Scanning-tunnelmikroskopi (STM): Definition, funktion og atomare billeder

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.

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.

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.

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.

• Atomisk kraftmikroskop
• Mikroskop

• 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