Skaningowy mikroskop tunelowy - Polski Serwis Naukowy

Skaningowy mikroskop tunelowy na zestawie do tłumienia drgań.

Obraz zanieczyszczeń Cr na powierzchni Fe(001)

Skaningowy mikroskop tunelowy (STM od ang. Scanning Tunneling Microscope) – rodzaj SPM, mikroskopu ze skanującą sondą (ang. Scanning Probe Microscope) – umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni materiałów przewodzących ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu. Uzyskanie obrazu powierzchni jest możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska tunelowego, od którego przyrząd ten wziął swoją nazwę. W rzeczywistości STM nie rejestruje fizycznej topografii próbki, ale dokonuje pomiaru obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych blisko powierzchni Fermiego. Ten sam skrót używany jest do określenia gałęzi mikroskopii – STM (ang. Scanning Tunneling Microscopy).

Tarcie (pojęcie fizyczne) (opory ruchu) to całość zjawisk fizycznych towarzyszących przemieszczaniu się względem siebie dwóch ciał fizycznych (tarcie zewnętrzne) lub elementów tego samego ciała (tarcie wewnętrzne) i powodujących rozpraszanie energii podczas ruchu.
SPM (ang. Scanning Probe Microscope – mikroskop ze skanującą sondą) to ogólna nazwa całej rodziny mikroskopów, których zasada działania polega na:

Historia wynalezienia

Mikroskop STM został po raz pierwszy skonstruowany przez Gerda Binniga oraz Heinricha Rohrera. Obaj naukowcy pod koniec 1978 roku rozpoczęli badania procesów wzrostu, struktury i własności elektrycznych bardzo cienkich warstw tlenków. Aby móc kontynuować badania w tej dziedzinie potrzebne było urządzenie dające możliwość obserwacji powierzchni w skali ułamków nanometra. Ponieważ do tej pory nie było przyrządów, które by to umożliwiały, Binnig i Rohrer, w 1982 roku skonstruowali swój własny przyrząd – skaningowy mikroskop tunelowy. Obaj naukowcy dokonali swojego wynalazku w Szwajcarii, podczas prac w laboratoriach firmy IBM, mieszczących się w Zurychu, za co w roku 1986 otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W tym samym roku G. Binning, C.F Quate i Ch. Gerber skonstruowali mikroskop sił atomowych (AFM od ang. Atomic Force Microscope).

Komputer (z ang. computer od łac. computare – obliczać, dawne nazwy używane w Polsce: mózg elektronowy, elektroniczna maszyna cyfrowa, maszyna matematyczna) – urządzenie elektroniczne służące do przetwarzania wszelkich informacji, które da się zapisać w formie ciągu cyfr albo sygnału ciągłego.
Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny – zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne odwrotne), a także: na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne proste). Piezoelektryczność występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu. Materiały takie nazywane są piezoelektrykami.

Możliwości STM w zakresie obrazowania zapoczątkowały burzliwy rozwój nowej dziedziny zwanej mikroskopią sond skanujących (inna nazwa to skaningowa mikroskopia bliskich oddziaływań). Skonstruowano różne odmiany mikroskopów STM i AFM spośród których najbardziej znane to: mikroskop sił tarcia (FFM od ang. Friction Force Microscope), mikroskop optyczny bliskiego pola (SNOM lub NSOM od ang. Scanning Near-field Optical Microscope), mikroskop sił magnetycznych (MFM od ang. Magnetic Force Microscope) i mikroskop sił elektrostatycznych (EFM od ang. Electrostatic Force Microscope).

Nanotechnologia – to ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych (od 0,1 do 100 nanometrów), czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek.
Sprzężenie zwrotne (ang. feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ informacji o własnym działaniu (o wartości wyjściowej). Matematycznym, jednoznacznym opisem bloku gałęzi zwrotnej jest transmitancja. Informacja ta może być modyfikowana przez transmitancję bloku gałęzi zwrotnej.

Zasada działania

Nad powierzchnią próbki, która może być wykonana tylko z materiału przewodzącego prąd elektryczny lub być pokryta atomami metalu (tzw. napylanie), umieszczona jest sonda (igła), którą można poruszać w sposób kontrolowany. Ramię trzymające igłę mocowane jest do aparatury poprzez skaner piezoelektryczny, który pod wpływem napięcia elektrycznego, w wyniku zjawiska piezoelektrycznego zmienia w niewielkim stopniu swe wymiary, a tym samym zmienia położenie igły przesuwając ją nad próbką. W innych rozwiązaniach układ piezoelektryczny, porusza próbką, a sama sonda pozostaje nieruchoma. Przemiatanie (skanowanie) kolejnych linii i punktów obrazu próbki odbywa się według z góry zadanego programu.

Mikroskop sił atomowych (ang. atomic force microscope, AFM) – rodzaj mikroskopu ze skanującą sondą (ang. scanning probe microscope, SPM). Umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad lub pod powierzchnią próbki.
Platyna (Pt, łac. platinum) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym, metal szlachetny. Nazwa pochodzi od hiszpańskiego słowa platina, zdrobnienia słowa oznaczającego srebro. Pierwiastek ten był znany w Ameryce jeszcze w czasach prekolumbijskich. Do Europy został sprowadzony w 1750 roku przez Hiszpanów, którzy sądzili, że jest to tylko odmiana srebra. Platyna posiada 36 izotopów z zakresu mas 172-201. W naturalnym składzie izotopowym występują izotopy 190, 192, 194, 195, 196 i 198, z których 194, 195, 196 i 198 są trwałe i stanowią główną część składu.

Konstrukcje mikroskopu i metody działania: W prostszych rozwiązaniach zwanych metodą stałej wysokości (ang. constant height method, CHM) igła porusza się na stałej wysokości nad próbką a aparatura rejestruje wyłącznie zmiany prądu tunelowego. Rozwiązanie to można stosować tylko w przypadku próbek o równej powierzchni. W tym rozwiązaniu jeżeli próbka zawiera wypukłości może dojść do kolizji igły z materiałem, a w wklęsłościach próbki obraz jest słaby a nawet całkowicie zanika. W rozwiniętych konstrukcjach zwanych metodą stałego prądu lub metodą stałej odległości (ang. constant current method, CCM, constant gap width mode, CGM) igła może oddalać się i przybliżać do próbki. Ustalanie odległości igła-próbka jest przeprowadzane przez odpowiednio szybki układ ujemnego sprzężenia zwrotnego w układzie odległość – prąd tunelowy – napięcie sterujące wysokością. Prąd tunelowy, po odfiltrowaniu dużych częstotliwości, jest sygnałem wejściowym układu zapewniającego przepływ stałego prądu tunelowego. W układach tych do obrazowania powierzchni próbki wykorzystuje się wielkość prądu tunelowego oraz napięcie sterujące wysokością igły. Najbardziej rozwiniętą metodą jest spektroskopia mikroskopu skaningowego (ang. scanning tunneling spectroscopy, STS) w mikroskopie tym, dla danego położenia igły, wyznacza się zależność natężenia prądu od przyłożonego napięcia. Metoda ta umożliwia określenie gęstości stanów elektronów w badanej substancji. Działanie tej metody opiera się na teoretycznej prawidłowości mówiącej, że pochodna natężenia prądu tunelowego po napięciu jest proporcjonalna do gęstości stanów elektronów.

Sonda (drut wolframowy lub Pt/Ir o średnicy 0,2–0,5 mm) zawiera na końcu kryształ ustawiony wierzchołkiem w stronę ostrza – dzięki temu zakończeniem sondy jest dokładnie jeden atom. Odległość sondy od powierzchni próbki jest rzędu kilku angstremów (do 1 nm). Przyłożone napięcie pomiędzy sondą a próbką (od ułamków do kilku woltów). Tak małe napięcie nie jest wystarczające do tego by elektron pokonał przyciąganie jonów metalu i oderwał się od ostrza igły, ale dzięki temu, że próbka jest w niewielkiej odległości od ostrza igły elektron przeskakuje przez zabroniony obszar (barierę potencjału) do badanej próbki w wyniku emisji polowej istnienie której tłumaczy się kwantowym zjawiskiem tunelowym, dlatego też nazywany jest prądem tunelowym. Zgodnie z uproszczeniem Kubby'ego, dla bariery potencjału o szerokości d znacznie mniejszej, niż droga zaniku funkcji falowej, prawdopodobieństwo przetunelowania elektronu zależy wykładniczo od szerokości tej bariery. Współczynnik transmisji przybliżony jest jako: $T \sim \frac {16k^2 \zeta^2}{(k^2 + \zeta^2)}e^{-kd}=Ce^{-kd}$ . Zależność ta jest powodem, dla którego rzeczywiste ostrze (przedstawione na rysunku 2) może być stosowane. Przykładowo, dla dodatkowego wierzchołka sondy położonego wyżej powierzchni o 0,1 nm niż główne ostrze, wartość gęstości prądu tunelowania spada praktycznie o rząd wielkości, przez co nie jest rejestrowany.

Nanometr (symbol: nm) – podwielokrotność metra, podstawowej jednostki długości w układzie SI. Jest to jedna miliardowa metra czyli jedna milionowa milimetra. Jeden nanometr równa się zatem 10−9 m. W notacji naukowej można go zapisać jako 1 E-9 m oznaczający 0,000 000 001 × 1 m. Rzadko stosowana jest również stara nazwa milimikron
Heinrich Rohrer (ur. 6 czerwca 1933 w miejscowości Buchs SG) – szwajcarski fizyk, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1986 roku za konstrukcję skaningowego mikroskopu tunelowego.

Rysunek 1: Zasada działania mikroskopu STM.

Elektrony tunelują z ostrza przez powietrze (lub próżnię) do próbki lub odwrotnie w zależności od kierunku przyłożonego napięcia. Wartość prądu tunelowego zależy silnie (wykładniczo) od szerokości bariery potencjału, w tym przypadku jest to odległość ostrza od najbliższych atomów (a nawet powłok atomowych) próbki. Typowe wartości prądu są rzędu 0,1–10 nA a analiza tak małych prądów wymaga dokładnej i niskoszumnej aparatury.

Mikroskopia sił elektrostatycznych (z ang. EFM - Electrostatic Force Microscopy) - tryb pracy mikroskopu typu SPM, obrazuje lokalne rozmieszczenie ładunku elektrycznego, w konsekwencji także pole elektrostatyczne nad próbką. Między sondą a próbką wytwarza się różnicę potencjałów, sonda przesuwa się nad badaną powierzchnią nie dotykając jej. W chwili gdy sonda znajdzie się nad obszarem naładowanym, dźwigienka ugina się, a odbicie od niej pod innym kątem promienia lasera rejestrowane jest przez fotodetektor. EFM stosowane jest np. do próbkowania napięcia układu elektronicznego, najczęściej do testowania aktywnych mikroprocesorów.
Wodorotlenek potasu (potaż żrący, potaż kaustyczny), (wzór KOH) – nieorganiczny związek chemiczny z grupy wodorotlenków, jedna z najsilniejszych zasad.

Komputer analizuje i zapamiętuje mapę prądów tunelowych dla każdego punktu próbki i na tej podstawie tworzony jest później obraz próbki.

W przypadku badania substancji zbudowanych z różnych atomów (nie pierwiastków) wartość prądu zależy od siły wiązania elektronu przez atom (praca wyjścia). Pomiar tego prądu pozwala obrazować strukturę atomową powierzchni próbki. Wartość prądu tunelowego dostarcza informacji o wartości potencjału jaki czuje elektron opuszczający powierzchnię próbki.

Indukcja elektrostatyczna (zwana też influencją elektrostatyczną) - zjawisko fizyczne, sposób elektryzowania ciała w wyniku zbliżenia do niego naelektryzowanego ciała.
Kohezja - ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała fizyczne, poddawane rozdzielaniu na części. Jej miarą jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na części, podzielona przez powierzchnię powstałą na skutek tego rozdzielenia.

Wykonanie sondy do mikroskopu STM wbrew pozorom jest stosunkowo łatwe, znacznie trudniejsze jest wykonanie ostrza do mikroskopu AFM. Najprostszą metodą otrzymania sondy do mikroskopu STM jest ucięcie drutu nożyczkami bądź przecinakiem pod kątem 45° – nożyce i drut wcześniej muszą być oczyszczone. Najczęściej sondy STM otrzymuje się poprzez elektrochemiczne trawienie (np. w 30% roztworze KOH), trawienie odsłania strukturę kryształu, a po selekcji można wybrać odpowiednie ostrze .

Bariera potencjału - ograniczony obszar (zazwyczaj niewielki), w którym energia potencjalna cząstki (punktu materialnego) przyjmuje wartości większe niż w jego otoczeniu.
Tlenki – nieorganiczne związki chemiczne, zbudowane z tlenu i innego pierwiastka chemicznego. Powstają w wyniku reakcji pierwiastków z tlenem (utlenianie, spalanie) oraz rozkładu związków zawierających tlen. Najbardziej rozpowszechnionymi tlenkami są: woda (H2O), krzemionka, czyli piasek (SiO2), dwutlenek węgla (CO2).

Rysunek 2: Skanowanie powierzchni próbki atomowo płaskiej przez sondę STM.

Jednym z największych problemów urządzeń STM i AFM jest czułość na drgania zewnętrzne. Drgania te mają amplitudę rzędu μm, czyli są co najmniej 1000 razy większe niż odległość sondy od powierzchni próbki. Aby nie dochodziło do niekontrolowanych zderzeń sondy z powierzchnią próbki potrzebne są dodatkowe systemy tłumiące drgania. Początkowo był to duży problem dla konstruktorów tych urządzeń, lecz istniejące obecnie systemy antywibracyjne pozwalają działać tym urządzeniom nawet na wyższych piętrach budynków. Źródłami drgań są: ruch samochodowy, kroki czy nawet hałas. Twórcy pierwszego skaningowego mikroskopu tunelowego do wytłumienia drgań wykorzystali zjawisko unoszenia się nadprzewodnika w polu magnetycznym – umieścili swój mikroskop na nadprzewodzącej czaszy ołowianej wypychanej na zewnątrz z niejednorodnego pola magnetycznego.

Histereza – w naukach przyrodniczych, zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej – opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Zjawisko odkrył i nazwał James Alfred Ewing w roku 1890. Termin ten zapożyczony został także przez nauki społeczne.
Zdolność rozdzielcza - w optyce przydatność określonego przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza, tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama. Jednym z kryteriów określania zdolności rozdzielczej jest kryterium Rayleigha.

Zdolność rozdzielcza mikroskopu pozwala dostrzec poszczególne atomy. Wadą mikroskopu STM jest ograniczenie możliwości obserwacji tylko do próbek wykonanych z przewodników. Aby badać materiały nieprzewodzące należy posłużyć się mikroskopem sił atomowych.

Angstrem – jednostka długości równa 10-10 m. Oznaczenie: Å. Nie jest jednostką układu SI. Służy do liczbowego wyrażania wartości bardzo małych długości, porównywalnych z rozmiarami atomów. Często stosowany w chemii i fizyce przy opisywaniu obiektów i zjawisk zachodzących w skali atomowej, gdzie posługiwanie się jednostkami układu SI wymagałoby używania ułamków (1 Å = 0,1 nm) lub liczbami rzędu setek (1 Å = 100 pm). Przykładowo atom wodoru ma promień rzędu 0,5 Å, a długość wiązania H-H w cząsteczkach H2 to nieco więcej niż 1 Å. Jednostka ta używana jest też do oznaczania długości fal promieniowania, np. widzialnego, ultrafioletowego, rentgenowskiego i in.
Gęstość stanów jest funkcją opisującą w mechanice kwantowej na ile sposobów cząstka może posiadać daną energię. Iloczyn ρ(E)dE opisuje liczbę stanów energetycznych w przedziale (E, E+dE).

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)