Skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM) — aatomite kuvamine ja tööpõhimõte

Skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM) on väga kõrge eraldusvõimega meetod pindade ja aatomite kuvamiseks ning pinnastruktuuride kohalikuks uurimiseks. Meetod töötati välja 1981. aastal ja selle leiutasid Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer IBM Zürichis. Nad said selle leiutamise eest 1986. aastal Nobeli füüsikapreemia. STM-i tavalised eraldusvõimekogused on ligikaudu 0,1 nm külgne eraldusvõime (kui täpselt saab eristada pinnal kõrvalasuvaid tunnuseid) ja ~0,01 nm kõrguslahutus (kui täpselt saab mõõta pindmiste kühmude kõrgust). STM töötab hästi nii vaakumis kui ka õhu või vedelike/gaaside keskkonnas ning paljude tavapäraste temperatuuride juures, kuigi parimaid tulemusi saavutatakse sageli ultra-puhastes ja temperatuuriliselt stabiliseeritud tingimustes.

Tööpõhimõte

STM põhineb kvant-tunneldamisel. Kui väga terav metallist sond (tipp) viiakse äärmiselt lähedale metallist või pooljuhtpinnale, võib nende kahe vahel olevast kitsast vaakumi- või õhuruumist läbi pääseda elektronide kvanttunnelduv vool. Selle tunneldusvoolu tugevus sõltub väga tugevalt tipu ja pinna vahekaugusest — ligikaudu eksponentsiaalselt — mistõttu väikseima kõrguse muutuse korral muutub vool märgatavalt. Pildi konstrueerimiseks mõõdetakse seda tunneldusvoolu või hoitakse voolu konstantsena ja registreeritakse tipukõrguse muutusi, kui sond üle pinna liigub. Voolu kirjeldamisel mainitakse ka pinget: kui tipu ja pinna vahel rakendada pinge, võivad elektronidel läbi vaakumi voolata.

Töörežiimid ja täiendavad mõõtmised

Konstandse voolu (constant current) režiim: instrument reguleerib tipu kõrgust nii, et tunneldusvool jääb etteantud väärtuseks. Tipu kõrguse muutused annavad topograafilise pildi pinna struktuurist.
Konstandse kõrguse (constant height) režiim: tipp hoitakse fikseeritud kõrgusel ja mõõdetakse vooluvariatsioone. See režiim on kiirem ja sobib siledate pindade puhul, kuid riskib tipu ja pinna kokkupuutega ebaühtlaste pindade korral.
Skaneeriv tunnelspektroskoopia (STS): mõõdetakse voolu-pinge suhet kohaliku elektronilise oleku tiheduse uurimiseks; see annab info piirkondade energiatasetest ja elektronseisunditest.

Tipu ja proovi valmistus

Tipud valmistatakse tavaliselt tinasulamata titaanist, volframist või plaatina-iriidum segust ning neid teritatakse ja töödeldakse, et saavutada väga väike raadius (ideaaljuhul ühe aatomi teravus). Pinna ettevalmistus on sageli kriitiline: pinnad puhastatakse, lõigatakse või prepareeritakse in situ ultra-puhas tingimustes (nt ultra-puha vaakum) ning mõnikord katlakihi, oksüdeerumise või saaste vältimiseks jahutatakse või töödeldakse keemiliselt.

Rakendused ja saavutused

STM võimaldas esimest korda "näha" üksikuid aatomeid ja pinnastruktuure atomaarse lahutusega, mis on toonud suuri edusamme pindade keemias, katalüüsis ja materjaliuuringutes.
STM-i abil on võimalik üksikute aatomite mehaaniline liigutamine ja konstrueerimine — kuulsaim näide on IBM-i logo kirjutamine üksikutest Xe aatomitest.
Skaneeriv tunnelspektroskoopia annab teavet kohaliku elektronseisundi ja naaberküllastuse kohta, mis on oluline pooljuhtide ja madalatemperatuurse füüsika uurimisel.

Põhilised piirangud ja praktilised väljakutsed

Väga kõrge tundlikkus: süsteemid peavad olema hästi isoleeritud vibratsioonidest ja temperatuuri muutustest. Termiline drift võib pildi kvaliteeti halvendada.
Tipu puhtus ja stabiilsus: ebasobiv või mittepuhas tipp võib anda moonutatud või eksitavaid signaale; tipu katselised muutused võivad mõjutada mõõtmisi.
Proovi ettevalmistuse keerukus: paljud kõrgresolutsioonilised mõõtmised nõuavad ultra-puha vaakumit (UHV) ja spetsiifilist ettevalmistust, kuigi STM töötab ka gaasikeskkondades ja vedelikes.
Interpreteerimine: STM pildid ei ole otsesed "fotod" aatomitest, vaid kaardistavad tunneldusvoolu, mis sõltub nii topograafiast kui ka kohaliku elektronilise oleku omadustest — piltide tõlgendamiseks on sageli vaja teoreetilist abi.

Praktilised näpunäited

Kui planeerite STM-iga töötamist, pöörake suurt tähelepanu vibratsiooni- ja elektromagnetilise müra vähendamisele ning temperatuuri stabiilsusele.
Tipu ettevalmistust ja puhastust kontrollige regulaarselt; tippu saab sageli parandada kontrollitud põlemise või elektrivoolu abil.
Valige töörežiim vastavalt pinna karedusele: konstandse kõrguse režiim sobib siledate pindade kiireks skaneerimiseks, konstandse voolu režiim keerukamate pinnastruktuuride jaoks.

Kokkuvõttes on STM olnud ja on jätkuvalt võimas tööriist pindade teaduslikuks uurimiseks ning aatommõõtmeliste struktuuride manipuleerimiseks. Selle edu tugineb nii kvantmehaanilisele tunneldusprotsessile kui ka hoolikale eksperimentaalsele kontrollile ja tipu/proovi ettevalmistusele.

Rekonstruktsiooni kujutis kuldpinnal.

Menetlus

Kõigepealt viiakse ots väga lähedale vaadeldavale objektile, umbes 4-7 angströmi kaugusele. Seejärel liigutatakse otsik väga ettevaatlikult üle uuritava asja. Seda voolu muutust liigutamisel saab mõõta (konstantse kõrguse režiim). Samuti saab mõõta tipu kõrgust, kus see on alati sama vooluga (konstantse voolu režiim). Konstantse kõrguse režiimi kasutamine on kiirem.

Instrumentatsioon

STM-i osad on: skaneeriv ots, midagi, mis liigutab otsa, midagi, mis takistab selle vibreerimist, ja arvuti.

STMi osad

Lähivaade lihtsast skaneerivast tunnel-mikroskoobi peast St Andrews'i ülikoolist, mis skaneerib MoSi2, kasutades plaatina-Iridiumi pliiatsit.

Seotud leheküljed

Mikroskoop

Kirjandus

Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunnelmikroskoop, Physical Review B 31, 1985, lk 805 - 813.
Bardeen, J.: Tunneldamine paljude osakeste seisukohast, Physical Review Letters 6 (2), 1961, lk 57-59.
Chen, C. J: Origin of Atomic Resolution on Metal Surfaces in Scanning Tunneling Microscopy, Physical Review Letters 65 (4), 1990, lk 448-451.

G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ja E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ja E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ja E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982).
R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, volume 15, issue 9, pages 1135-1151, 2004

Küsimused ja vastused

Küsimus: Mis on skaneeriv tunnelmikroskoopia?

V: Skaneeriv tunnelmikroskoopia (STM) on viis pisikeste objektide kuju vaatlemiseks. Sellega saab teha pilte aatomitest pinnal ja liigutada aatomeid erinevatesse kohtadesse.

K: Kes leiutas STMi?

V: STMi leiutasid Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer 1981. aastal Zürichis IBMi juures.

K: Millal nad selle leiutasid?

V: Nad leiutasid selle 1981. aastal IBMi juures Zürichis.

K: Mida saab STM teha?

V: STM suudab teha aatomitest pilte pinnal ja liigutada aatomeid erinevatesse kohtadesse.

K: Kas nad võitsid STMi leiutamise eest auhinna?

V: Jah, nad said selle leiutamise eest 1986. aastal Nobeli füüsikaauhinna.

K: Kus nad selle auhinna võitsid?

V: Nad said selle leiutamise eest 1986. aastal Nobeli füüsikaauhinna.

K: Mis aastal nad selle auhinna said?

V: Nad said Nobeli füüsikapreemia selle leiutamise eest 1986. aastal.