Թունելի մանրադիտակը չափազանց հզոր գործիք է պինդ վիճակում գտնվող համակարգերի էլեկտրոնային կառուցվածքն ուսումնասիրելու համար: Նրա տեղագրական պատկերներն օգնում են քիմիական հատուկ մակերևույթի վերլուծության տեխնիկայի կիրառմանը, ինչը հանգեցնում է մակերեսի կառուցվածքային սահմանմանը: Այս հոդվածում կարող եք ծանոթանալ սարքի, գործառույթների և նշանակության մասին, ինչպես նաև տեսնել թունելային մանրադիտակի լուսանկարը:
Ստեղծիչներ
Մինչ նման մանրադիտակի գյուտը մակերևույթների ատոմային կառուցվածքի ուսումնասիրության հնարավորությունները հիմնականում սահմանափակվում էին դիֆրակցիոն եղանակներով՝ օգտագործելով ռենտգենյան ճառագայթների, էլեկտրոնների, իոնների և այլ մասնիկների ճառագայթներ։ Ճեղքումը տեղի ունեցավ, երբ շվեյցարացի ֆիզիկոսներ Գերդ Բինիգը և Հենրիխ Ռորերը ստեղծեցին առաջին թունելային մանրադիտակը: Նրանք իրենց առաջին պատկերի համար ընտրել են ոսկու մակերեսը։ Երբ պատկերը ցուցադրվեց հեռուստացույցի մոնիտորի վրա, նրանք տեսան ճշգրիտ դասավորված ատոմների շարքեր և դիտեցին լայն պատշգամբներ, որոնք բաժանված էին մեկ ատոմ բարձրությամբ աստիճաններով: Բինիգ և Ռոհերհայտնաբերել է մակերեսների ատոմային կառուցվածքի ուղղակի պատկեր ստեղծելու պարզ մեթոդ։ Նրանց տպավորիչ ձեռքբերումը ճանաչվեց ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակով 1986 թվականին։
Նախորդ
Նմանատիպ մանրադիտակ, որը կոչվում է Topografiner, հայտնագործվել է Ռասել Յանգի և նրա գործընկերների կողմից 1965-1971 թվականներին Ստանդարտների ազգային բյուրոյում: Այն ներկայումս Ստանդարտների և տեխնոլոգիաների ազգային ինստիտուտն է: Այս մանրադիտակն աշխատում է այն սկզբունքով, որ ձախ և աջ պիեզո դրայվերները սկանավորում են ծայրը նմուշի մակերեսի վերևում և մի փոքր վերևում: Կենտրոնական պիեզո կառավարվող սերվերի սկավառակը վերահսկվում է սերվերային համակարգի կողմից՝ մշտական լարումը պահպանելու համար: Սա հանգեցնում է ծայրի և մակերեսի միջև մշտական ուղղահայաց բաժանման: Էլեկտրոնների բազմապատկիչը հայտնաբերում է թունելային հոսանքի մի փոքր մասը, որը ցրվում է նմուշի մակերեսին:
Սխեմատիկ տեսք
Թունելի մանրադիտակի հավաքումը ներառում է հետևյալ բաղադրիչները՝
- սկանավորման հուշում;
- կարգավորիչ՝ ծայրը մի կոորդինատից մյուսը տեղափոխելու համար;
- թրթռումային մեկուսացման համակարգ;
- համակարգիչ.
Ծայրիկը հաճախ պատրաստված է վոլֆրամից կամ պլատին-իրիդիումից, թեև օգտագործվում է նաև ոսկի: Համակարգիչը օգտագործվում է պատկերի մշակման միջոցով բարելավելու և քանակական չափումներ կատարելու համար։
Ինչպես է այն աշխատում
Թունելի շահագործման սկզբունքըմանրադիտակը բավականին բարդ է. Ծայրամասի վերևում գտնվող էլեկտրոնները պոտենցիալ պատնեշով չեն սահմանափակվում մետաղի ներսում գտնվող տարածքով: Նրանք շարժվում են խոչընդոտի միջով, ինչպես մետաղի մեջ իրենց շարժումը: Ստեղծվում է ազատ շարժվող մասնիկների պատրանք։ Իրականում էլեկտրոնները շարժվում են ատոմից ատոմ՝ անցնելով պոտենցիալ պատնեշի միջով երկու ատոմային տեղամասերի միջև։ Արգելապատնեշին յուրաքանչյուր մոտեցման դեպքում թունելավորման հավանականությունը 10:4 է: Էլեկտրոնները հատում են այն վայրկյանում 1013 արագությամբ։ Այս փոխանցման բարձր արագությունը նշանակում է, որ շարժումը էական է և շարունակական:
Մետաղի ծայրը մակերեսի վրա շատ փոքր հեռավորության վրա տեղափոխելով՝ ատոմային ամպերի վրա համընկնելով՝ կատարվում է ատոմային փոխանակում։ Սա ստեղծում է փոքր քանակությամբ էլեկտրական հոսանք, որը հոսում է ծայրի և մակերեսի միջև: Այն կարելի է չափել։ Այս շարունակական փոփոխությունների միջոցով թունելային մանրադիտակը տեղեկատվություն է տրամադրում մակերեսի կառուցվածքի և տեղագրության մասին: Դրա հիման վրա ատոմային մասշտաբով կառուցվում է եռաչափ մոդել, որը տալիս է նմուշի պատկերը։
Թունելի
Երբ ծայրը մոտենում է նմուշին, դրա և մակերեսի միջև հեռավորությունը նվազում է մինչև մի արժեք, որը համեմատելի է ցանցի հարակից ատոմների միջև եղած բացվածքի հետ: Թունելի էլեկտրոնը կարող է շարժվել կա՛մ դեպի նրանց, կա՛մ դեպի զոնդի ծայրում գտնվող ատոմը: Զոնդի հոսանքը չափում է էլեկտրոնի խտությունը նմուշի մակերեսին, և այդ տեղեկատվությունը ցուցադրվում է նկարի վրա: Ատոմների պարբերական զանգվածը հստակ տեսանելի է այնպիսի նյութերի վրա, ինչպիսիք են ոսկին, պլատինը, արծաթը, նիկելը և պղինձը: վակուումէլեկտրոնների թունելավորումը ծայրից մինչև նմուշ կարող է տեղի ունենալ, չնայած որ միջավայրը վակուում չէ, այլ լցված է գազով կամ հեղուկ մոլեկուլներով:
Արգելքի բարձրության ձևավորում
Տեղական արգելքի բարձրության սպեկտրոսկոպիան տեղեկատվություն է տրամադրում մանրադիտակային մակերեսի աշխատանքի ֆունկցիայի տարածական բաշխման մասին: Պատկերը ստացվում է թունելի հոսանքի լոգարիթմական փոփոխության կետ առ կետ չափմամբ՝ հաշվի առնելով վերափոխումը բաժանարար բացվածքի։ Արգելքի բարձրությունը չափելիս զոնդի և նմուշի միջև հեռավորությունը մոդուլացվում է սինուսոիդային՝ օգտագործելով լրացուցիչ փոփոխական լարման: Մոդուլյացիայի ժամանակաշրջանն ընտրված է շատ ավելի կարճ, քան թունելային մանրադիտակի հետադարձ կապի ժամանակի հաստատունը:
Իմաստ
Սկանավորող զոնդի մանրադիտակի այս տեսակը հնարավորություն է ընձեռել զարգացնել նանոտեխնոլոգիաներ, որոնք պետք է մանիպուլյացիայի ենթարկեն նանոմետրի չափի օբյեկտները (ավելի փոքր, քան տեսանելի լույսի ալիքի երկարությունը 400-ից մինչև 800 նմ): Թունելային մանրադիտակը հստակ պատկերում է քվանտային մեխանիկա՝ չափելով թաղանթի քվանտը: Այսօր ամորֆ ոչ բյուրեղային նյութերը դիտվում են ատոմային ուժի մանրադիտակի միջոցով:
Սիլիկոնային օրինակ
Սիլիցիումի մակերեսները ուսումնասիրվել են ավելի ընդարձակ, քան ցանկացած այլ նյութ: Դրանք պատրաստվում էին վակուումում տաքացնելով այնպիսի ջերմաստիճանի, որ ատոմները վերակառուցվեցին առաջացած պրոցեսի միջոցով։ Վերակառուցումը շատ մանրամասն ուսումնասիրվել է։ Մակերեւույթի վրա ձևավորվել է բարդ նախշ, որը հայտնի է որպես Takayanagi 7 x 7: Ատոմները ձևավորել են զույգեր,կամ դիմերներ, որոնք տեղավորվում են ուսումնասիրվող սիլիցիումի ամբողջ կտորով տարածվող շարքերում:
Հետազոտություն
Թունելային մանրադիտակի գործառնական սկզբունքի վերաբերյալ հետազոտությունը հանգեց այն եզրակացության, որ այն կարող է աշխատել շրջակա միջավայրում այնպես, ինչպես վակուումում: Այն գործել է օդի, ջրի, մեկուսիչ հեղուկների և էլեկտրաքիմիայի մեջ օգտագործվող իոնային լուծույթների մեջ: Սա շատ ավելի հարմար է, քան բարձր վակուումային սարքերը:
Թունելի մանրադիտակը կարելի է սառեցնել մինչև մինուս 269 °C և տաքացնել մինչև 700 °C: Ցածր ջերմաստիճանը օգտագործվում է գերհաղորդիչ նյութերի հատկությունները ուսումնասիրելու համար, իսկ բարձր ջերմաստիճանը՝ մետաղների մակերևույթի միջով ատոմների արագ տարածումը և դրանց կոռոզիան ուսումնասիրելու համար։
Թունելի մանրադիտակը հիմնականում օգտագործվում է պատկերների համար, սակայն կան բազմաթիվ այլ կիրառումներ, որոնք ուսումնասիրվել են: Զոնդի և նմուշի միջև ուժեղ էլեկտրական դաշտը օգտագործվել է ատոմները նմուշի մակերեսով տեղափոխելու համար: Ուսումնասիրվել է թունելային մանրադիտակի ազդեցությունը տարբեր գազերում։ Մեկ ուսումնասիրության ժամանակ լարումը եղել է չորս վոլտ: Ծայրամասի դաշտը բավականաչափ ուժեղ էր, որպեսզի ատոմները ծայրից հանի և դրանք տեղադրի ենթաշերտի վրա: Այս պրոցեդուրան օգտագործվել է ոսկու զոնդի հետ՝ յուրաքանչյուրը մի քանի հարյուր ոսկու ատոմ ունեցող սուբստրատի վրա փոքրիկ ոսկյա կղզիներ պատրաստելու համար: Հետազոտության ընթացքում հորինվել է հիբրիդային թունելային մանրադիտակ։ Բնօրինակ սարքը ինտեգրված է բիպոտենցիոստատի հետ:
