Mikroskopi i tunelit është një mjet jashtëzakonisht i fuqishëm për studimin e strukturës elektronike të sistemeve në gjendje të ngurtë. Imazhet e tij topografike ndihmojnë në aplikimin e teknikave të analizës së sipërfaqes specifike kimike, duke çuar në një përcaktim strukturor të sipërfaqes. Mund të mësoni rreth pajisjes, funksioneve dhe kuptimit, si dhe të shihni një foto të një mikroskopi tunelimi në këtë artikull.
Krijuesit
Para shpikjes së një mikroskopi të tillë, mundësitë e studimit të strukturës atomike të sipërfaqeve ishin të kufizuara kryesisht në metodat e difraksionit duke përdorur rreze rrezesh X, elektrone, jone dhe grimca të tjera. Zbulimi erdhi kur fizikanët zviceranë Gerd Binnig dhe Heinrich Rohrer zhvilluan mikroskopin e parë tunele. Ata zgjodhën sipërfaqen prej ari për imazhin e tyre të parë. Kur imazhi u shfaq në një monitor televizori, ata panë rreshta atomesh të rregulluar saktësisht dhe vëzhguan tarraca të gjera të ndara me shkallë të lartë një atom. Binig dhe Rohrerzbuloi një metodë të thjeshtë për krijimin e një imazhi të drejtpërdrejtë të strukturës atomike të sipërfaqeve. Arritja e tyre mbresëlënëse u njoh me Çmimin Nobel në Fizikë në 1986.
pararendës
Një mikroskop i ngjashëm i quajtur Topografiner u shpik nga Russell Young dhe kolegët e tij midis 1965 dhe 1971 në Byronë Kombëtare të Standardeve. Aktualisht është Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë. Ky mikroskop funksionon në parimin që drejtuesit piezo majtas dhe djathtas skanojnë majën sipër dhe pak mbi sipërfaqen e mostrës. Disku qendror i serverit i kontrolluar nga piezo kontrollohet nga sistemi i serverit për të mbajtur një tension konstant. Kjo rezulton në një ndarje të përhershme vertikale midis majës dhe sipërfaqes. Shumëzuesi i elektroneve zbulon një pjesë të vogël të rrymës së tunelit që shpërndahet në sipërfaqen e kampionit.
Pamje skematike
Asambleja e mikroskopit tunelues përfshin komponentët e mëposhtëm:
- këshilla skanimi;
- kontrollues për të lëvizur majën nga një koordinatë në tjetrën;
- sistemi i izolimit të dridhjeve;
- kompjuter.
Maja shpesh është prej tungsteni ose platini-iridiumi, megjithëse përdoret gjithashtu ari. Kompjuteri përdoret për të përmirësuar imazhin përmes përpunimit të imazhit dhe për të bërë matje sasiore.
Si funksionon
Parimi i funksionimit të tunelitmikroskopi është mjaft i ndërlikuar. Elektronet në majë të majës nuk kufizohen në rajonin brenda metalit nga pengesa potenciale. Ata lëvizin përmes pengesës si lëvizja e tyre në metal. Krijohet iluzioni i grimcave që lëvizin lirshëm. Në realitet, elektronet lëvizin nga atomi në atom, duke kaluar përmes një pengese potenciale midis dy vendeve atomike. Për çdo afrim në barrierë, probabiliteti i tunelit është 10:4. Elektronet e kalojnë atë me një shpejtësi prej 1013 për sekondë. Kjo shkallë e lartë transmetimi do të thotë që lëvizja është thelbësore dhe e vazhdueshme.
Duke lëvizur majën e metalit mbi sipërfaqe për një distancë shumë të vogël, duke mbivendosur retë atomike, kryhet një shkëmbim atomik. Kjo krijon një sasi të vogël të rrymës elektrike që rrjedh midis majës dhe sipërfaqes. Mund të matet. Nëpërmjet këtyre ndryshimeve të vazhdueshme, mikroskopi tunelues jep informacion për strukturën dhe topografinë e sipërfaqes. Bazuar në të, është ndërtuar një model tredimensional në një shkallë atomike, e cila jep një imazh të mostrës.
Tuneling
Kur maja lëviz afër kampionit, distanca midis saj dhe sipërfaqes zvogëlohet në një vlerë të krahasueshme me hendekun midis atomeve ngjitur në rrjetë. Elektroni i tunelit mund të lëvizë ose drejt tyre ose drejt atomit në majë të sondës. Rryma në sondë mat densitetin e elektronit në sipërfaqen e kampionit dhe ky informacion shfaqet në foto. Vargu periodik i atomeve është qartë i dukshëm në materiale të tilla si ari, platini, argjendi, nikeli dhe bakri. vakumtunelizimi i elektroneve nga maja në kampion mund të ndodhë edhe pse mjedisi nuk është vakum, por i mbushur me molekula gazi ose lëngu.
Formimi i lartësisë së pengesës
Spektroskopia lokale e lartësisë së pengesës ofron informacion mbi shpërndarjen hapësinore të funksionit të punës mikroskopike të sipërfaqes. Imazhi merret me matje pikë për pikë të ndryshimit logaritmik në rrymën e tunelit, duke marrë parasysh shndërrimin në një hendek ndarës. Kur matni lartësinë e barrierës, distanca midis sondës dhe kampionit modulohet në mënyrë sinusoidale duke përdorur një tension shtesë AC. Periudha e modulimit është zgjedhur të jetë shumë më e shkurtër se konstanta kohore e ciklit të reagimit në një mikroskop tunelimi.
Kuptimi
Ky lloj mikroskopi sondë skanimi ka mundësuar zhvillimin e nanoteknologjive që duhet të manipulojnë objekte me madhësi nanometër (më të vogla se gjatësia e valës së dritës së dukshme midis 400 dhe 800 nm). Mikroskopi tunelues ilustron qartë mekanikën kuantike duke matur kuantën e guaskës. Sot, materialet jokristalore amorfe vërehen duke përdorur mikroskopin e forcës atomike.
Shembull silikoni
Sipërfaqet e silikonit janë studiuar më gjerësisht se çdo material tjetër. Ato u përgatitën duke u ngrohur në vakum në një temperaturë të tillë që atomet të rindërtoheshin në një proces të evokuar. Rindërtimi është studiuar në detaje. Një model kompleks i formuar në sipërfaqe, i njohur si Takayanagi 7 x 7. Atomet formuan çifte,ose dimerë që përshtaten në rreshta që shtrihen përgjatë gjithë pjesës së silikonit në studim.
Kërkim
Kërkimet mbi parimin e funksionimit të një mikroskopi tunelizimi çuan në përfundimin se ai mund të funksionojë në atmosferën përreth në të njëjtën mënyrë si në një vakum. Është përdorur në ajër, ujë, lëngje izoluese dhe solucione jonike të përdorura në elektrokimi. Kjo është shumë më e përshtatshme se pajisjet me vakum të lartë.
Mikroskopi i tunelit mund të ftohet në minus 269 °C dhe të nxehet në plus 700 °C. Temperatura e ulët përdoret për të studiuar vetitë e materialeve superpërcjellëse dhe temperatura e lartë përdoret për të studiuar difuzionin e shpejtë të atomeve nëpër sipërfaqen e metaleve dhe gërryerjen e tyre.
Mikroskopi i tunelit përdoret kryesisht për imazhe, por ka shumë përdorime të tjera që janë eksploruar. Një fushë e fortë elektrike midis sondës dhe kampionit u përdor për të lëvizur atomet përgjatë sipërfaqes së kampionit. Është studiuar efekti i një mikroskopi tunele në gaze të ndryshme. Në një studim, voltazhi ishte katër volt. Fusha në majë ishte mjaft e fortë për të hequr atomet nga maja dhe për t'i vendosur ato në nënshtresë. Kjo procedurë u përdor me një sondë ari për të bërë ishuj të vegjël ari në një nënshtresë me disa qindra atome ari secili. Gjatë hulumtimit, u shpik një mikroskop hibrid tunelesh. Pajisja origjinale ishte e integruar me një bipotentiostat.
