Skenirna tunelska mikroskopija (STM): definicija, princip delovanja in uporabe

Odkrijte skenirno tunelsko mikroskopijo (STM): princip kvantnega tuneliranja, atomska natančnost, praktične uporabe in zgodovina izuma Binnig & Rohrer.

Skenirna tunelska mikroskopija (STM) je način opazovanja atomov. Razvit je bil leta 1981. Izumila sta jo Gerd Binnig in Heinrich Rohrer pri IBM Zürich. Za izum sta leta 1986 prejela Nobelovo nagrado za fiziko. Dobra ločljivost pri STM je bočna ločljivost 0,1 nm (kako natančno lahko vidi značilnosti na površini) in globinska ločljivost 0,01 nm (kako natančno lahko vidi višino izboklin na površini). STM se lahko uporablja ne le v vakuumu, temveč tudi v zraku in različnih drugih tekočinah ali plinih ter pri večini običajnih temperatur.

STM temelji na kvantnem tuneliranju. Ko se kovinska konica zelo približa kovinski ali polprevodniški površini, lahko napetost med njima omogoči pretok elektronov skozi vakuum med njima. Spremembe toka pri prehodu sonde čez površino so tisto, kar ustvarja sliko. STM je lahko težka stvar, saj potrebuje zelo čiste površine in ostre konice.

Princip delovanja

STM deluje z ostro prevodno konico (sondo), ki se s pomočjo piezoelektričnih pogonov premika zelo blizu površine vzorca. Med konico in vzorcem se vzpostavi majhna napetost, zaradi katere se pojavijo kvantni tunelski tokovi, če je razdalja dovolj majhna (nekoliko Ångströmov). Ključne točke:

• Kvantno tuneliranje: ko je vrzel med konico in površino zelo majhna, lahko elektroni "tunelirajo" skozi potencialno bariero v vakuumu. Tunelski tok močno eksponentno pada z razdaljo (približno I ∝ V · exp(−2κs), kjer je s razdalja, κ povezana z delovno funkcijo materiala).
• Feedback (povratna zanka): v načinu konstantnega toka regulator prilagaja višino konice tako, da obdrži tok konstanten. Višine, ki jih zabeležimo med skeniranjem, tvorijo topografijo površine.
• Načini skeniranja: običajno sta v uporabi dva glavna načina — konstantni tok (višina se spreminja in se meri) in konstantna višina (višina fiksna, meri se tok). Konstantna višina je hitrejša in bolj občutljiva, a tvega trčenje konice s površino pri grbinah.

Spektroskopija in elektronske lastnosti

STM ni le instrument za slikanje topografije, ampak tudi za preučevanje lokalnih elektronskih lastnosti. Pri skenirni tunelski spektroskopiji (STS) merimo odvisnost toka od napetosti I(V) ali diferencialni prevod dI/dV. Iz dI/dV lahko sklepamo na lokalno gostoto elektronskih stanj (LDOS) na točno določenem mestu na površini, kar je zelo uporabno pri preučevanju površinskih pasov, kvantnih stanj in lokaliziranih elektronskih struktur.

Priprava konice in vzorcev

• Konice: tipične konice so iz volframa (W) ali zlitin Pt/Ir, izdelane z elektrokemičnim etchingom ali z rušenjem v vakuumu. Konice se pogosto čistijo in oblikujejo in situ (npr. polnitvena emisija, topenje, poliranje z ionskim žarkom), ker stanje konice močno vpliva na meritev.
• Vzorec: površine morajo biti čiste in pogosto pripravljene v ultravisokem vakuumu (UHV) z metodami kot so cikli segrevanja, ionno žarčenje ali ločevanje plasti. STM lahko deluje tudi v zraku ali v tekočinah, vendar so pri teh pogojih zahteve glede priprave in stabilnosti različne.
• Stabilnost: za najboljše rezultate so potrebne dobra izolacija pred vibracijami, stabilna napajanja in pogosto nizke temperature (da se zmanjša toplinski šum in izboljša energijska ločljivost).

Uporabe

STM ima širok spekter znanstvenih in tehnoloških uporab:

• slikanje posameznih atomov in vrst atomov na površini,
• preslikava lokalne gostote stanj (STS),
• manipulacija atomov in molekul (premikanje posameznih atomov, gradnja nanostruktur),
• preiskave površinske kemije in katalize,
• študij molekularne elektronike in vezi med molekulami ter prevodnostjo na nanoskopskem nivoju,
• nanolitografija in pisanje struktur na atomski skali v uravnavanih okoliščinah.

Prednosti in omejitve

• Prednosti: izjemna prostorska ločljivost (tudi posamezni atomi), občutljivost na vertikalne spremembe v skali desetink pikometra, možnost študija elektronskih stanj lokalno.
• Omejitve: STM zahteva prevodno ali polprevodno vzorčenje (ne deluje neposredno na izolatorjih brez posebnih pristopov), rezultati so močno odvisni od oblike in sestave konice (konca konice), potrebuje čiste in stabilne površine in pogosto zahtevnejšo opremo (UHV, izolacija pred vibracijami, nizke temperature). Tipični artefakti so posledica kontaminirane ali dvojne konice.

Praktični nasveti

• Za začetek so primerni enostavni prevodni vzorci (npr. Au(111), Cu(111)), ki se pogosto uporabljajo kot referenčne površine.
• Pazljivo upravljanje povratne zanke in nastavitve toka/napetosti sta ključna za dobro sliko; prevelik tok ali previsoka napetost lahko poškodujeta konico ali vzorec.
• Redna priprava in pregled konice izboljšata ponovljivost meritev.

STM je zato močno orodje v površinski fiziki in nanotehnologiji — omogoča neposredno opazovanje in manipulacijo na atomski ravni, hkrati pa zahteva skrbno pripravo eksperimenta in interpretacijo podatkov zaradi občutljivosti meritev na konico in okolje.

Instrumentacija

Deli STM so: skenirna konica, nekaj, kar premika konico, nekaj, kar preprečuje vibriranje konice, in računalnik.

Deli STM


Bližnji posnetek preproste glave skenirnega tunelskega mikroskopa na Univerzi St Andrews, ki skenira MoS2 z uporabo platinsko-iridijevega tipala.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je skenirna tunelska mikroskopija?

V: Kdo je izumil STM?

V: Kdaj sta ga izumila?

V: Kaj lahko STM počne?

V: Ali so za izum STM prejeli nagrado?

V: Kje so dobili to nagrado?

V: Katerega leta sta prejela to nagrado?

Išči po črki