Сканиращ тунелен микроскоп, платформа съдържание
Карелски държавен педагогически университет
Сканиращ тунелен микроскоп
Завършен: I. Лукянов
Сканиращ тунелен микроскоп - нов метод за изследване на повърхности на твърди вещества.
Сканиращ тунелен микроскоп - метод за изследване на структурата на изчакване STI твърди вещества позволява ясно това се визуализира на относителното положение на отделните атоми; Тя се основава на ефекта на тунели
тунелиране микроскоп Първият сканиране (STM) е създаден сравнително скоро, през 1982 година. Въпреки това, сега той е намерил приложение в много научни и индустриални лаборатории, както и обхвата на неговата употреба продължава да се развива бързо. Интересът към STM се дължи на уникалната си резолюция, което позволява да се извършват изследвания на атомно ниво. Така че не се изисква висок вакуум за работа на микроскоп. за разлика от други електронни микроскопи вида. Тя може да работи във въздух или дори в течна среда. Прилагане на STM позволява да се разкрие характеристики на кристалната структура на повърхността на различни материали, си грапавост с резолюция нанометър, зародиши модели, наблюдавани по време на растежа на филми, учебни вируси. ДНК молекула, и така нататък. Г.
Принципа на работа на сканиращ тунелен микроскоп
По своята същност, електрона има двете вълни и частици свойства. Поведението му е описан от уравнение решаване на Шрьодингер - вълновата функция квадрат модул, който характеризира плътността на вероятността за намиране на електрона в даден момент в даден момент.
Изчисленията показват, че функциите на вълната на електроните в един атом са различни от нула, и извън сферата, съответните ширини на ефективното напречно сечение на атома (размера на атом). Следователно, когато атома подход вълнови функции на електрони припокриват преди да започне да повлияе значително действието на interatomic отблъскващи сили. Това става възможно да се прехвърля електрони от един атом на друг. Така електрони могат да се обменят между две тела близо един до друг, без контакт, т.е. без механичен контакт.
За да се осигури насочено движение на електрони (електрически ток) между такива органи изисква две условия:
една част на тялото трябва да бъде свободни електрони (проводни електрони), а другата - незапълнени нивата на електрони, които могат да се движат електрони; между органи се изисква да се прилага потенциална разлика, и неговата величина е непропорционално ниско в сравнение с това, изисквано за електрически разряд в разпределението на разликата на въздуха диелектрик между двете тела.
Електрическият ток, генериран при предварително определени условия обяснено тунел ефект и се нарича тунелиране ток.
На практика, в тунели явлението STM се реализира, когато един от проводниците е игла (сонда) 1, а другата - повърхността на обекта 3 (Фигура 1.).
Фиг. 1. Схематично поток тунел ток между сондата и обекта: 1 - сонда; 2 - електронен лъч; 3 - на обект (проба); U - потенциалната разлика между сондата и обекта; IT - тунелиране ток; L - разстоянието между сондата и обекта; F - площ контакт тунел
Проводимост електрони в измервателната глава 1 е необходимо да се получи определена енергия да скочи на проводимост на обекта 3. Размерът на тази енергия зависи от разстоянието между сондата и повърхността на обект L, потенциалната разлика между стойностите на U и F1 електронен работа функция и F2 с повърхността на сондата и повърхността тест обект, съответно.
сканиращ микроскоп тунелиране работи както следва (Фиг. 2).
Фиг. 2. Схема преместване на сондата върху повърхността на обекта
Сондата се подава вертикално (Z ос) към повърхността на пробата, докато ток тунел. След това пробата се премества по повърхността по осите X, Y (сканиране), като се поддържа постоянен ток чрез сонда игла движение перпендикулярно на повърхността. При сканиране сонда остава едно и също разстояние L от повърхността на пробата. Вертикално движение на сондата да се запази разстоянието L директно отразява топографията на повърхността на пробата.
При работа, разстоянието STM между обекта и L0,3 на сондата ... 1 пМ, обаче вероятността за намиране на молекули на въздух между тях е много малък при нормални атмосферни условия, т.е.. Е. тунели ток се среща в "вакуум". Environment засяга само чистотата на повърхността под изследване за определяне на химическия състав на адсорбция слой и окисляването на неговите активни газове от атмосферата.
Затова е важно за практическото прилагане на принципа на STM: за сканиращ тунелен микроскоп не е висок вакуум, необходима за електронни микроскопи, различни видове.
Апаратурата на микроскопа на сканиращ тунелен
Първото устройство е създадена през 1982 г. от членовете на изследвания лаборатория на IBM в Ruschlikon (Швейцария). За създаването на устройството Герд Биниг (Швейцария) и Genrihu Roreru (Германия) през 1986 г. Нобелова награда [1] е възложена.
Схема STM, работещи в режим на постоянен ток, е показана на фиг. 3.
Фиг. 3. блокова схема на сканиращ микроскоп тунелиране: 1 - двигатели за задвижване на сондата по осите X, Y, Z; 2 - мотора да се движи обекта по оста Z; Ux, Uy, Уз - напрежението прилага към двигателя 1; Uz "- силата на тока в двигателя 2; U - потенциалната разлика между сондата и обекта; IT - тунелиране ток
Сондата се премества в хоризонтална равнина на обекта и нормалата към Z чрез три двигателя 1. Задачата се подава към върха на сондата чрез двигателя 2.
Електронни устройства, използвани в STM, традиционни, както и всички спецификата на устройството се дължи основно на дизайна на двигателите, които се движат на сондата и на пробата. Изисквания за STM:.
На първо място, ние трябва да се предвиди възможност за голям обем при висока строгост устройство, което е необходимо за защитата на STM механични вибрации. Поради това, те трябва да имат свои собствени високо честотни механични вибрации, е желателно също така да се гарантира изпълнението.
На второ място, задавани изместване трябва да може да се възпроизведе, и ако е възможно, линейно зависими от управляващото напрежение.
Трето, като се има предвид, че дори termoskompensirovannoy структура локални топлинни източници водят до промяна в посоката (появата на температурен градиент), температура и водят до нарушаване на линейните размери на структурни части на микроскоп, е необходимо да се намали за контрол на мощността сигнали.
Тези изисквания са най-пълно отговарят на пиезокерамични двигателите, с висока ефективност на преобразуване на електрическа енергия в механична (до 40%).
Изисквания към обектите на изследванията
Обектите на изследването са представени в STM две основни изисквания:
о ниска повърхностна грапавост
о добра проводимост материал
V супер висока резолюция (атомен ред, 10-2 пМ);
V способността да постави пробата във вакуум (както в електронни микроскопи), и по обикновен въздух в атм. налягане, което е особено важно за изследване и гел макромолекулни структури (протеини, ДНК, РНК, вируси).
Физика и химия на повърхности на атомно ниво.
А нанометър - проучване с резолюция нанометър грапавост на повърхността на пробата.
Нанотехнология - изследвания, производство и контрол на структурите устройства в микроелектрониката.
Въз основа на STM, по-специално, може да се запише и възпроизвеждане на информация.
Плътността на запис достига до 1012 бита / cm2. За сравнение, плътността на записване на информация на настоящото устройство, което използва магнитен ефект (магнитни дискове), е 107 бита / см2, при лазерно облъчване (компакт диск - CD) - до 109 бита / cm2.
Изследването на биологични обекти - макромолекули (включително ДНК), вируси и други биологични структури.
STM има широки перспективи в областта на науката за материалите - изследване на микро-, под - и кристалните структури на различни материали.
Обхват на сканиращ тунелен микроскоп - това е основно твърда повърхност наука. В първите експерименти, по отношение на които е известно, че тя претърпява реконструкция 1 * 2 проучване на Au (100) повърхност на злато, беше установено, че е възможно да се наблюдава различните етапи на надстройката и едноатомен височина. Това е показателно за микроскоп сканиращ тунелен, няколко ангстрьома, въпреки че се очакваше геометрична разделителна способност от равнината на наблюдение не е повече от 45Å, Този резултат показва, че в ръцете на учените има уникален инструмент - микроскоп сканиращ тунелен, което позволява да се наблюдава на отделни атоми на повърхността.
От своето изобретение, STM е широко използван от учени от различни специалности, които обхващат почти всички природни науки, от фундаменталните научни изследвания в областта на физиката, химията, биологията и технологията за специфични приложения. Принципът на функциониране STM е толкова просто, но потенциалът е толкова голяма, че е невъзможно да се предскаже своето въздействие върху науката и технологиите, дори близко бъдеще.
Както се оказа по-късно, почти всяко взаимодействие с повърхността на една точка на сондата (механични, магнитни ,.) могат да бъдат конвертирани с подходящите инструменти и компютърни програми за повърхността на изображението. В момента има цяло семейство на така наречените сканиращи микроскопи: атомната сила, магнитна сила Near Field - основните характеристики (първа резолюция) са много близки до тези на STM. Например микроскоп атомна сила изисква проби да бъде проводим, и по този начин позволява да се изследват структурни и еластични свойства на проводници и изолатори, както и комбинация от електронни и изобразяване на еластичните свойства на меки материали.