El microscopi de túnel és una eina extremadament poderosa per estudiar l'estructura electrònica dels sistemes d'estat sòlid. Les seves imatges topogràfiques ajuden a l'aplicació de tècniques d'anàlisi de superfícies específiques de productes químics, donant lloc a una definició estructural de la superfície. Podeu obtenir informació sobre el dispositiu, les funcions i el significat, així com veure una foto d'un microscopi de túnel en aquest article.
Creadors
Abans de la invenció d'aquest microscopi, les possibilitats d'estudiar l'estructura atòmica de les superfícies es limitaven principalment als mètodes de difracció utilitzant feixos de raigs X, electrons, ions i altres partícules. El gran avenç es va produir quan els físics suïssos Gerd Binnig i Heinrich Rohrer van desenvolupar el primer microscopi de túnel. Van triar la superfície d'or per a la seva primera imatge. Quan la imatge es va mostrar en un monitor de televisió, van veure files d'àtoms disposats amb precisió i van observar àmplies terrasses separades per esglaons d'un àtom d'alçada. Binnig i Rohrerva descobrir un mètode senzill per crear una imatge directa de l'estructura atòmica de les superfícies. El seu impressionant èxit va ser reconegut amb el Premi Nobel de Física el 1986.
Precursor
Un microscopi similar anomenat Topografiner va ser inventat per Russell Young i els seus col·legues entre 1965 i 1971 a l'Oficina Nacional de Normes. Actualment és l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia. Aquest microscopi funciona segons el principi que els controladors piezoelèctrics esquerre i dret escanegen la punta per sobre i lleugerament per sobre de la superfície de la mostra. El sistema de servidor controla la unitat central de servidor piezo-controlada per mantenir una tensió constant. Això resulta en una separació vertical permanent entre la punta i la superfície. El multiplicador d'electrons detecta una petita fracció del corrent de túnel que es dissipa a la superfície de la mostra.
Visualització esquemàtica
El conjunt del microscopi de túnel inclou els components següents:
- consell d'escaneig;
- controlador per moure la punta d'una coordenada a una altra;
- sistema d'aïllament de vibracions;
- ordinador.
La punta sovint està feta de tungstè o de platí-iridi, tot i que també s'utilitza or. L'ordinador s'utilitza per millorar la imatge mitjançant el processament d'imatges i per fer mesures quantitatives.
Com funciona
El principi de funcionament del túnelmicroscopi és bastant complicat. Els electrons a la part superior de la punta no es limiten a la regió dins del metall per la barrera de potencial. Es mouen a través de l'obstacle com el seu moviment en metall. Es crea la il·lusió de partícules en moviment lliure. En realitat, els electrons es mouen d'àtom a àtom, passant per una barrera potencial entre dos llocs atòmics. Per a cada aproximació a la barrera, la probabilitat de túnel és de 10:4. Els electrons el travessen a una velocitat de 1013 per segon. Aquesta alta velocitat de transmissió significa que el moviment és substancial i continu.
En moure la punta del metall sobre la superfície durant una distància molt petita, superposant-se als núvols atòmics, es realitza un intercanvi atòmic. Això crea una petita quantitat de corrent elèctric que flueix entre la punta i la superfície. Es pot mesurar. A través d'aquests canvis en curs, el microscopi de túnel proporciona informació sobre l'estructura i la topografia de la superfície. A partir d'ell, es construeix un model tridimensional a escala atòmica, que dóna una imatge de la mostra.
Túneles
Quan la punta es mou a prop de la mostra, la distància entre aquesta i la superfície disminueix fins a un valor comparable a l'espai entre àtoms adjacents a la xarxa. L'electró del túnel es pot moure cap a ells o cap a l'àtom de la punta de la sonda. El corrent de la sonda mesura la densitat d'electrons a la superfície de la mostra i aquesta informació es mostra a la imatge. La matriu periòdica d'àtoms és clarament visible en materials com l'or, el platí, la plata, el níquel i el coure. buitEs pot produir un túnel d'electrons des de la punta fins a la mostra encara que l'entorn no sigui un buit, sinó ple de molècules de gas o líquid.
Formació de l'alçada de la barrera
L'espectroscòpia d'alçada de barrera local proporciona informació sobre la distribució espacial de la funció de treball de la superfície microscòpica. La imatge s'obté mitjançant la mesura punt per punt del canvi logarítmic del corrent del túnel, tenint en compte la transformació en un buit divisori. Quan es mesura l'alçada de la barrera, la distància entre la sonda i la mostra es modula sinusoïdalment utilitzant una tensió CA addicional. Es tria que el període de modulació sigui molt més curt que la constant de temps del bucle de retroalimentació en un microscopi de túnel.
Significat
Aquest tipus de microscopi amb sonda d'escaneig ha permès el desenvolupament de nanotecnologies que han de manipular objectes de mida nanomètrica (menys que la longitud d'ona de la llum visible entre 400 i 800 nm). El microscopi de túnel il·lustra clarament la mecànica quàntica mesurant el quàntic de la closca. Actualment, s'observen materials amorfs no cristal·lins mitjançant la microscòpia de força atòmica.
Exemple de silicona
Les superfícies de silicona s'han estudiat més àmpliament que qualsevol altre material. Es van preparar escalfant al buit a una temperatura tal que els àtoms es van reconstruir en un procés evocat. La reconstrucció ha estat estudiada amb gran detall. Un patró complex format a la superfície, conegut com Takayanagi 7 x 7. Els àtoms formaven parells,o dímers que encaixen en files que s'estenen per tota la peça de silici que s'estudia.
Recerca
La investigació sobre el principi de funcionament d'un microscopi de túnel va portar a la conclusió que pot funcionar a l'atmosfera circumdant de la mateixa manera que al buit. S'ha operat en aire, aigua, líquids aïllants i solucions iòniques utilitzades en electroquímica. Això és molt més convenient que els dispositius de gran buit.
El microscopi de túnel es pot refredar a menys 269 °C i escalfar-se a més 700 °C. La baixa temperatura s'utilitza per estudiar les propietats dels materials superconductors i l' alta temperatura s'utilitza per estudiar la ràpida difusió dels àtoms a través de la superfície dels metalls i la seva corrosió.
El microscopi de túnel s'utilitza principalment per obtenir imatges, però hi ha molts altres usos que s'han explorat. Es va utilitzar un camp elèctric fort entre la sonda i la mostra per moure els àtoms al llarg de la superfície de la mostra. S'ha estudiat l'efecte d'un microscopi tunelador en diversos gasos. En un estudi, la tensió era de quatre volts. El camp a la punta era prou fort per eliminar els àtoms de la punta i col·locar-los al substrat. Aquest procediment es va utilitzar amb una sonda d'or per fer petites illes d'or sobre un substrat amb diversos centenars d'àtoms d'or cadascun. Durant la investigació, es va inventar un microscopi de túnel híbrid. El dispositiu original estava integrat amb un bipotenciòstat.
