Mikroskop terowong ialah alat yang sangat berkuasa untuk mengkaji struktur elektronik sistem keadaan pepejal. Imej topografinya membantu dalam aplikasi teknik analisis permukaan khusus kimia, yang membawa kepada definisi struktur permukaan. Anda boleh mengetahui tentang peranti, fungsi dan maksud serta melihat foto mikroskop terowong dalam artikel ini.
Pencipta
Sebelum penciptaan mikroskop sedemikian, kemungkinan mengkaji struktur atom permukaan terutamanya terhad kepada kaedah pembelauan menggunakan pancaran sinar-x, elektron, ion dan zarah lain. Kejayaan itu datang apabila ahli fizik Switzerland Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer membangunkan mikroskop terowong pertama. Mereka memilih permukaan emas untuk imej pertama mereka. Apabila imej itu dipaparkan pada monitor televisyen, mereka melihat deretan atom yang tersusun tepat dan memerhati teres lebar yang dipisahkan dengan langkah satu atom setinggi. Binnig dan Rohrermenemui kaedah mudah untuk mencipta imej langsung struktur atom permukaan. Pencapaian mengagumkan mereka telah diiktiraf dengan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1986.
Prekursor
Mikroskop serupa yang dipanggil Topografiner telah dicipta oleh Russell Young dan rakan-rakannya antara 1965 dan 1971 di Biro Piawaian Kebangsaan. Ia kini merupakan Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan. Mikroskop ini berfungsi berdasarkan prinsip bahawa pemandu piezo kiri dan kanan mengimbas hujung di atas dan sedikit di atas permukaan sampel. Pemacu pelayan terkawal piezo pusat dikawal oleh sistem pelayan untuk mengekalkan voltan malar. Ini menghasilkan pemisahan menegak kekal antara hujung dan permukaan. Pengganda elektron mengesan sebahagian kecil daripada arus terowong yang terlesap pada permukaan sampel.
Paparan skematik
Perhimpunan Mikroskop Terowong termasuk komponen berikut:
- petua pengimbasan;
- pengawal untuk mengalihkan hujung dari satu koordinat ke koordinat yang lain;
- sistem pengasingan getaran;
- komputer.
Hujungnya selalunya diperbuat daripada tungsten atau platinum-iridium, walaupun emas juga digunakan. Komputer digunakan untuk menambah baik imej melalui pemprosesan imej dan untuk membuat ukuran kuantitatif.
Cara ia berfungsi
Prinsip operasi terowongmikroskop agak rumit. Elektron di bahagian atas hujung tidak terhad kepada kawasan di dalam logam oleh halangan potensi. Mereka bergerak melalui halangan seperti pergerakan mereka dalam logam. Ilusi zarah yang bergerak bebas dicipta. Pada hakikatnya, elektron bergerak dari atom ke atom, melalui halangan berpotensi antara dua tapak atom. Bagi setiap pendekatan ke halangan, kebarangkalian terowong ialah 10:4. Elektron melintasinya pada kelajuan 1013 sesaat. Kadar penghantaran yang tinggi ini bermakna pergerakan adalah besar dan berterusan.
Dengan menggerakkan hujung logam ke atas permukaan untuk jarak yang sangat kecil, bertindih dengan awan atom, pertukaran atom dilakukan. Ini menghasilkan sedikit arus elektrik yang mengalir di antara hujung dan permukaan. Ia boleh diukur. Melalui perubahan yang berterusan ini, mikroskop terowong memberikan maklumat tentang struktur dan topografi permukaan. Berdasarkannya, model tiga dimensi dibina pada skala atom, yang memberikan imej sampel.
Terowong
Apabila hujungnya bergerak menghampiri sampel, jarak antaranya dan permukaan berkurangan kepada nilai yang setanding dengan jurang antara atom bersebelahan dalam kekisi. Elektron terowong boleh bergerak sama ada ke arah mereka atau ke arah atom di hujung probe. Arus dalam probe mengukur ketumpatan elektron pada permukaan sampel, dan maklumat ini dipaparkan pada gambar. Susunan atom berkala jelas kelihatan pada bahan seperti emas, platinum, perak, nikel dan tembaga. vakumterowong elektron dari hujung ke sampel boleh berlaku walaupun persekitarannya bukan vakum, tetapi dipenuhi dengan molekul gas atau cecair.
Pembentukan ketinggian penghalang
Spektroskopi ketinggian halangan setempat memberikan maklumat tentang taburan ruang bagi fungsi kerja permukaan mikroskopik. Imej diperoleh dengan pengukuran titik demi titik perubahan logaritma dalam arus terowong, dengan mengambil kira transformasi menjadi jurang pemisah. Apabila mengukur ketinggian penghalang, jarak antara probe dan sampel dimodulasi secara sinusoid menggunakan voltan AC tambahan. Tempoh modulasi dipilih untuk menjadi lebih pendek daripada pemalar masa gelung maklum balas dalam mikroskop terowong.
Maksud
Mikroskop probe pengimbasan jenis ini telah membolehkan pembangunan nanoteknologi yang mesti memanipulasi objek bersaiz nanometer (lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya kelihatan antara 400 dan 800 nm). Mikroskop terowong jelas menggambarkan mekanik kuantum dengan mengukur kuantum cangkang. Hari ini, bahan bukan kristal amorfus diperhatikan menggunakan mikroskop daya atom.
Contoh silikon
Permukaan silikon telah dikaji dengan lebih meluas berbanding bahan lain. Mereka disediakan dengan memanaskan dalam vakum pada suhu sedemikian sehingga atom dibina semula dalam proses yang ditimbulkan. Pembinaan semula telah dikaji dengan sangat terperinci. Corak kompleks yang terbentuk di permukaan, dikenali sebagai Takayanagi 7 x 7. Atom-atom membentuk pasangan,atau dimer yang sesuai dengan baris yang merentangi keseluruhan kepingan silikon yang sedang dikaji.
Penyelidikan
Penyelidikan tentang prinsip operasi mikroskop terowong membawa kepada kesimpulan bahawa ia boleh berfungsi di atmosfera sekeliling dengan cara yang sama seperti dalam vakum. Ia telah dikendalikan dalam udara, air, cecair penebat dan larutan ionik yang digunakan dalam elektrokimia. Ini lebih mudah daripada peranti vakum tinggi.
Mikroskop terowong boleh disejukkan hingga tolak 269 °C dan dipanaskan hingga ditambah 700 °C. Suhu rendah digunakan untuk mengkaji sifat bahan pengalir super, dan suhu tinggi digunakan untuk mengkaji resapan pantas atom melalui permukaan logam dan kakisannya.
Mikroskop terowong digunakan terutamanya untuk pengimejan, tetapi terdapat banyak kegunaan lain yang telah diterokai. Medan elektrik yang kuat antara probe dan sampel digunakan untuk menggerakkan atom di sepanjang permukaan sampel. Kesan mikroskop terowong dalam pelbagai gas telah dikaji. Dalam satu kajian, voltan ialah empat volt. Medan di hujungnya cukup kuat untuk mengeluarkan atom dari hujung dan meletakkannya di atas substrat. Prosedur ini digunakan dengan probe emas untuk membuat pulau emas kecil pada substrat dengan beberapa ratus atom emas setiap satu. Semasa penyelidikan, mikroskop terowong hibrid telah dicipta. Peranti asal telah disepadukan dengan bipotentiostat.
