Ang tunneling microscope ay isang napakalakas na tool para sa pag-aaral ng electronic structure ng solid-state system. Nakakatulong ang mga topograpikal na larawan nito sa paggamit ng mga diskarte sa pagsusuri sa ibabaw na partikular sa kemikal, na humahantong sa isang structural na kahulugan ng ibabaw. Maaari mong matutunan ang tungkol sa device, mga function at kahulugan, pati na rin makita ang isang larawan ng isang tunneling microscope sa artikulong ito.
Mga Tagalikha
Bago ang pag-imbento ng naturang mikroskopyo, ang mga posibilidad ng pag-aaral ng atomic na istraktura ng mga ibabaw ay pangunahing limitado sa mga pamamaraan ng diffraction gamit ang mga beam ng x-ray, electron, ions at iba pang mga particle. Ang tagumpay ay dumating nang ang Swiss physicist na sina Gerd Binnig at Heinrich Rohrer ay bumuo ng unang tunneling microscope. Pinili nila ang ibabaw ng ginto para sa kanilang unang imahe. Nang ang imahe ay ipinakita sa isang monitor sa telebisyon, nakakita sila ng mga hilera ng tumpak na nakaayos na mga atom at napagmasdan ang malalawak na terrace na pinaghihiwalay ng mga hakbang na isang atom ang taas. Binnig at Rohrernakatuklas ng isang simpleng paraan para sa paglikha ng isang direktang imahe ng atomic na istraktura ng mga ibabaw. Ang kanilang kahanga-hangang tagumpay ay kinilala sa Nobel Prize sa Physics noong 1986.
Precursor
Ang isang katulad na mikroskopyo na tinatawag na Topografiner ay naimbento ni Russell Young at ng kanyang mga kasamahan sa pagitan ng 1965 at 1971 sa National Bureau of Standards. Ito ay kasalukuyang National Institute of Standards and Technology. Gumagana ang mikroskopyo na ito sa prinsipyo na ini-scan ng kaliwa at kanang piezo driver ang tip sa itaas at bahagyang nasa itaas ng sample surface. Ang sentral na piezo-controlled na server drive ay kinokontrol ng server system upang mapanatili ang isang pare-parehong boltahe. Nagreresulta ito sa isang permanenteng patayong paghihiwalay sa pagitan ng dulo at ibabaw. Nakikita ng electron multiplier ang maliit na bahagi ng tunneling current na nawawala sa ibabaw ng sample.
Pagtingin sa eskematiko
Ang Tunneling Microscope Assembly ay kinabibilangan ng mga sumusunod na bahagi:
- tip sa pag-scan;
- controller upang ilipat ang tip mula sa isang coordinate patungo sa isa pa;
- vibration isolation system;
- computer.
Ang dulo ay kadalasang gawa sa tungsten o platinum-iridium, bagama't ginto din ang ginagamit. Ginagamit ang computer upang pahusayin ang larawan sa pamamagitan ng pagpoproseso ng imahe at para gumawa ng mga quantitative measurements.
Paano ito gumagana
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng tunnelAng mikroskopyo ay medyo kumplikado. Ang mga electron sa tuktok ng dulo ay hindi limitado sa rehiyon sa loob ng metal sa pamamagitan ng potensyal na hadlang. Gumagalaw sila sa balakid tulad ng kanilang paggalaw sa metal. Ang ilusyon ng malayang gumagalaw na mga particle ay nilikha. Sa katotohanan, ang mga electron ay lumipat mula sa atom patungo sa atom, na dumadaan sa isang potensyal na hadlang sa pagitan ng dalawang atomic site. Para sa bawat diskarte sa hadlang, ang posibilidad ng tunneling ay 10:4. Tinatawid ito ng mga electron sa bilis na 1013 bawat segundo. Ang mataas na transmission rate na ito ay nangangahulugan na ang paggalaw ay malaki at tuluy-tuloy.
Sa pamamagitan ng paglipat ng dulo ng metal sa ibabaw para sa napakaliit na distansya, na nagpapatong sa mga atomic na ulap, isang atomic exchange ang isinasagawa. Lumilikha ito ng maliit na dami ng kuryenteng dumadaloy sa pagitan ng dulo at ng ibabaw. Maaari itong masukat. Sa pamamagitan ng mga patuloy na pagbabagong ito, ang tunneling microscope ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa istraktura at topograpiya ng ibabaw. Batay dito, ang isang three-dimensional na modelo ay binuo sa isang atomic scale, na nagbibigay ng larawan ng sample.
Tunneling
Kapag ang dulo ay gumagalaw malapit sa sample, ang distansya sa pagitan nito at ng ibabaw ay bababa sa isang halaga na maihahambing sa agwat sa pagitan ng mga katabing atomo sa sala-sala. Ang tunnel electron ay maaaring lumipat sa alinman sa kanila o patungo sa atom sa dulo ng probe. Ang kasalukuyang nasa probe ay sumusukat sa density ng elektron sa ibabaw ng sample, at ang impormasyong ito ay ipinapakita sa larawan. Ang pana-panahong hanay ng mga atom ay malinaw na nakikita sa mga materyales tulad ng ginto, platinum, pilak, nikel at tanso. vacuumAng pag-tunnel ng mga electron mula sa dulo hanggang sa sample ay maaaring mangyari kahit na ang kapaligiran ay hindi vacuum, ngunit puno ng mga molekula ng gas o likido.
Pagbuo ng taas ng hadlang
Local barrier height spectroscopy ay nagbibigay ng impormasyon sa spatial distribution ng microscopic surface work function. Ang imahe ay nakuha sa pamamagitan ng point-by-point na pagsukat ng logarithmic na pagbabago sa kasalukuyang tunnel, na isinasaalang-alang ang pagbabagong-anyo sa isang naghahati na puwang. Kapag sinusukat ang taas ng hadlang, ang distansya sa pagitan ng probe at ang sample ay sinusoidally na modulated gamit ang karagdagang AC boltahe. Pinipili ang modulation period na maging mas maikli kaysa sa feedback loop time constant sa isang tunneling microscope.
Kahulugan
Ang ganitong uri ng scanning probe microscope ay nagbigay-daan sa pagbuo ng mga nanotechnologies na dapat manipulahin ang mga bagay na may sukat na nanometer (mas maliit kaysa sa wavelength ng nakikitang liwanag sa pagitan ng 400 at 800 nm). Ang tunneling microscope ay malinaw na naglalarawan ng quantum mechanics sa pamamagitan ng pagsukat ng shell quantum. Sa ngayon, ang mga amorphous na non-crystalline na materyales ay inoobserbahan gamit ang atomic force microscopy.
Halimbawa ng Silicon
Silicon surface ay pinag-aralan nang mas malawak kaysa sa anumang iba pang materyal. Ang mga ito ay inihanda sa pamamagitan ng pagpainit sa vacuum sa ganoong temperatura na ang mga atomo ay muling itinayo sa isang evoked na proseso. Ang muling pagtatayo ay pinag-aralan nang detalyado. Isang kumplikadong pattern na nabuo sa ibabaw, na kilala bilang Takayanagi 7 x 7. Ang mga atom ay nabuo nang magkapares,o mga dimer na kasya sa mga row na umaabot sa buong piraso ng silicon na pinag-aaralan.
Pananaliksik
Ang pananaliksik sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang tunneling microscope ay humantong sa konklusyon na maaari itong gumana sa nakapaligid na kapaligiran sa parehong paraan tulad ng sa isang vacuum. Ito ay pinatatakbo sa hangin, tubig, insulating liquid at ionic solution na ginagamit sa electrochemistry. Ito ay mas maginhawa kaysa sa mga high vacuum device.
Ang tunneling microscope ay maaaring palamigin hanggang minus 269 °C at painitin hanggang 700 °C. Ang mababang temperatura ay ginagamit upang pag-aralan ang mga katangian ng mga superconducting na materyales, at ang mataas na temperatura ay ginagamit upang pag-aralan ang mabilis na pagsasabog ng mga atomo sa ibabaw ng mga metal at ang kanilang kaagnasan.
Ang tunneling microscope ay pangunahing ginagamit para sa imaging, ngunit marami pang ibang gamit na na-explore. Ang isang malakas na electric field sa pagitan ng probe at ang sample ay ginamit upang ilipat ang mga atom sa ibabaw ng sample. Ang epekto ng isang tunneling microscope sa iba't ibang mga gas ay pinag-aralan. Sa isang pag-aaral, ang boltahe ay apat na volts. Ang patlang sa dulo ay sapat na malakas upang alisin ang mga atomo mula sa dulo at ilagay ang mga ito sa substrate. Ang pamamaraang ito ay ginamit sa isang gintong probe upang gumawa ng maliliit na gintong isla sa isang substrate na may ilang daang gintong atomo bawat isa. Sa panahon ng pananaliksik, isang hybrid tunneling microscope ang naimbento. Ang orihinal na device ay isinama sa isang bipotentiostat.
