Il microscopio a effetto tunnel è uno strumento estremamente potente per studiare la struttura elettronica dei sistemi a stato solido. Le sue immagini topografiche aiutano nell'applicazione di tecniche di analisi della superficie specifiche per le sostanze chimiche, portando a una definizione strutturale della superficie. In questo articolo puoi conoscere il dispositivo, le funzioni e il significato, oltre a vedere una foto di un microscopio a effetto tunnel.
Creatori
Prima dell'invenzione di un tale microscopio, le possibilità di studiare la struttura atomica delle superfici erano principalmente limitate ai metodi di diffrazione che utilizzavano fasci di raggi X, elettroni, ioni e altre particelle. La svolta è arrivata quando i fisici svizzeri Gerd Binnig e Heinrich Rohrer hanno sviluppato il primo microscopio a effetto tunnel. Hanno scelto la superficie dell'oro per la loro prima immagine. Quando l'immagine veniva visualizzata su un monitor televisivo, vedevano file di atomi disposti con precisione e osservavano ampie terrazze separate da gradini alti un atomo. Binnig e Rohrerscoperto un metodo semplice per creare un'immagine diretta della struttura atomica delle superfici. Il loro impressionante risultato è stato riconosciuto con il Premio Nobel per la Fisica nel 1986.
Precursore
Un microscopio simile chiamato Topografiner è stato inventato da Russell Young e dai suoi colleghi tra il 1965 e il 1971 presso il National Bureau of Standards. Attualmente è l'Istituto nazionale di standard e tecnologia. Questo microscopio funziona secondo il principio che i driver piezoelettrici sinistro e destro scansionano la punta sopra e leggermente sopra la superficie del campione. L'unità server centrale con controllo piezoelettrico è controllata dal sistema server per mantenere una tensione costante. Ciò si traduce in una separazione verticale permanente tra punta e superficie. Il moltiplicatore di elettroni rileva una piccola frazione della corrente di tunneling che viene dissipata sulla superficie del campione.
Vista schematica
Il gruppo microscopio a tunnel include i seguenti componenti:
- punta di scansione;
- controllore per spostare la punta da una coordinata all' altra;
- sistema di isolamento dalle vibrazioni;
- computer.
La punta è spesso realizzata in tungsteno o platino-iridio, sebbene venga utilizzato anche l'oro. Il computer viene utilizzato per migliorare l'immagine attraverso l'elaborazione delle immagini e per effettuare misurazioni quantitative.
Come funziona
Il principio di funzionamento del tunnelil microscopio è piuttosto complicato. Gli elettroni nella parte superiore della punta non sono limitati alla regione all'interno del metallo dalla barriera di potenziale. Si muovono attraverso l'ostacolo come il loro movimento nel metallo. Viene creata l'illusione di particelle che si muovono liberamente. In re altà, gli elettroni si spostano da un atomo all' altro, passando attraverso una barriera di potenziale tra due siti atomici. Per ogni avvicinamento alla barriera, la probabilità di tunneling è 10:4. Gli elettroni lo attraversano a una velocità di 1013 al secondo. Questa elevata velocità di trasmissione significa che il movimento è sostanziale e continuo.
Spostando la punta del metallo sulla superficie per una distanza molto piccola, sovrapponendo le nubi atomiche, viene eseguito uno scambio atomico. Questo crea una piccola quantità di corrente elettrica che scorre tra la punta e la superficie. Può essere misurato. Attraverso questi continui cambiamenti, il microscopio a tunnel fornisce informazioni sulla struttura e la topografia della superficie. Sulla base di esso, viene costruito un modello tridimensionale su scala atomica, che fornisce un'immagine del campione.
Tunneling
Quando la punta si avvicina al campione, la distanza tra esso e la superficie diminuisce a un valore paragonabile allo spazio tra atomi adiacenti nel reticolo. L'elettrone tunnel può muoversi verso di loro o verso l'atomo sulla punta della sonda. La corrente nella sonda misura la densità elettronica sulla superficie del campione e questa informazione viene visualizzata sull'immagine. La disposizione periodica degli atomi è chiaramente visibile su materiali come oro, platino, argento, nichel e rame. vuotoil tunneling di elettroni dalla punta al campione può verificarsi anche se l'ambiente non è vuoto, ma pieno di gas o molecole liquide.
Formazione dell' altezza della barriera
La spettroscopia dell' altezza della barriera locale fornisce informazioni sulla distribuzione spaziale della funzione di lavoro sulla superficie microscopica. L'immagine è ottenuta misurando punto per punto la variazione logaritmica della corrente del tunnel, tenendo conto della trasformazione in un gap divisorio. Quando si misura l' altezza della barriera, la distanza tra la sonda e il campione viene modulata in modo sinusoidale utilizzando una tensione CA aggiuntiva. Il periodo di modulazione viene scelto per essere molto più breve della costante di tempo del circuito di feedback in un microscopio a effetto tunnel.
Significato
Questo tipo di microscopio con sonda a scansione ha consentito lo sviluppo di nanotecnologie che devono manipolare oggetti di dimensioni nanometriche (inferiori alla lunghezza d'onda della luce visibile tra 400 e 800 nm). Il microscopio a effetto tunnel illustra chiaramente la meccanica quantistica misurando il quanto di shell. Oggi, i materiali amorfi non cristallini vengono osservati utilizzando la microscopia a forza atomica.
Esempio di silicone
Le superfici in silicone sono state studiate in modo più approfondito rispetto a qualsiasi altro materiale. Sono stati preparati riscaldando sotto vuoto a una temperatura tale che gli atomi sono stati ricostruiti in un processo evocato. La ricostruzione è stata studiata nei minimi dettagli. Uno schema complesso formato sulla superficie, noto come Takayanagi 7 x 7. Gli atomi formavano coppie,o dimeri che si adattano a file che si estendono sull'intero pezzo di silicio in studio.
Ricerca
La ricerca sul principio di funzionamento di un microscopio a effetto tunnel ha portato alla conclusione che può funzionare nell'atmosfera circostante allo stesso modo del vuoto. È stato utilizzato in aria, acqua, liquidi isolanti e soluzioni ioniche utilizzate in elettrochimica. Questo è molto più conveniente dei dispositivi ad alto vuoto.
Il microscopio a effetto tunnel può essere raffreddato a meno 269 °C e riscaldato a più 700 °C. La bassa temperatura viene utilizzata per studiare le proprietà dei materiali superconduttori e l' alta temperatura viene utilizzata per studiare la rapida diffusione degli atomi attraverso la superficie dei metalli e la loro corrosione.
Il microscopio a effetto tunnel viene utilizzato principalmente per l'imaging, ma sono stati esplorati molti altri usi. Un forte campo elettrico tra la sonda e il campione è stato utilizzato per spostare gli atomi lungo la superficie del campione. È stato studiato l'effetto di un microscopio tunneling in vari gas. In uno studio, la tensione era di quattro volt. Il campo sulla punta era abbastanza forte da rimuovere gli atomi dalla punta e posizionarli sul substrato. Questa procedura è stata utilizzata con una sonda d'oro per creare piccole isole d'oro su un substrato con diverse centinaia di atomi d'oro ciascuna. Durante la ricerca è stato inventato un microscopio ibrido a tunnel. Il dispositivo originale era integrato con un bipotenziometro.
