Mikroskop tunneling adalah alat yang sangat ampuh untuk mempelajari struktur elektronik sistem solid-state. Gambar topografinya membantu dalam penerapan teknik analisis permukaan spesifik kimia, yang mengarah ke definisi struktural permukaan. Anda dapat mempelajari tentang perangkat, fungsi dan maknanya, serta melihat foto mikroskop tunneling di artikel ini.
Kreator
Sebelum penemuan mikroskop semacam itu, kemungkinan mempelajari struktur atom permukaan terutama terbatas pada metode difraksi menggunakan berkas sinar-x, elektron, ion, dan partikel lain. Terobosan datang ketika fisikawan Swiss Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer mengembangkan mikroskop terowongan pertama. Mereka memilih permukaan emas untuk gambar pertama mereka. Ketika gambar itu ditampilkan di monitor televisi, mereka melihat deretan atom yang tersusun dengan tepat dan mengamati teras-teras lebar yang dipisahkan oleh anak tangga setinggi satu atom. Binning dan Rohrermenemukan metode sederhana untuk membuat gambar langsung dari struktur atom permukaan. Prestasi mengesankan mereka diakui dengan Penghargaan Nobel dalam Fisika pada tahun 1986.
Prekursor
Sebuah mikroskop serupa yang disebut Topografiner ditemukan oleh Russell Young dan rekan-rekannya antara tahun 1965 dan 1971 di National Bureau of Standards. Saat ini Institut Nasional Standar dan Teknologi. Mikroskop ini bekerja berdasarkan prinsip bahwa driver piezo kiri dan kanan memindai ujung di atas dan sedikit di atas permukaan sampel. Drive server yang dikontrol piezo pusat dikendalikan oleh sistem server untuk mempertahankan tegangan konstan. Ini menghasilkan pemisahan vertikal permanen antara ujung dan permukaan. Pengganda elektron mendeteksi sebagian kecil dari arus tunneling yang dihamburkan pada permukaan sampel.
Tampilan skema
Perakitan Mikroskop Tunneling mencakup komponen berikut:
- tip pemindaian;
- controller untuk memindahkan ujung dari satu koordinat ke koordinat lain;
- sistem isolasi getaran;
- komputer.
Ujungnya sering terbuat dari tungsten atau platinum-iridium, meskipun emas juga digunakan. Komputer digunakan untuk memperbaiki citra melalui pemrosesan citra dan untuk melakukan pengukuran kuantitatif.
Cara kerjanya
Prinsip pengoperasian terowonganmikroskop cukup rumit. Elektron di bagian atas ujung tidak terbatas pada daerah di dalam logam oleh penghalang potensial. Mereka bergerak melalui rintangan seperti gerakan mereka di logam. Ilusi partikel yang bergerak bebas tercipta. Pada kenyataannya, elektron berpindah dari atom ke atom, melewati penghalang potensial antara dua situs atom. Untuk setiap pendekatan ke penghalang, probabilitas tunneling adalah 10:4. Elektron melintasinya dengan kecepatan 1013 per detik. Tingkat transmisi yang tinggi ini berarti bahwa pergerakannya substansial dan berkelanjutan.
Dengan menggerakkan ujung logam di atas permukaan untuk jarak yang sangat kecil, tumpang tindih dengan awan atom, pertukaran atom dilakukan. Ini menciptakan sejumlah kecil arus listrik yang mengalir antara ujung dan permukaan. Itu bisa diukur. Melalui perubahan yang sedang berlangsung ini, mikroskop tunneling memberikan informasi tentang struktur dan topografi permukaan. Berdasarkan itu, model tiga dimensi dibangun pada skala atom, yang memberikan gambar sampel.
Terowongan
Ketika ujung bergerak mendekati sampel, jarak antara ujungnya dan permukaan berkurang ke nilai yang sebanding dengan jarak antara atom yang berdekatan dalam kisi. Elektron terowongan dapat bergerak baik ke arah mereka atau ke arah atom di ujung probe. Arus dalam probe mengukur kerapatan elektron pada permukaan sampel, dan informasi ini ditampilkan pada gambar. Susunan periodik atom terlihat jelas pada bahan seperti emas, platinum, perak, nikel, dan tembaga. kekosongantunneling elektron dari ujung ke sampel dapat terjadi meskipun lingkungan tidak vakum, tetapi diisi dengan molekul gas atau cair.
Pembentukan ketinggian penghalang
Spektroskopi ketinggian penghalang lokal memberikan informasi tentang distribusi spasial fungsi kerja permukaan mikroskopis. Gambar diperoleh dengan pengukuran titik demi titik dari perubahan logaritmik dalam arus terowongan, dengan mempertimbangkan transformasi menjadi celah pemisah. Saat mengukur ketinggian penghalang, jarak antara probe dan sampel dimodulasi secara sinusoidal menggunakan tegangan AC tambahan. Periode modulasi dipilih jauh lebih pendek daripada konstanta waktu loop umpan balik dalam mikroskop tunneling.
Arti
Jenis mikroskop probe pemindaian ini memungkinkan pengembangan teknologi nano yang harus memanipulasi objek berukuran nanometer (lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak antara 400 dan 800 nm). Mikroskop tunneling dengan jelas menggambarkan mekanika kuantum dengan mengukur kuantum cangkang. Saat ini, bahan non-kristal amorf diamati menggunakan mikroskop gaya atom.
Contoh silikon
Permukaan silikon telah dipelajari lebih luas daripada bahan lainnya. Mereka disiapkan dengan memanaskan dalam ruang hampa ke suhu sedemikian rupa sehingga atom-atom direkonstruksi dalam proses yang dibangkitkan. Rekonstruksi telah dipelajari dengan sangat rinci. Pola kompleks terbentuk di permukaan, yang dikenal sebagai Takayanagi 7 x 7. Atom-atom membentuk pasangan,atau dimer yang sesuai dengan barisan memanjang di seluruh bagian silikon yang diteliti.
Penelitian
Penelitian tentang prinsip pengoperasian mikroskop terowongan menghasilkan kesimpulan bahwa mikroskop ini dapat bekerja di atmosfer sekitarnya dengan cara yang sama seperti di ruang hampa. Telah dioperasikan di udara, air, cairan isolasi dan larutan ionik yang digunakan dalam elektrokimia. Ini jauh lebih nyaman daripada perangkat vakum tinggi.
Mikroskop tunneling dapat didinginkan hingga minus 269 °C dan dipanaskan hingga ditambah 700 °C. Suhu rendah digunakan untuk mempelajari sifat bahan superkonduktor, dan suhu tinggi digunakan untuk mempelajari difusi cepat atom melalui permukaan logam dan korosinya.
Mikroskop tunneling digunakan terutama untuk pencitraan, tetapi ada banyak kegunaan lain yang telah dieksplorasi. Medan listrik yang kuat antara probe dan sampel digunakan untuk menggerakkan atom di sepanjang permukaan sampel. Pengaruh mikroskop tunneling di berbagai gas telah dipelajari. Dalam sebuah penelitian, tegangannya empat volt. Medan di ujung cukup kuat untuk menghilangkan atom dari ujung dan menempatkannya di substrat. Prosedur ini digunakan dengan probe emas untuk membuat pulau emas kecil pada substrat dengan beberapa ratus atom emas masing-masing. Selama penelitian, mikroskop tunneling hibrida ditemukan. Perangkat asli terintegrasi dengan bipotentiostat.
