări la nivel atomic. Astfel, nu este un vid înalt este necesar pentru operarea microscopului. microscoape de electroni, spre deosebire de alte tipuri. Acesta poate fi operat în aer sau chiar într-un mediu lichid. Aplicarea STM permite să dezvăluie caracteristici ale structurii cristaline a suprafeței diferitelor materiale, rugozitatea cu rezolutie nanometri, modele de nucleație observate în timpul creșterii filmelor, viruși de studiu. molecula de ADN, și așa mai departe. d.

Principiul de funcționare al unui microscop de scanare de tunel

Prin natura sa, electronul are atât undă și particulă proprietăți. Comportamentul său este descris de ecuația rezolvator Schrodinger - funcția de undă la pătrat modul care caracterizează densitatea de probabilitate de a găsi un electron la un moment dat, la un moment dat.

Calculele arată că funcțiile de undă ale electronilor dintr-un atom sunt diferite de zero, și în afara sferei, lățimile corespunzătoare ale secțiunii transversale efective a atomului (dimensiunea unui atom). Prin urmare, atunci când atomii se apropie de funcții de undă ale electronilor se suprapun înainte de a începe să afecteze substanțial acțiunea forțelor repulsive interatomice. Devine posibil transferul electronilor de la un atom la altul. Astfel, electronii pot fi schimbate între două corpuri apropiate, fără contact, adică fără contact mecanic.

Pentru a asigura mișcarea direcțională a electronilor (curent electric) între aceste organisme necesită două condiții:

unul dintre corpul trebuie sa fie electroni liberi (electroni de conducție), iar celălalt - nivelurile de electroni necompletate, care ar putea deplasa electronii; între organismele este obligată să aplice o diferență de potențial, iar magnitudinea sa este disproporționat de mică în comparație cu cea necesară pentru descărcarea electrică în descompunerea diferenței dielectrică de aer între cele două organisme.

Curentul electric generat în condiții predeterminate explicat efectul de tunel și se numește curentul de tunel.

În practică, în fenomenul de tunel STM este realizat atunci când unul dintre conductorii este un ac (sondă) 1 și cealaltă - suprafața obiectului 3 (figura 1).

Fig. 1. Fluxul de schematic un curent tunel între sondă și obiectul: 1 - Probe; 2 - fascicul de electroni; 3 - obiectul (proba); U - diferența de potențial dintre sondă și obiectul; IT - construirea unui tunel de curent; L - distanța dintre sondă și obiectul; F - zona de contact tunel

electroni conducție la vârful sondei 1 este necesară pentru a obține o anumită energie pentru a sări la banda de conducție a obiectului 3. Valoarea acestei energii depinde de distanța dintre sondă și suprafața obiectului L, diferența de potențial între valorile U și F1 funcția de lucru de electroni și F2 cu suprafața sondei și suprafața obiect de test, respectiv.

Un microscop de scanare de tunel funcționează după cum urmează (Fig. 2).

Fig. 2. Schema deplasarea sondei pe suprafața obiectului

Sonda este alimentată pe verticală (axa Z) la suprafața probei până la un curent de tunel. Apoi, sonda este deplasat peste suprafața de-a lungul axelor X, Y (scanare), menținând în același timp un curent constant prin mișcarea acului sondă normală la suprafață. Când scanați sonda rămâne la una și aceeași distanță L de pe suprafața probei. Deplasarea verticală a sondei pentru a păstra distanța L reflectă în mod direct topografia suprafeței eșantionului.

În timpul funcționării, distanța STM dintre obiect și L0,3 sonda ... 1 nm, cu toate acestea, probabilitatea de a găsi molecule de aer între ele este foarte mică în condiții atmosferice normale, respectiv. E. tunelare fluxul de curent are loc in „vid“. Mediu afectează numai curățenia suprafeței studiate, pentru a determina compoziția chimică a stratului de adsorbție și oxidarea gazelor sale active ale atmosferei.

De aici importanța pentru aplicarea practică a principiului STM: un microscop de scanare de tunel nu este vid înalt necesar pentru microscopul electronic alte tipuri.

Aparatul de microscopul de tunel

Prima unitate a fost creată în 1982 de către membrii laboratorului IBM Research din Rüschlikon (Elveția). Pentru crearea unității Gerd Binning (Elveția) și Genrihu Roreru (Germania), în 1986, Premiul Nobel [1] a fost acordat.

Organigrame STM funcționează în modul curent constant, este prezentată în Fig. 3.

Fig. 3. O schemă bloc a unui microscop de scanare de tunel: 1 - motoare pentru deplasarea sondei de-a lungul axelor X, Y, Z; 2 - motorul pentru a muta obiectul de-a lungul axei Z; Ux, Uy, Uț - tensiunea aplicată motorului 1; Uț „- tensiunea aplicată motorului 2; U - diferența de potențial dintre sondă și obiectul; IT - tunelelor curent

Sonda este deplasată în planul XY al obiectului și normala la Z prin trei motoare 1. Obiectul este furnizat la vârful sondei prin intermediul motorului 2.

Dispozitivele electronice utilizate în STM, tradițional, și toate specificul dispozitivului se datorează în principal proiectarea motoarelor în mișcare a sondei și proba. Cerințe pentru STM:.

În primul rând, ar trebui să prevadă posibilitatea deplasării la mare dispozitiv de înaltă stringență, care este necesară pentru protecția vibrațiilor mecanice STM. Prin urmare, ei trebuie să aibă propriile lor de înaltă frecvență vibrații mecanice, este de dorit, de asemenea, pentru a asigura o performanță.

În al doilea rând, ar trebui să fie de deplasare Întrebat reproductibilă, și, dacă este posibil, liniar în funcție de tensiunea de comandă.

În al treilea rând, având în vedere că structura chiar termoskompensirovannoy sursele de căldură locale duce la o schimbare în direcția (apariția unui gradient de temperatură), temperatura și cauza distorsionarea dimensiunilor liniare ale pieselor structurale ale microscopului, este necesar pentru a reduce semnalele de control al puterii.

Aceste cerințe sunt cele mai satisfac pe deplin motoarele piezoceramice, având o eficiență ridicată de conversie a energiei electrice în mecanică (la 40%).

Cerințe față de obiectele de cercetare

Obiectele studiului sunt prezentate în STM sunt două cerințe principale:

v rugozitate scăzută a suprafeței

v Material bună conductivitate

v super-înaltă rezoluție (ordin atomic, 10-2 nm);

v abilitatea de a plasa proba într-un vid (ca în microscoape de electroni), în aer obișnuit la atm. presiune, care este deosebit de important pentru studiu și structurile de gel macromoleculare (proteine, ADN, ARN, virusuri).

Fizica și chimia suprafețelor la nivel atomic.

Un nanometru - un studiu cu rezolutie nanometri rugozitate a suprafeței eșantionului.

Nanotehnologia - cercetarea, fabricarea și controlul structurilor dispozitivului în microelectronică.

Pe baza STM, în special, posibilitatea de a înregistra și informațiile de redare.

Densitatea de înregistrare ajunge până la 1012 biți / cm2. Pentru comparație, densitatea de înregistrare de la informația de antrenare prezent, care utilizează efectul magnetic (discuri magnetice), este de 107 biți / cm2, sub iradiere cu laser (compact disc - CD) - până la 109 biți / cm2.

Studiul obiectelor biologice - macromolecule (inclusiv ADN), viruși și alte structuri biologice.

STM are perspective largi în domeniul științei materialelor - studiul micro-, sub - și structurile cristaline ale diferitelor materiale.

Domeniul de aplicare de scanare microscoape tunelare - aceasta este, în principiu știință suprafață solidă. In primele experimente, cu privire la care era cunoscut faptul că suferă de reconstrucție 1 * 2 Studiu de Au (100) suprafață de aur, sa constatat că este posibil să se observe diferitele etape ale suprastructurii și înălțimea monoatomica. Aceasta este un indicator al microscopului de scanare de tunel, câțiva angstromi, deși era de așteptat rezoluție geometrică a planului de observație nu este mai mare de 45Å. Acest rezultat arată că în mâinile oamenii de știință au un instrument unic - microscop de scanare de tunel, care permite observarea atomilor individuali pe o suprafață.

Deoarece invenția sa, STM este utilizat pe scară largă de către oamenii de știință din diferite specialități, acoperind aproape toate științele naturale, de la cercetarea de baza in fizica, chimie, biologie și tehnologie pentru aplicații specifice. Principiul de funcționare al STM este atât de simplu, dar potențialul este atât de mare, încât este imposibil de prezis impactul acesteia asupra științei și tehnologiei, chiar și în viitorul apropiat.

După cum sa dovedit mai târziu, aproape orice interacțiune cu suprafața unui punct al sondei (mecanică ,., magnetice) pot fi convertite cu instrumentele adecvate și programe de calculator pentru suprafața imaginii. În prezent, există o întreagă familie de așa-numitele scanare microscoape sondă: forță atomică, forță magnetică, câmpul în apropierea - principalele caracteristici ale care (prima rezoluție) sunt foarte apropiate de cele ale STM. De exemplu, atomic force microscop necesită eșantioane să fie conductiv și astfel permite investigarea proprietăților structurale și elastice ale conductoarelor și izolatori precum și o combinație de electronice și imagistice ale proprietăților elastice ale materialelor moi.