Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — это мощный инструмент, который позволяет исследовать поверхности материалов с атомным разрешением. Вот подробное описание того, как он работает:
Принцип работы:
Квантовое туннелирование:
В основе работы СТМ лежит эффект квантового туннелирования.
Электрон, находящийся рядом с потенциальным барьером (например, промежуток между кончиком зонда и поверхностью образца), может туннелировать через этот барьер с определенной вероятностью.
Волновая функция:
Электрону соответствует волновая функция, которая описывает распределение вероятности нахождения электрона в определенном месте с определенной энергией.
Это распределение зависит от принципа неопределенности Гейзенберга.
Туннельный эффект:
Если электрон находится рядом с потенциальным барьером, существует конечная вероятность, что он может оказаться по другую сторону этого барьера — на поверхности образца.
Это явление называется туннельным эффектом.
Устройство СТМ:
Зонд:
Тонкий зонд, на кончике которого умещаются несколько атомов.
Обычно изготавливается из вольфрама или платины.
Система обратной связи:
Поддерживает заданное значение туннельного тока.
Обеспечивает точное сканирование поверхности.
Пьезоэлементы:
Материалы, которые меняют свой размер в зависимости от проходящего через них тока (и наоборот).
Используются для точного перемещения зонда и отслеживания его положения.
Режимы сканирования:
Режим постоянного тока:
Система обратной связи поддерживает заданное значение туннельного тока.
Топография поверхности воспроизводится на основе последовательности движения зонда.
Режим постоянного расстояния:
Зонд сохраняет заданное расстояние от поверхности.
Микроскоп отслеживает изменения туннельного тока.
Этапы сканирования:
Общий скан:
Сначала делается общий скан площадью порядка 1–1,5 микрон для получения представления о топологии поверхности.
Детальное сканирование:
Затем обследуется участок размером около 100 нм, выбранный на основе предыдущего скана.
Преимущества и возможности:
Атомное разрешение:
СТМ позволяет измерять расстояния между атомами и изучать структуру поверхности с атомным разрешением.
Химический контраст:
Добавление молекул на кончик зонда улучшает разрешение микроскопа и его химический контраст.
Работа при комнатной температуре:
Метод, разработанный Петером Нирмалраджем и его коллегами, позволяет наблюдать поверхности в атомном разрешении при комнатной температуре, что упрощает и ускоряет процесс измерений.
Заключение:
Сканирующий туннельный микроскоп — это мощный инструмент, который позволяет исследовать поверхности материалов с атомным разрешением. Его работа основана на эффекте квантового туннелирования, что позволяет получать точные и детальные изображения поверхностей.
