Визуални атома наблюдение

След изобретяването на оптичен микроскоп хората на няколко века надникна в отвори пред тях в прекрасния свят: клетка, органели, кристали, огромна молекула. Както оптичните подобрения в светлината в буквалния смисъл на думата се, носеше всички нови детайли.

По времето, когато те са достигнали лимита дифракция на видимата светлина (около 1000-кратно увеличение), хората осъзнаха, че най-интересните и останал: с помощта на оптични устройства, никога няма да бъде в състояние да видите атоми, които имат размер от порядъка на ангстрьома (0.1 на милиардна част от метъра). И ги гледаш много. За да се доближи до целта си помогна на електронен микроскоп. И все пак най-доброто, което можете да се надяваме, е снимки на атома-с точки. Освен това нашата визия е безсилен, и никой микроскоп няма да помогне тук. с изключение на тунела.

Първите стъпки на пипане

В началото на 1980 г., Binnig и Рорер, IBM сътрудник швейцарския клон, направи устройство за лечение на единични атоми на материята. Тя квантов ефект на тунелиране е бил използван, и тя се нарича "сканиращ тунелен микроскоп" (STM).

Идеята е, както следва. Много тънък върха на иглата сонда с дебелина един атом се придвижва по повърхността на обекта на разстояние от порядъка на един нанометър. В съответствие със законите на квантовата механика тунелен ефект настъпва: електроните преодоляване на вакуум бариера между обекта и иглата, и веригата "проба игла" започва да тече ток. Неговата стойност зависи много силно от разстоянието между върха на иглата и повърхността на обект. Толкова много, че дори и с намаляване на интервала само един апгстрьоми ток се увеличава с около един порядък. Ето защо, след текущата стойност, когато се движат на иглата по повърхността, е възможно да учи облекчение - като четенето на книги за слепи написани на брайлово писмо.

На теория идеята UU красиво и просто, но на практика това е изключително трудно. Необходимо е да се елиминира вибрациите, топлинна деформация, като върха на иглата с монохидриран, но все пак може да го премести от субатомно точност. Първите две проблеми могат да бъдат решени чрез vibrorazvyazku и изолирани системи във вакуум от акустичен шум и за проектиране на компоненти, избрани материали с ниски коефициенти на термично разширение. Що се отнася до движението, а след това, за щастие, има piezoengine. Но какво да кажем за иглата? Тя спасявани от факта, че на повърхността на атомно ниво винаги е "груб", и винаги има "мини-остров", издатина. Той е първият, че е "усещане" на повърхността, а токът през съседни атоми в края на иглата ще бъде много по-малък. Проверка на точността на тези аргументи може да бъде само в експериментите, които взеха 27 месеца.

първата инсталация за изпитване е смес от лабораторни упражнения по физика и научна фантастика. Нейната направен въз основа на сушилнята (изсушител), увити огромен брой обикновени тиксо. В този охлаждащата камера горе чиния свръхпроводящ олово левитирани твърда платформа, снабдена с постоянен магнит. Тя била монтирана платформа на три крака с piezoengine проба и притежател игла. Уникалната конструкция на консумираните 20 литра на час на течен хелий. Тя е в този екзотичен устройство след няколко месеца на непрекъсната работа от първите, получили - потвърди експоненциално връзка между тунелиране ток и разстоянието от иглата към пробата. Това е първият и последният в случай на използване на издигане тунелиране микроскопия - STM vibrorazvyazka използва впоследствие при използване на система от пружини или активни елементи с обратна връзка.

В действителност, съмненията на скептиците не са напълно неоснователни. В действителност, въпреки подобни наименования, тунелиране микроскоп, за разлика от обичайните оптични, не в буквалния смисъл на думата е, увеличено изображение на обекта. Изненадващо триизмерно изображение с атомите (!) - само тълкуването на иглата и взаимодействието на повърхността на пробата води графика, показваща как текущите промени с движение на паралела игла на повърхността.

STM има едно значително ограничение: обект на проучване, за да бъде проводим - метал или полупроводников, в противен случай ще има тунел ток. Оказва се, че в микроскоп тунелиране не може да "вижда" всеки изолатор като диамант. Докато усвояване метода на тунели, нова идея: в 1986 биниране предложен вариант на микроскоп, наречен атомна сила. Тя работи по следния начин. В тези разстояния, при която има тунелиране между пробата и иглата започва да действа достатъчно голяма сила. Тя също като ток тунел зависи от размера на междината, и той може да се измерва като се използва, например, еластичността на суспензията - конзолата, на която е фиксирана на иглата. От една страна, тя се отваря огромни перспективи - можете да научите всеки орган, независимо от тяхната проводимост, а от друга - има допълнителни проблеми. Силата на взаимодействие между върха и пробата, за разлика от текущата тунел зависи от разстоянието не е монотонна, но доста сложно: първо, тази привличане, че с намаляване на разстояние, вариращо от около 2 пМ, се заменя със отблъскване. Ето защо, от порядъка на разстояния в които да се работи, е много ограничено, и изискват внимателно изравняване на устройството, в противен случай получената картина ще бъде почти невъзможно да се тълкува.

В общи линии, тунели и атомен микроскоп са много подобни, но те имат една важна разлика - дизайн на иглата. Стрелката на тунели по същество фиксирано много здраво и никога не трябва да докосва повърхността, а в атомна сила - винаги на еластична окачване (конзолни) и дори може да работи в пряк контакт с пробата. За STM-остро от игла, толкова по-добре, и по атомно-силов микроскоп е твърде остър игла ще даде твърде малко сигнал, което е трудно да се открие. В първите конзоли за AFM бяха направени от златно фолио с върха диамант или домакински алуминиево фолио с нажежаема жичка, и след това се премества върху силиций, които са широко използвани досега. Конзолни трептения са записани с пръска върху него малко огледало. Много удобен начин, но не и когато се работи при ниски температури, когато микроскопа се намира във вътрешността на Криостат и да съобразят конзолата с огледало е почти невъзможно. Тук ние открихме, елегантно решение - използва се като камертон конзолно кварц, който определя честотата на който и да е цифров часовник.

При липса на външни влияния като резонатор има добре дефинирана естествена честота. Но ако е имало допълнително сила, например при приближаване на атомите в режим на атомно-силов микроскоп, се променя честотата на колебанията като вериги регистър.

Иглата е на стойност

Най-важният елемент и тунела, и атомен микроскоп сила - игла. Всичко, което е на наше разположение, то е резултат от взаимодействие между пробата и електронните обвивки на атомите иглени атоми. Представете ако сондата образува като две паралелни върха. Те ще проведе тунелиране ток едновременно, както и да се даде сигнал от две точки на разстояние един от друг. В този случай, данните са много трудно да се интерпретират правилно, изображението може да бъде двойно или да е неясна.

Стандартни игли заточване технология - офорт волфрамов проводник в специален електролит. Използва се за тази цел и т.нар йонна изострянето: изгорял тел потока на йони, чукат всички ненужни. За съжаление, опитът показва, че иглата не може да се приготви отново и завинаги. Този компонент микроскоп тунелиране изисква постоянни грижи. Не всички лаборатории могат да си позволят да действат в съответствие с стандартните процедури - гениални учени често използват и сравнително евтини, но не по-малко ефективни начини. Например, платина тел може да хапе нокторезачки или ножове със специален рязане на твърди метални повърхности. Ако имате опит и сръчност се получават доста работеща игла.

По време на работа, разстоянието между върха и пробата е изключително малка, а когато те случайно докосване на пробата може да се повреди, а иглата се влоши. Когато системата е във въздуха, сменете иглата е сравнително лесно, и ако тя е във вакуум? Има няколко възможности: свалите наведнъж целия набор от игли и проби (броя на няколко десетки), специален портал за промяната на иглата (подмяна време - няколко часа), или да определи точно зад микроскопа. Ремонтни игли по различни начини. Определен напрежение се подава и излишните атоми мигрират към върха на иглата или, обратно, се придържат към него, образувайки остър връх. Понякога в близост до пробата вътре микроскоп специално постави метална подложка. Ако влезе в него игла и след това бавно се вземе, има шанс, че иглата е насочена. Този метод е особено популярно за нискотемпературни микроскопи, освен когато е необходимо да се защити вакуум още и студено.

Тунелна микроскопия - уникален метод, главно поради ефекта на тунела не се нуждае от никакви специални условия - или вакуум или ниски температури. Така че това само по себе си тунелиране микроскоп е много компактно устройство и може да бъде с размерите на няколко сантиметра. Необходимо е само да се осигури vibrorazvyazku и електрически измервания схема и стабилизиране на тунел ток, свързани с piezomotor.

Проектиран, например, специален сканиращ тунелен микроскоп, за да учат в рамките на инсталацията "Токамак". Това е доста чист устройство, дори и без изолация вибрации, тъй като иглата е насочена към фиксирано положение на изпитвания обект. Чрез поставянето на такава STM с фиксирана вътре в пробата на работна единица, докато гледате как материалът се разгражда при условията на екстремна температура и радиация. Микроскопът има време да се премине успешно поредица от последователни снимки на повърхността, докато той не стане жертва на непоносими условия.

Но какъвто и да е възможност за тунелиране микроскоп, където става дума за повърхността на проучването не могат да направят без ултраенергийните вакуум. Единственият начин да се гарантира чистотата на обекта в отсъствие на чужди атоми и молекули и да се види как в действителност подредени решетки от различни материали като примеси се появяват в полупроводници или повърхностен слой по време на МВЕ. Размерът на сканираното поле е обикновено малък - от порядъка на 100x100 нм. Следователно, налице е система, в която STM е вградена в етапа на електронен микроскоп първо да се намери точното място на повърхността на обекта, и след това го разгледа по-подробно с субатомно резолюция.

Днес, STM и AFM е станал широко разпространени инструменти за научни изследвания. А нанотехнологиите без тях просто ще убиване на времето - е, как по друг начин, за да видите това, което правите, и най-важното - да се покаже на останалата част от резултатите от тяхната работа? Имаше цяла индустрия, където можете да намерите всичко, от игли и конзоли за сложни изследователски комплекси. Въпреки това, работата с тунелиране микроскоп, както е било преди 20 години, той остава нещата на професионалните физици. За да получите дори и на компанията в продължение на половин милион долара STM изображение на необичаен материал с резолюция от няколко стотни от един ангстрьома, то изисква значителни умения.

Говори И все пак не е имало дискусия.

евристични методи вероятност
Днес има методи, които, макар и малко опит, за да се определи колко е вероятността излъга партньори и приятели, колко уверен може да позволи на връзка между явления, включително и, изглежда, няма нищо общо: евристики вероятност.