De tunnelmicroscoop is een extreem krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van de elektronische structuur van halfgeleidersystemen. De topografische afbeeldingen helpen bij de toepassing van chemisch-specifieke oppervlakteanalysetechnieken, wat leidt tot een structurele definitie van het oppervlak. U kunt in dit artikel meer te weten komen over het apparaat, de functies en de betekenis, evenals een foto van een tunnelmicroscoop bekijken.
Makers
Vóór de uitvinding van zo'n microscoop waren de mogelijkheden om de atomaire structuur van oppervlakken te bestuderen voornamelijk beperkt tot diffractiemethoden met behulp van röntgenstralen, elektronen, ionen en andere deeltjes. De doorbraak kwam toen de Zwitserse natuurkundigen Gerd Binnig en Heinrich Rohrer de eerste tunnelmicroscoop ontwikkelden. Ze kozen het oppervlak van goud voor hun eerste afbeelding. Toen het beeld op een televisiemonitor werd weergegeven, zagen ze rijen nauwkeurig gerangschikte atomen en observeerden ze brede terrassen gescheiden door trappen van één atoom hoog. Binnig en Rohrerontdekte een eenvoudige methode voor het maken van een direct beeld van de atomaire structuur van oppervlakken. Hun indrukwekkende prestatie werd in 1986 bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde.
Voorloper
Een soortgelijke microscoop, de Topografiner genaamd, werd tussen 1965 en 1971 uitgevonden door Russell Young en zijn collega's bij het National Bureau of Standards. Het is momenteel het National Institute of Standards and Technology. Deze microscoop werkt volgens het principe dat de linker en rechter piëzodrivers de punt boven en iets boven het monsteroppervlak scannen. De centrale piëzo-gestuurde serveraandrijving wordt door het serversysteem aangestuurd om een constante spanning te behouden. Dit resulteert in een permanente verticale scheiding tussen punt en oppervlak. De elektronenvermenigvuldiger detecteert een kleine fractie van de tunnelstroom die op het oppervlak van het monster wordt gedissipeerd.
Schematische weergave
The Tunneling Microscope Assembly bevat de volgende componenten:
- scantip;
- controller om de punt van de ene coördinaat naar de andere te verplaatsen;
- trillingsisolatiesysteem;
- computer.
De punt is vaak gemaakt van wolfraam of platina-iridium, hoewel er ook goud wordt gebruikt. De computer wordt gebruikt om het beeld te verbeteren door middel van beeldverwerking en om kwantitatieve metingen te doen.
Hoe het werkt
Het principe van de werking van de tunnelmicroscoop is vrij ingewikkeld. De elektronen aan de bovenkant van de punt zijn niet beperkt tot het gebied binnen het metaal door de potentiaalbarrière. Ze bewegen zich door het obstakel zoals hun beweging in metaal. De illusie van vrij bewegende deeltjes wordt gecreëerd. In werkelijkheid bewegen elektronen van atoom naar atoom en gaan ze door een potentiaalbarrière tussen twee atomaire locaties. Voor elke nadering van de barrière is de kans op tunneling 10:4. Elektronen passeren het met een snelheid van 1013 per seconde. Deze hoge transmissiesnelheid betekent dat de beweging substantieel en continu is.
Door de punt van het metaal over een zeer kleine afstand over het oppervlak te bewegen, overlappend met de atoomwolken, wordt een atoomuitwisseling uitgevoerd. Hierdoor ontstaat een kleine hoeveelheid elektrische stroom die tussen de punt en het oppervlak vloeit. Het kan worden gemeten. Door deze voortdurende veranderingen geeft de tunnelmicroscoop informatie over de structuur en topografie van het oppervlak. Op basis hiervan wordt een driedimensionaal model gebouwd op atomaire schaal, dat een beeld van het monster geeft.
Tunneling
Als de punt dicht bij het monster komt, neemt de afstand tussen de punt en het oppervlak af tot een waarde die vergelijkbaar is met de opening tussen aangrenzende atomen in het rooster. Het tunnelelektron kan ofwel naar hen toe bewegen ofwel naar het atoom aan de punt van de sonde. De stroom in de sonde meet de elektronendichtheid op het oppervlak van het monster en deze informatie wordt weergegeven op de afbeelding. De periodieke reeks atomen is duidelijk zichtbaar op materialen zoals goud, platina, zilver, nikkel en koper. vacuümtunneling van elektronen van de punt naar het monster kan optreden, ook al is de omgeving geen vacuüm, maar gevuld met gas- of vloeibare moleculen.
Vorming van barrièrehoogte
Lokale barrièrehoogtespectroscopie geeft informatie over de ruimtelijke verdeling van de microscopische oppervlaktewerkfunctie. Het beeld wordt verkregen door puntsgewijze meting van de logaritmische verandering in de tunnelstroom, rekening houdend met de transformatie naar een scheidingsspleet. Bij het meten van de barrièrehoogte wordt de afstand tussen de sonde en het monster sinusvormig gemoduleerd met behulp van een extra wisselspanning. De modulatieperiode is zo gekozen dat deze veel korter is dan de tijdconstante van de terugkoppellus in een tunnelmicroscoop.
Betekenis
Dit type scanning probe-microscoop heeft de ontwikkeling mogelijk gemaakt van nanotechnologieën die objecten van nanometerformaat moeten manipuleren (kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht tussen 400 en 800 nm). De tunnelmicroscoop illustreert duidelijk de kwantummechanica door het schilquantum te meten. Tegenwoordig worden amorfe niet-kristallijne materialen waargenomen met behulp van atoomkrachtmicroscopie.
Silicium voorbeeld
Siliciumoppervlakken zijn uitgebreider bestudeerd dan enig ander materiaal. Ze werden bereid door in vacuüm te verhitten tot een zodanige temperatuur dat de atomen in een opgeroepen proces werden gereconstrueerd. De reconstructie is tot in detail bestudeerd. Er vormde zich een complex patroon op het oppervlak, bekend als Takayanagi 7 x 7. De atomen vormden paren,of dimeren die in rijen passen die zich uitstrekken over het hele stuk silicium dat wordt bestudeerd.
Onderzoek
Onderzoek naar het werkingsprincipe van een tunnelmicroscoop leidde tot de conclusie dat het in de omringende atmosfeer op dezelfde manier kan werken als in een vacuüm. Het is gebruikt in lucht, water, isolerende vloeistoffen en ionische oplossingen die worden gebruikt in de elektrochemie. Dit is veel handiger dan hoogvacuümapparaten.
De tunnelmicroscoop kan worden gekoeld tot min 269 °C en verwarmd tot plus 700 °C. Lage temperatuur wordt gebruikt om de eigenschappen van supergeleidende materialen te bestuderen, en hoge temperatuur wordt gebruikt om de snelle diffusie van atomen door het oppervlak van metalen en hun corrosie te bestuderen.
De tunnelmicroscoop wordt voornamelijk gebruikt voor beeldvorming, maar er zijn veel andere toepassingen die zijn onderzocht. Een sterk elektrisch veld tussen de sonde en het monster werd gebruikt om de atomen langs het oppervlak van het monster te verplaatsen. Het effect van een tunnelmicroscoop in verschillende gassen is onderzocht. In één onderzoek was de spanning vier volt. Het veld aan de punt was sterk genoeg om de atomen van de punt te verwijderen en op het substraat te plaatsen. Deze procedure werd gebruikt met een gouden sonde om kleine gouden eilanden te maken op een substraat met elk enkele honderden goudatomen. Tijdens het onderzoek werd een hybride tunnelmicroscoop uitgevonden. Het originele apparaat was geïntegreerd met een bipotentiostaat.
