Pásztázó alagútmikroszkópia (STM): az atomok megfigyelése és működési elve

Pásztázó alagútmikroszkópia (STM) — hogyan látjuk az atomokat? Ismerje meg a kvantum-alagút elvét, feltalálását, kiemelkedő felbontását és gyakorlati alkalmazásait.

A pásztázó alagútmikroszkópia (STM) az atomok megtekintésének egyik módja. Ezt 1981-ben fejlesztették ki. Gerd Binnig és Heinrich Rohrer találta fel az IBM Zürichnél. Feltalálásáért 1986-ban fizikai Nobel-díjat kaptak. Az STM esetében a jó felbontás 0,1 nm-es oldalsó felbontás (mennyire pontosan látja a felszínen lévő vonásokat) és 0,01 nm-es mélységfelbontás (mennyire pontosan látja a felszínen lévő dudorok magasságát). Az STM nemcsak vákuumban, hanem levegőben és különböző más folyadékokban vagy gázokban is használható, valamint a leggyakoribb hőmérsékleteken.

Az STM a kvantum-alagutazáson alapul. Amikor egy fémhegyet nagyon közel viszünk egy fém vagy félvezető felülethez, a kettő közötti feszültség lehetővé teszi az elektronok áramlását a köztük lévő vákuumban. Az áram változása, ahogy a szonda áthalad a felületen, az adja a képet. Az STM nehéz dolog lehet, mivel nagyon tiszta felületekre és éles hegyekre van szükség.

Működési elv részletesen

Az STM működése egy nagyon rövid távolságú kvantummechanikai alagúttömeg következménye: ha a hegy és a minta között néhány ångström (0,1–1 nm) távolság marad, az elektronok áthatolhatnak a köztes potenciálgát fölött való „átugrás” helyett a tiltott régión keresztül. A tunnelezési áramsűrűség erősen függ a hegy–minta távolságától, nagyjából exponenciálisan csökken a távolsággal. Egyszerű formában az áramra írhatjuk:

I ∝ V · exp(−2κd), ahol d a hegy–minta távolsága, V a bias feszültség, κ pedig a gát jellemzőjétől függő konstans (kapcsolódik az elektron tömegéhez és az effektív munkafunkcióhoz). Ez az exponenciális távolságfüggés adja a kivételes függőleges (magassági) érzékenységet: néhány tized ångström változás is jelentős áramváltozást okoz.

Lehetséges képalkotó módok

• Konstans áram (constant-current) mód: a visszacsatoló áramkör a tunneling áramot állandó értéken tartja úgy, hogy a piezoelektromos meghajtó szabályozza a tű függőleges helyzetét. A visszacsatolás által beállított z-pozíció térképezi a felszín topográfiáját.
• Konstans magasság (constant-height) mód: a tű magassága rögzített, és az áramváltozásokból adódó jel adja a képet. Gyorsabb, kisebb magassági változások érzékelésére alkalmas, de sérülékeny, ha a topográfia nagy változásokat tartalmaz.

További mérések és technikák

Az STM nem csupán képeket készít: a lokális elektronikus állapotok vizsgálatára is használható. Az I(V) mérések és az I változásának feszültség szerinti deriváltja (dI/dV) helyi sűrűség-of-állapot (LDOS) információt szolgáltat — ezt spektrális pásztázó alagútmikroszkópiának (STS) nevezik. Ezzel meg lehet különböztetni például sávszéleket, felületi állapotokat, kvantumrekeszeket és más elektronikus tulajdonságokat.

Gyakorlati követelmények és korlátok

• Vezető minta: klasszikus STM csak vezető vagy félvezető mintákon működik; szigetelő felületek vizsgálatához módosított módszerek vagy kombinált AFM/STM technikák szükségesek.
• Hevítési és tisztasági követelmények: atomfelbontáshoz gyakran ultra magas vákuum (UHV) és gondos felület-előkészítés szükséges, hogy a minta tiszta és rendezett legyen.
• Tipus és tűhegy: az oldalsó felbontás nagyban függ a tű hegyének élességétől és elektronikus szerkezetétől; gyakori anyagok a volfrám és a platina/irídium. A tű élesítése elektro-kémiai marással vagy mechanikai módszerekkel történik, és időnként „megmunkálják” a felületen.
• Rezgések és hőmozgás: a mérések érzékenyek külső rezgésekre és hődriftre, ezért mechanikai csillapítást és gyakran hőszabályozást alkalmaznak. Alacsony hőmérsékleten (kriogén STM) jobb energiális felbontás és stabilitás érhető el.
• Elektronikai és tipikus hibák: a kép tükrözheti a tű elektronikus struktúráját is (tű-konvolúció), ezért a képek értelmezéséhez körültekintés és gyakran különféle kontrollmérések szükségesek.

Alkalmazások és kiemelt eredmények

Az STM-et széles körben alkalmazzák felületfizikában, anyagtudományban és nanotechnológiában: atomok és molekulák képalkotása, helyi sávszerkezet vizsgálata, felületi rekonstrukciók megfigyelése, kémiai reakciók vizsgálata, valamint atomi manipuláció (egyedi atomok mozgatása, nanostrukturák építése). Az STM-mel végrehajtott híres demonstrációk közé tartozik az atomokkal való „írás” és egyszerű szerkezetek összeállítása (pl. az IBM korai xenon-atomokkal készült felirat példája).

Előnyök és hátrányok röviden

• Előnyök: rendkívüli függőleges felbontás (sub-ångström), helyi elektronikus információ (STS), képesség atomok mozgatására és nanostruktúrák készítésére.
• Hátrányok: csak vezető mintákon alkalmazható közvetlenül, érzékeny a külső zajokra és a hegy minőségére, valamint a felület tisztaságára.

Összegzés

Összességében a pásztázó alagútmikroszkópia olyan erőteljes eszköz, amely közvetlenül láthatóvá teszi a felületi atomokat és azok elektronikus tulajdonságait. A technika sikere a kvantum-alagutazás érzékeny távolságfüggésén alapul, és a megfelelő kísérleti feltételek mellett egyedülálló betekintést nyújt a nanoszkopikus világba.

Instrumentation

Az STM részei a következők: a pásztázó hegy, valami, ami mozgatja a hegyet, valami, ami megakadályozza, hogy rezegjen, és egy számítógép.

Az STM részei


Közelkép egy egyszerű pásztázó alagútmikroszkóp fejéről a St Andrews Egyetemen, amely MoS-t2 pásztázza egy platina-ridium tűvel.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a pásztázó alagútmikroszkópia?

K: Ki találta fel az STM-et?

K: Mikor találták fel?

K: Mit tud az STM?

K: Nyertek díjat az STM feltalálásáért?

K: Hol nyerték ezt a díjat?

K: Melyik évben nyerték el ezt a díjat?

Keresés betűvel