Kính hiển vi đường hầm là một công cụ cực kỳ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc điện tử của các hệ thống trạng thái rắn. Hình ảnh địa hình của nó hỗ trợ trong việc áp dụng các kỹ thuật phân tích bề mặt cụ thể về mặt hóa học, dẫn đến định nghĩa cấu trúc của bề mặt. Bạn có thể tìm hiểu về thiết bị, chức năng và ý nghĩa cũng như xem ảnh chụp kính hiển vi đào đường hầm trong bài viết này.
Người sáng tạo
Trước khi phát minh ra kính hiển vi như vậy, khả năng nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của các bề mặt chủ yếu chỉ giới hạn trong các phương pháp nhiễu xạ sử dụng chùm tia X, electron, ion và các hạt khác. Bước đột phá đến khi các nhà vật lý Thụy Sĩ Gerd Binnig và Heinrich Rohrer phát triển kính hiển vi đào đường hầm đầu tiên. Họ đã chọn bề mặt của vàng cho hình ảnh đầu tiên của họ. Khi hình ảnh được hiển thị trên màn hình tivi, họ nhìn thấy các hàng nguyên tử được sắp xếp chính xác và quan sát thấy những bậc thang rộng cách nhau từng bậc cao một nguyên tử. Binnig và Rohrerđã khám phá ra một phương pháp đơn giản để tạo ra hình ảnh trực tiếp về cấu trúc nguyên tử của các bề mặt. Thành tích ấn tượng của họ đã được công nhận với giải Nobel Vật lý năm 1986.
Tiền thân
Một kính hiển vi tương tự được gọi là Topografiner được phát minh bởi Russell Young và các đồng nghiệp của ông từ năm 1965 đến năm 1971 tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia. Nó hiện là Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia. Kính hiển vi này hoạt động dựa trên nguyên tắc các trình điều khiển piezo trái và phải quét đầu nhọn ở trên và cao hơn một chút so với bề mặt mẫu. Ổ đĩa máy chủ điều khiển piezo trung tâm được điều khiển bởi hệ thống máy chủ để duy trì điện áp không đổi. Điều này dẫn đến sự phân cách thẳng đứng vĩnh viễn giữa đầu và bề mặt. Hệ số nhân điện tử phát hiện một phần nhỏ của dòng điện trong đường hầm bị tiêu tán trên bề mặt của mẫu.
Xem sơ đồ
Bộ phận lắp ráp kính hiển vi trong đường hầm bao gồm các thành phần sau:
- mẹo quét;
- bộ điều khiển để di chuyển mũi từ tọa độ này sang tọa độ khác;
- hệ thống cách ly rung động;
- máy tính.
Đầu nhọn thường được làm bằng vonfram hoặc platin-iridi, mặc dù vàng cũng được sử dụng. Máy tính được sử dụng để cải thiện hình ảnh thông qua xử lý hình ảnh và thực hiện các phép đo định lượng.
Cách thức hoạt động
Nguyên lý hoạt động của đường hầmkính hiển vi khá phức tạp. Các điện tử ở đầu đỉnh không bị giới hạn trong vùng bên trong kim loại bởi hàng rào thế năng. Chúng di chuyển qua chướng ngại vật giống như chuyển động của chúng trong kim loại. Ảo ảnh về các hạt chuyển động tự do được tạo ra. Trong thực tế, các electron di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, đi qua hàng rào thế năng giữa hai vị trí nguyên tử. Đối với mỗi lần tiếp cận hàng rào, xác suất đào được đường hầm là 10: 4. Các electron vượt qua nó với tốc độ 1013 / giây. Tốc độ truyền cao này có nghĩa là chuyển động là đáng kể và liên tục.
Bằng cách di chuyển đầu kim loại trên bề mặt trong một khoảng cách rất nhỏ, chồng lên các đám mây nguyên tử, một quá trình trao đổi nguyên tử được thực hiện. Điều này tạo ra một lượng nhỏ dòng điện chạy giữa đầu mút và bề mặt. Nó có thể được đo lường. Thông qua những thay đổi liên tục này, kính hiển vi đường hầm cung cấp thông tin về cấu trúc và địa hình của bề mặt. Dựa trên nó, một mô hình ba chiều được xây dựng trên quy mô nguyên tử, mang lại hình ảnh về mẫu.
Hầm
Khi đầu mút di chuyển đến gần mẫu, khoảng cách giữa nó và bề mặt giảm đến một giá trị có thể so sánh với khoảng cách giữa các nguyên tử liền kề trong mạng tinh thể. Electron đường hầm có thể di chuyển về phía chúng hoặc về phía nguyên tử ở đầu của tàu thăm dò. Dòng điện trong đầu dò đo mật độ electron trên bề mặt của mẫu và thông tin này được hiển thị trên hình. Dãy tuần hoàn của các nguyên tử có thể nhìn thấy rõ ràng trên các vật liệu như vàng, bạch kim, bạc, niken và đồng. máy hút bụiSự đào hầm của các electron từ đầu mút tới mẫu có thể xảy ra ngay cả khi môi trường không phải là chân không mà chứa đầy các phân tử khí hoặc chất lỏng.
Hình thành chiều cao rào chắn
Quang phổ độ cao rào cản cục bộ cung cấp thông tin về sự phân bố trong không gian của chức năng làm việc bề mặt vi mô. Hình ảnh thu được bằng cách đo từng điểm về sự thay đổi logarit của dòng điện trong đường hầm, có tính đến sự biến đổi thành một khoảng cách phân chia. Khi đo chiều cao của tấm chắn, khoảng cách giữa đầu dò và mẫu được điều chế theo hình sin bằng cách sử dụng điện áp xoay chiều bổ sung. Khoảng thời gian điều chế được chọn ngắn hơn nhiều so với hằng số thời gian của vòng phản hồi trong kính hiển vi tạo đường hầm.
Có nghĩa là
Loại kính hiển vi thăm dò quét này đã cho phép phát triển công nghệ nano có thể thao tác các vật thể có kích thước nanomet (nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy từ 400 đến 800 nm). Kính hiển vi đường hầm minh họa rõ ràng cơ học lượng tử bằng cách đo lượng tử vỏ. Ngày nay, các vật liệu phi tinh thể vô định hình được quan sát bằng kính hiển vi lực nguyên tử.
Ví dụ về silicon
Bề mặtsilicon đã được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn bất kỳ vật liệu nào khác. Chúng được điều chế bằng cách nung nóng trong chân không đến nhiệt độ đến mức các nguyên tử được tái tạo lại trong một quá trình gợi mở. Việc tái tạo đã được nghiên cứu rất chi tiết. Một mô hình phức tạp được hình thành trên bề mặt, được gọi là Takayanagi 7 x 7. Các nguyên tử hình thành các cặp,hoặc bộ nhúng phù hợp thành hàng kéo dài trên toàn bộ miếng silicon đang được nghiên cứu.
Nghiên cứu
Nghiên cứu về nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi đào đường hầm đã dẫn đến kết luận rằng nó có thể hoạt động trong bầu khí quyển xung quanh giống như trong chân không. Nó đã được hoạt động trong không khí, nước, chất lỏng cách điện và các dung dịch ion được sử dụng trong điện hóa học. Điều này thuận tiện hơn nhiều so với các thiết bị chân không cao.
Kính hiển vi đào hầm có thể được làm lạnh đến âm 269 ° C và làm nóng lên đến hơn 700 ° C. Nhiệt độ thấp được sử dụng để nghiên cứu các tính chất của vật liệu siêu dẫn và nhiệt độ cao được sử dụng để nghiên cứu sự khuếch tán nhanh chóng của các nguyên tử qua bề mặt kim loại và sự ăn mòn của chúng.
Kính hiển vi đường hầm được sử dụng chủ yếu để chụp ảnh, nhưng còn rất nhiều công dụng khác đã được khám phá. Một điện trường mạnh giữa đầu dò và mẫu được sử dụng để di chuyển các nguyên tử dọc theo bề mặt của mẫu. Tác dụng của kính hiển vi tạo đường hầm trong các loại khí khác nhau đã được nghiên cứu. Trong một nghiên cứu, hiệu điện thế là 4 vôn. Trường ở đầu đủ mạnh để loại bỏ các nguyên tử khỏi đầu và đặt chúng trên chất nền. Quy trình này được sử dụng với một đầu dò vàng để tạo ra các đảo vàng nhỏ trên chất nền với vài trăm nguyên tử vàng mỗi đảo. Trong quá trình nghiên cứu, một kính hiển vi lai tạo đường hầm đã được phát minh. Thiết bị ban đầu được tích hợp với một máy đo tốc độ sinh học.
