Туннельдік микроскоп қатты дене жүйелерінің электрондық құрылымын зерттеуге арналған өте қуатты құрал болып табылады. Оның топографиялық суреттері бетті құрылымдық анықтауға әкелетін химиялық-спецификалық бетті талдау әдістерін қолдануға көмектеседі. Құрылғы, функциялары және мағынасы туралы біле аласыз, сондай-ақ туннельдік микроскоптың фотосын осы мақаладан көре аласыз.
Жасаушылар
Мұндай микроскопты ойлап тапқанға дейін беттердің атомдық құрылымын зерттеу мүмкіндіктері негізінен рентген сәулелерінің, электрондардың, иондардың және басқа бөлшектердің шоқтарын қолданатын дифракциялық әдістермен шектелді. Швейцариялық физиктер Герд Бинниг пен Генрих Рорер туннельдік микроскопты алғаш жасаған кезде жаңалық болды. Олар бірінші сурет үшін алтынның бетін таңдады. Кескінді теледидар мониторында көрсеткенде, олар дәл реттелген атомдардың қатарларын көрді және биіктігі бір атомға дейін қадамдармен бөлінген кең террассаларды байқады. Бинниг және Рорербеттердің атомдық құрылымының тікелей бейнесін жасаудың қарапайым әдісін ашты. Олардың әсерлі жетістігі 1986 жылы физика бойынша Нобель сыйлығымен танылды.
Алғы сөз
Топографинер деп аталатын ұқсас микроскопты 1965 және 1971 жылдар аралығында Ұлттық стандарттар бюросында Рассел Янг және оның әріптестері ойлап тапқан. Қазіргі уақытта бұл Ұлттық стандарттар мен технологиялар институты. Бұл микроскоп сол және оң пьезо драйверлері үлгі бетінің үстінде және сәл жоғары ұшын сканерлейді принципі бойынша жұмыс істейді. Орталық пьезомен басқарылатын сервер жетегі тұрақты кернеуді сақтау үшін серверлік жүйемен басқарылады. Бұл ұшы мен беті арасындағы тұрақты тік бөлуге әкеледі. Электрондық көбейткіш үлгі бетінде таралатын туннельдік токтың аз ғана бөлігін анықтайды.
Схемалық көрініс
Туннельдік микроскоп жинағы келесі құрамдастарды қамтиды:
- сканерлеуге арналған кеңес;
- ұшты бір координатадан екіншісіне жылжыту үшін контроллер;
- діріл оқшаулау жүйесі;
- компьютер.
Ұшы жиі вольфрамнан немесе платина-иридийден жасалады, дегенмен алтын да қолданылады. Компьютер кескінді өңдеу арқылы кескінді жақсарту және сандық өлшемдер жасау үшін пайдаланылады.
Бұл қалай жұмыс істейді
Туннельдің жұмыс істеу принципімикроскоп өте күрделі. Ұштың жоғарғы жағындағы электрондар потенциалдық тосқауылмен металл ішіндегі аймақпен шектелмейді. Олар металдағы қозғалысы сияқты кедергіден өтеді. Еркін қозғалатын бөлшектердің иллюзиясы жасалады. Шындығында электрондар атомнан атомға ауысады, екі атомдық учаске арасындағы потенциалдық тосқауыл арқылы өтеді. Шлагбаумға әрбір жақындау үшін туннельдеу ықтималдығы 10:4 құрайды. Электрондар оны секундына 1013 жылдамдықпен кесіп өтеді. Бұл жоғары жіберу жылдамдығы қозғалыстың елеулі және үздіксіз екенін білдіреді.
Металлдың ұшын өте аз қашықтыққа, атомдық бұлттарды қабаттастырып, бетінде жылжыту арқылы атом алмасу жүзеге асырылады. Бұл ұшы мен бетінің арасында ағып жатқан аз мөлшерде электр тогының пайда болуына әкеледі. Оны өлшеуге болады. Осы үздіксіз өзгерістер арқылы туннельдік микроскоп беттің құрылымы мен топографиясы туралы ақпарат береді. Оның негізінде үлгінің бейнесін беретін атомдық шкала бойынша үш өлшемді модель құрастырылады.
Туннельдеу
Ұшы үлгіге жақындаған кезде, оның беті мен арасындағы қашықтық тордағы көрші атомдар арасындағы саңылаумен салыстырылатын мәнге дейін азаяды. Туннель электроны оларға қарай немесе зонд ұшындағы атомға қарай жылжи алады. Зондтағы ток үлгінің бетіндегі электрон тығыздығын өлшейді және бұл ақпарат суретте көрсетіледі. Атомдардың мерзімді массиві алтын, платина, күміс, никель және мыс сияқты материалдарда анық көрінеді. вакуумэлектрондардың ұшынан үлгіге туннельденуі қоршаған орта вакуум емес, газ немесе сұйықтық молекулаларымен толтырылған болса да орын алуы мүмкін.
Кедергі биіктігін қалыптастыру
Жергілікті кедергі биіктік спектроскопиясы микроскопиялық беттік жұмыс функциясының кеңістікте таралуы туралы ақпаратты береді. Кескін бөлуші саңылауға түрленуді ескере отырып, туннель тоғының логарифмдік өзгерісін нүктелік өлшеу арқылы алынады. Кедергі биіктігін өлшеу кезінде зонд пен үлгі арасындағы қашықтық қосымша айнымалы ток кернеуін пайдаланып синусоидалы түрде модуляцияланады. Модуляция кезеңі туннельдік микроскоптағы кері байланыс уақытының тұрақтысынан әлдеқайда қысқа етіп таңдалған.
Мағынасы
Сканерлеуші зонд микроскопының бұл түрі нанометрлік өлшемдегі нысандарды (400 және 800 нм арасындағы көрінетін жарық толқын ұзындығынан кіші) манипуляциялау керек нанотехнологияларды дамытуға мүмкіндік берді. Туннельдік микроскоп қабық квантын өлшеу арқылы кванттық механиканы анық көрсетеді. Бүгінгі таңда аморфты кристалды емес материалдар атомдық күштік микроскоп арқылы байқалады.
Кремний мысалы
Кремний беттері кез келген басқа материалдарға қарағанда кеңірек зерттелген. Оларды вакуумда қыздыру арқылы атомдар шақырылған процесте қалпына келтірілетін температураға дейін дайындалды. Қайта құру өте егжей-тегжейлі зерттелді. Такайнаги 7 x 7 деп аталатын бетінде қалыптасқан күрделі үлгі. Атомдар жұп құрды,немесе зерттелетін кремнийдің бүкіл бөлігіне созылатын жолдарға сәйкес келетін димерлер.
Зерттеу
Туннельдік микроскоптың жұмыс істеу принципін зерттеу оның қоршаған атмосферада вакуумдағы сияқты жұмыс істей алатыны туралы қорытындыға әкелді. Ол ауада, суда, оқшаулағыш сұйықтықтарда және электрохимияда қолданылатын иондық ерітінділерде жұмыс істейді. Бұл жоғары вакуумды құрылғыларға қарағанда әлдеқайда ыңғайлы.
Туннельдік микроскопты минус 269 °C дейін салқындатуға және плюс 700 °C дейін қыздыруға болады. Төмен температура асқын өткізгіш материалдардың қасиеттерін зерттеу үшін, ал жоғары температура металдар беті арқылы атомдардың жылдам диффузиясын және олардың коррозиясын зерттеу үшін қолданылады.
Туннельдік микроскоп негізінен бейнелеу үшін пайдаланылады, бірақ зерттелген басқа да көптеген қолданулар бар. Атомдарды үлгінің беті бойымен жылжыту үшін зонд пен үлгі арасындағы күшті электр өрісі пайдаланылды. Туннельдік микроскоптың әртүрлі газдардағы әсері зерттелді. Бір зерттеуде кернеу төрт вольт болды. Ұшындағы өріс атомдарды ұшынан алып тастауға және оларды субстратқа орналастыруға жеткілікті күшті болды. Бұл процедура әрқайсысы бірнеше жүз алтын атомдары бар субстратта шағын алтын аралдарын жасау үшін алтын зондпен қолданылды. Зерттеу барысында гибридті туннельдік микроскоп ойлап табылды. Түпнұсқа құрылғы бипотенциостатпен біріктірілген.
