Scanning-tunnelmikroskopi (STM): Definition, funktion og atomare billeder
Opdag scanning-tunnelmikroskopi (STM): hvordan det virker, atomare billeder, historie, teknikker og anvendelser — lær at se og manipulere individuelle atomer.
Scanning-tunnelmikroskopi (STM) er en måde at se formen af små objekter på. Det kan tage billeder af atomer på en overflade og flytte atomerne til forskellige steder. Det blev opfundet af Gerd Binnig og Heinrich Rohrer i 1981 hos IBM i Zürich. I 1986 fik de Nobelprisen i fysik for at opfinde den.
Hvordan fungerer STM?
STM bygger på princippet om kvantetunnelering: en meget skarp metalspids (tip) bringes tæt på en ledende eller halvledende overflade — typisk med en afstand på få ångstrøm (10^-10 m). Når der påføres en elektrisk spænding mellem spidsen og prøven, kan elektroner tunnellere gennem vakuumbarrieren, og denne tunneleringsstrøm afhænger eksponentielt af afstanden mellem tip og prøve. Dermed kan små bevægelser i afstanden måles som store ændringer i strømmen, hvilket giver ekstrem rumlig opløsning.
De vigtigste komponenter er:
Scannemoduser og måledata
De to mest almindelige måder at indsamle data på er:
Hvad ser STM-billedet egentlig?
STM-billeder viser ikke nødvendigvis atomernes kerneposition direkte, men snarere den lokale elektroniske tæthed af tilgængelige tilstande nær den energi, der er bestemt af den påførte spænding (dvs. tæthed af tilstande ved Fermi-niveauet eller i nærheden). Derfor afhænger billedets udseende både af topografi og elektronstruktur på overfladen.
Spektroskopi og atommanipulation
Udover billeddannelse kan STM udføre scanning tunneling spektroskopi (STS), hvor man måler strøm som funktion af spænding (I–V eller dI/dV). STS giver information om elektroniske energiniveauer og tæthed af tilstande lokalt. STM bruges også til atommanipulation: ved at ændre tip-spænding og afstand kan man skubbe eller "plukke op" individuelle atomer og molekyler og arrangere dem — et berømt eksempel er placeringen af xenonatomer for at stave "IBM" med STM-teknik i slutningen af 1980'erne/1990.
Anvendelser
STM har haft stor betydning inden for:
Begrænsninger og praktiske forhold
STM kræver at prøven er elektrisk ledende eller halvledende; isolerende materialer kan ikke undersøges direkte med almindeligt STM. For at opnå de bedste billeder og stabilitet arbejder man ofte i ultrahøjt vakuum (UHV) og ved lave temperaturer (kryogen), men STM kan også anvendes i luft og i væsker til særlige formål (fx elektrokemi). Endvidere kan billedfortolkning påvirkes af tipets tilstand, vibrationsstøj og elektroniske artefakter.
Betydning
Scanning-tunnelmikroskopi revolutionerede vores måde at se og manipulere materie på atomniveau. Den gav ikke kun hidtil uset billedopløsning, men også redskaber til at undersøge elektroniske egenskaber lokalt og til at konstruere atomare strukturer — derfor blev opfindelsen anerkendt med Nobelprisen i fysik.
Billede af rekonstruktion på en guldoverflade.
Sådan fungerer det
STM kaldes et mikroskop, fordi det tager billeder af bittesmå genstande. Men det er anderledes - det har ikke noget, vi kan se ind i med vores øjne. Det svarer til at føle formen på genstande på et bord i et mørkt rum: man kan tegne et billede af formen, selv om man ikke har set den med øjnene. STM gør dette for meget små genstande. Det fungerer ved at lade en skarp metalnål køre frem og tilbage over en overflade og bruger elektrisk strøm i stedet for kraft til at mærke formen. Når spidsen af den skarpe metalnål føres meget tæt på overfladen af den genstand, der undersøges, får en spænding mellem de to ting elektroner til at strømme gennem mellemrummet mellem dem. Elektronerne krydser dette rum ved en proces, der kaldes kvantetunnling, hvilket giver STM'en sit navn. Denne lille strøm af elektroner strømmer, når spidsen næsten rører overfladen. Strømmen ændrer sig, efterhånden som proben bevæger sig langs overfladen. Denne ændring registreres af en computer, som omdanner den til et billede, som vi kan se.
Overfladen og spidsen skal lede elektroner, så de skal være fremstillet af et metal eller en halvleder. En beslægtet type mikroskop registrerer kraften i stedet for den elektriske strøm. Denne type mikroskop kaldes et atomkraftmikroskop.
STM er svært at udføre, fordi det kræver en meget ren overflade og en meget skarp nålespids. STM'en arbejder normalt i vakuum for at holde luftmolekylerne fra at forstyrre overfladen, men den kan også arbejde i luft eller vand.
Måder, hvorpå den kan lave et billede
Først føres spidsen meget tæt på overfladen af det, der undersøges. Denne afstand er ca. en halv nanometer. Derefter bevæges spidsen meget forsigtigt frem og tilbage hen over overfladen. Den elektriske strøm måles, mens spidsen bevæges frem og tilbage (metoden med konstant højde). STM'en kan også fungere ved at justere spidsen, så tunnelstrømmen forbliver den samme (konstantstrømsmetoden). Det er hurtigere at bruge metoden med konstant højde. Ved at bruge konstantstrømsmetoden undgår man at støde spidsen ind i ting på overfladen, så man kan studere ting, der er mere ujævne.
Flytning af atomer
STM'en kan flytte et atom (eller et molekyle) til et nyt sted på overfladen. For at flytte et atom flyttes spidsen, så den rører ved atomet. Derefter trækker eller skubber spidsen atomet til et nyt sted. Ved at flytte atomer kan forskerne arrangere dem til små objekter, så de kan teste deres egenskaber og afprøve nye idéer.
Dele af STM'en
En STM består af følgende dele: en scanningsspids, noget, der bevæger spidsen, noget, der forhindrer den i at vibrere, og en computer, der styrer spidsen og laver billedet.
Et nærbillede af et simpelt scanningstunnelmikroskophoved på University of St Andrews, der scanner MoS2 ved hjælp af en platin-iridium stylus.
Dele af en STM
Relaterede sider
Litteratur
- Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, s. 805 - 813.
- Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961, s. 57-59.
- Chen, C. J.: Origin of Atomic Resolution on Metal Surfaces in Scanning Tunneling Microscopy, Physical Review Letters 65 (4), 1990, s. 448-451.
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, og E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, og E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
- G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber og E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982)
- R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, bind 15, nummer 9, side 1135-1151, 2004
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er scanning tunneling microscopy?
A: Scanning tunneling microscopy (STM) er en måde at se formen af små objekter på. Det kan lave billeder af atomer på en overflade og flytte atomerne til forskellige steder.
Spørgsmål: Hvem opfandt STM?
A: STM blev opfundet af Gerd Binnig og Heinrich Rohrer i 1981 hos IBM i Zürich.
Spørgsmål: Hvornår opfandt de det?
A: De opfandt det i 1981 hos IBM i Zürich.
Sp: Hvad kan STM gøre?
A: STM kan lave billeder af atomer på en overflade og flytte atomerne til forskellige steder.
Spørgsmål: Vandt de en pris for at opfinde STM?
Svar: Ja, de vandt Nobelprisen i fysik for at opfinde det i 1986.
Spørgsmål: Hvor vandt de denne pris?
A: De vandt Nobelprisen i fysik for at opfinde den i 1986.
Sp: Hvilket år vandt de denne pris?
A: De vandt Nobelprisen i fysik for at opfinde den i 1986.
Søge