Pásztázó alagútmikroszkóp

A pásztázó alagútmikroszkóp (scanning tunneling microscope (STM)) olyan műszer, amely felületekről való képalkotást tesz lehetővé atomi felbontásban, illetve alkalmazható az atomok egyedi mozgatására és atomi spektroszkópiára egyaránt. A mikroszkóp az alagúthatás alapján működik.

Története

Az STM-et 1981-ben fejlesztette ki Gerd Binnig és Heinrich Rohrer a zürichi IBM-nél, amiért fizikai Nobel-díjat kaptak 1986-ban.^[1]^[2] Korábban R. Young, J. Ward, és F. Scire a NIST-nél hasonló találmányt alkottak.^[3]

Működése

A mikroszkóp laterális felbontása: 0,1 nm, mélységi felbontása: 0,01 nm.^[4] Ez a felbontás lehetővé teszi egyedi atomok megjelenítését, és azok manipulálását. Az STM nem csak vákuumban használható, hanem levegőn, vízben, vagy más közegben is. A működési hőmérsékleti tartomány közel zéró Kelvintől néhány száz Celsiusig terjedhet.^[5]

Az STM működési alapja az alagúthatás. Amikor egy vezető tűt a vizsgálandó felülethez közelítünk igen közel, nanométer nagyságrendben, a tárgy és a tű között alkalmazott elektromos tér hatására alagúthatás jön létre. A keletkező alagútáram a tű pozíciójának, az alkalmazott feszültségnek és a vizsgálandó minta felületi sűrűségének a függvénye.^[5]

A felületről az információt az alagútáram adja, melyet számítógép értékel ki. A két elektróda között folyó alagútáram függ a minta és a tű távolságától; 0,1 nanométeres távolság változás tízszeres áramváltozást okoz. Ennek alapján igen jó képet lehet alkotni a vizsgálandó felületről. A STM telepítése különleges helyszínt igényel: a vibráció kizárása szükséges, stabil alapon kell a műszert működtetni. Az eredeti műszernél mágneses levitációt alkalmaztak a vibrációk kiküszöbölésére. Újabban speciális mechanikus rugózást vagy gázrugót alkalmaznak.

Két tű alkalmazásával jobb képet lehet alkotni. A tű anyaga általában volfrám, de lehet platina-irídium, vagy arany is.^[6]

A felbontás korlátja a tű görbületének a sugara. Az örvényáramok korlátozása is része a technológiának. Képfeldolgozó szoftverek segítségével tovább lehet növelni a képi hatást, akár 3D-ben is.^[7]^[8] Az STM lehetővé teszi a felületek nanomanipulációját is.

Galéria

Nanomanipuláció STM segítségével
Grafitfelület SEM-képe. Elektronszerkezeti okokból minden második atom kelt világos foltot, így háromszögrács látható

Jegyzetek

↑ G. Binnig, H. Rohrer (1986). „Scanning tunneling microscopy”. IBM Journal of Research and Development 30, 4. o.
↑ Press release for the 1986 Nobel Prize in physics
↑ "The Topografiner: An Instrument for Measuring Surface Microtopography". NIST. http://nvl.nist.gov/pub/nistpubs/sp958-lide/214-218.pdf Archiválva 2010. május 5-i dátummal a Wayback Machine-ben.
↑ C. Bai. Scanning tunneling microscopy and its applications. Springer Verlag (2000). ISBN 3-540-65715-0
↑ ^a ^b C. Julian Chen. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy [archivált változat]. Oxford University Press (1993). ISBN 0-19-507150-6. Hozzáférés ideje: 2013. március 15. [archiválás ideje: 2013. január 23.]
↑ (2005) „STM carbon nanotube tips fabrication for critical dimension measurements”. Sensors and Actuators A: Physical 123-124, 655. o. DOI:10.1016/j.sna.2005.02.036.
↑ R. V. Lapshin (1995). "Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to the scanning tunneling microscope" (PDF). Review of Scientific Instruments 66 (9): 4718–4730. Bibcode 1995RScI...66.4718L. doi:10.1063/1.1145314. http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995. (Russian translation is available).
↑ R. V. Lapshin (2007). "Automatic drift elimination in probe microscope images based on techniques of counter-scanning and topography feature recognition" (PDF). Measurement Science and Technology 18 (3): 907–927. Bibcode 2007MeScT..18..907L. doi:10.1088/0957-0233/18/3/046. http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#automatic2007.

Források

Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961, p. 57-59.
Chen, C. J.: Origin of Atomic Resolution on Metal Surfaces in Scanning Tunneling Microscopy, Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451

További információk

[Binnig-1] G. Binnig, H. Rohrer (1986). „Scanning tunneling microscopy”. IBM Journal of Research and Development 30, 4. o.

[2] Press release for the 1986 Nobel Prize in physics

[3] "The Topografiner: An Instrument for Measuring Surface Microtopography". NIST. http://nvl.nist.gov/pub/nistpubs/sp958-lide/214-218.pdf Archiválva 2010. május 5-i dátummal a Wayback Machine-ben.

[Bai-4] C. Bai. Scanning tunneling microscopy and its applications. Springer Verlag (2000). ISBN 3-540-65715-0

[Chen-5] C. Julian Chen. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy [archivált változat]. Oxford University Press (1993). ISBN 0-19-507150-6. Hozzáférés ideje: 2013. március 15. [archiválás ideje: 2013. január 23.]

[6] (2005) „STM carbon nanotube tips fabrication for critical dimension measurements”. Sensors and Actuators A: Physical 123-124, 655. o. DOI:10.1016/j.sna.2005.02.036.

[7] R. V. Lapshin (1995). "Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to the scanning tunneling microscope" (PDF). Review of Scientific Instruments 66 (9): 4718–4730. Bibcode 1995RScI...66.4718L. doi:10.1063/1.1145314. http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#analytical1995. (Russian translation is available).

[8] R. V. Lapshin (2007). "Automatic drift elimination in probe microscope images based on techniques of counter-scanning and topography feature recognition" (PDF). Measurement Science and Technology 18 (3): 907–927. Bibcode 2007MeScT..18..907L. doi:10.1088/0957-0233/18/3/046. http://www.nanoworld.org/homepages/lapshin/publications.htm#automatic2007.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]