Сканирующий туннельный микроскоп




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп

26.07.2017


Чтобы наблюдать большую поверхность,, нужен иной принцип — сканирующая (растровая) микроскопия. Его впервые реализовал изобретатель телевизора Зворыкин в электронном сканирующем микроскопе (1942 г.). В нем освещающий луч сфокусирован в точку и бегает “построчно”, а широкий неподвижный приемник излучения (проходящего, отраженного или вторичного) дает сигнал яркости изображения, синхронно развертываемого на экране телевизора. Разрешение зависит от размера освещаемой “точки”. Он ныне доведен до 0,01...0,003 мкм (при ускоряющем напряжении 10...30 кВ). Ho это еще в десятки раз больше размеров атома.
Чтобы сканировать рельеф поверхности, фокусируемый (и неизбежно расходящийся от дифракции) луч заменили жестким щупом. Атомно-острую иглу—щуп затачивают так же, как для автоионного микроскопа. Чтобы почувствовать касание такой иглы, Бинниг и Popep (1982 г.) использовали квантовый туннельный эффект. Плотность электронов проводимости над поверхностью металла падает на много порядков на высоте порядка размера атома. Поэтому, если на иглу подать небольшое напряжение и постепенно приближать ее к образцу, прежде полного замыкания появится слабый “туннельный” ток, когда до поверхности останется примерно одно межатомное расстояние. Можно отслеживать рельеф, водя иглу “по строчкам” и приподнимая ее, чтобы этот ток оставался неизменным.
Чтобы перемещать иглу с точностью до 0,01 межатомного расстояния по трем координатам, ее прикрепляют к пьезокристаллу-кубику (или “паучку”). На две пары граней кубика подают напряжения развертки по строкам (параллельно образцу). На третью пару следящая схема подает переменное напряжение для вертикального перемещения иглы, чтобы сохранять неизменным туннельный ток. Это же напряжение служит сигналом яркости на мониторе с той же строчной разверткой. В таком сканирующем туннельном микроскопе (Нобелевская премия - 1986г.) получили четкие изображения всех атомов поверхности (разные элементы — разного размера), увидели, Например, уступы одноатомной высоты на поверхности кремния — на воздухе и в серной кислоте или такие “детали рельефа”, как лунка диаметром в три атома, выбитая на поверхности золота ионом неона (с энергией 600 эВ).
Огромные преимущества туннельного микроскопа (против автоионного - тоже разрешающего атом) — возможность быстро про, смотреть (при меньших увеличениях) большую площадь, чтобы найти нужное место, работать при комнатной температуре, на воздухе и даже в жидкостях (воде, масле, жидком азоте, растворах-электролитах), наблюдать быстрые изменения in situ, “в реальном времени” (например, увидеть волну ультразвука).
Просматривая при 20...40 К поверхность платины после облучения ионами гелия, удалось не только увидеть выход межузельных атомов на поверхность, но и набрать достаточную статистику времен выхода (1...30 мин), чтобы найти из нее энергию активации их миг-рации UММА.
По характерному потенциалу скачка туннельного тока различают лежащие на поверхности отдельные атомы разных элементов и органические молекулы. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет выявить место и порядок размещения адсорбированных атомов в “лунках” решетки на поверхности металла: так, при хемосорбции на поверхности меди атомы кислорода ложатся цепочками вдоль оси. Хемосорбция кислорода на золоте сопровождается реконструкцией поверхности — одноосным сжатием моноатомного поверхностного слоя металла в своей плоскости, с правильным чередованием областей (8 нм диаметром) с разной ориентировкой оси сжатия. В туннельном микроскопе впервые увидели, как ориентированы лежащие на решетке металла адсорбированные органические молекулы (в согласии с квантовохимическим расчетом), как упорядочен прилегающий к твердому телу (графиту) мономолекулярный слой органической жидкости (образующий двумерный поликристалл - с зерном размером в нанометры) и как границы этих зерен движутся.
Меняя поданное на иглу постоянное напряжение, можно измерить потенциал взаимодействия адсорбированного атома или молекулы с поверхностью образца (а также оторвать атом, перенести его на другое место и положить). Так удалось выложить, как из камушков, надпись из цепочки атомов неона, “выжечь” на графите пунктир из ямок в три атома диаметром и один атом глубиной (и удастся, возможно, когда-то построить “двумерные компоненты” субмикроэлектроники).
Можно и измерять “отточки к точке” распределение потенциала в образце, по которому течет ток, например в островковой моноатомной пленке золота на диэлектрике или в р-n переходе в полупроводнике.
Правда, разрешение “крутых” рельефов ограничено радиусом острия иглы (в узком ущелье толстый щуп “упрется боком”). Амплитуда случайных вибраций иглы должна быть не более 1 пм - “0,3% от диаметра атома”, для чего микроскоп ставят на пневмоподушках на бетонный блок, подвешенный на проволоке к потолку (после чего главным источником вибрации остается турбулентность воздуха около иглы).