Představte si svět, kde můžete vidět jednotlivé atomy. Ne jako rozmazané skvrny, ale jako jasně viditelné fyzické objekty seřazené v řadách. To není sci-fi. Toto je výsledek skenovacího tunelového mikroskopu (STM), zařízení, které proměnilo kvantovou mechaniku v praktický zobrazovací nástroj.
STM funguje jinak než váš kuchyňský mikroskop. Neodráží světlo od povrchu. Místo toho se spoléhá na podivnou vlastnost kvantové fyziky zvanou tunelování. Elektrony, které jsou normálně uvězněny uvnitř pevné látky, mohou někdy “tunelovat” prázdným prostorem. Dělají to tak, že se chovají jako vlny. Ale je tu jedna podmínka. Pravděpodobnost, že elektron udělá takový skok, se s rostoucí vzdáleností exponenciálně snižuje.
Díky tomu je STM neuvěřitelně citlivý na vzdálenost.
Systém funguje takto: wolframový hrot, naostřený na jeden atom na hrotu, se vznáší jen několik angstromů nad vzorkem. Drobné napětí spojuje hrot s povrchem. Elektrony přeskakují mezeru. Sonda snímá terén. Pokud se hladina zvedne, proud se změní. Pokud klesne, proud se posune. Tato data jsou zpracována do topografické mapy. Získáte obrázek atomů.
Tato technologie se objevila v roce 1981. Švýcarští fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vytvořili první funkční model. Nesnažili se získat Nobelovu cenu. Chtěli jednoduše studovat místní vodivost povrchů.
Namířili své zařízení na zlato.
Když se obraz objevil na televizní obrazovce, bylo to ohromující. Řady přesně uspořádaných atomů. Široké terasy oddělené schody o výšce přesně jednoho atomu. Našli přímý způsob, jak vizualizovat atomovou strukturu. Tím se otevřela nová éra povrchové vědy. V roce 1986 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku.
Principy fungování
Fyzika dotyku: jak STM vidí neviditelné
Skenovací tunelový mikroskop (STM) dokáže více než jen zvětšovat objekty. Umožňuje vám se jich „dotknout“ elektrony.
Jeho rozlišení umožňuje rozlišit jednotlivé atomy. To není snadný úkol. Jeho princip fungování se však zásadně liší od rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), který je hlavním nástrojem tradičního zobrazování. V SEM jsou elektrony vytahovány z ostrého hrotu řadou kladně nabitých desek dále po dráze. Tyto destičky fungují jako čočka a zaostřují paprsek na vzorek. Tohle je hrubá síla. Elektrostatická přitažlivost překoná bariéru, která drží elektrony uvnitř kovu, a vyletí ven jako volné částice.
STM tyto destičky odstraní. Sundá čočku. V mnoha případech eliminuje potřebu vakua.
Místo vyhazování elektronů umístí STM ostrý hrot několik angstromů od vzorku. Spoléhá na kvantové tunelování.
Tunelování není chyba. Toto je funkce.
Zdá se, že se elektrony v kovech volně pohybují. Je to iluze. Ve skutečnosti skáčou z atomu na atom, tunelují potenciální bariéru mezi místy mřížky. Přibližují se k bariéře rychlostí 10 $^{17} $ jednou za sekundu. Pravděpodobnost tunelování pro každý přístup je $10^{-4}$.
Výsledkem je tok $10^{13}$ elektronů za sekundu. To se děje tak rychle, že se tunelování zdá být nepřetržité. U volně ložených kovů jej lze zanedbat.
Ale v privátním značení to nelze opomenout.
Když je hrot umístěn blízko vzorku, mezera se zmenší na stupnici meziatomové vzdálenosti. Elektron nyní stojí před volbou: může tunelovat k sousednímu atomu v mřížce nebo může tunelovat přímo do hrotové sondy.
Proud tekoucí k tomuto hrotu měří hustotu elektronů na povrchu. Tato data tvoří obraz.
V polovodičích, jako je křemík, hustota elektronů vrcholí blízko atomových pozic. Na obrázku jsou vidět světlé body. Tyto skvrny určují prostorové rozložení atomů.
V kovech, jako je zlato, platina nebo měď, je elektronický náboj rozložen rovnoměrně. Tunelový proud by měl ukazovat ploché, jednotné pozadí. Ale to se neděje. Hrot narušuje elektronovou hustotu. Proud se mírně zvyšuje, když je hrot přímo nad atomem na povrchu. Zviditelní se periodické pole atomů. Interakce je intimní. Mikroskop nejenom pozoruje; se účastní.
Vizualizace atomové mřížky
Mapovali jsme uspořádání jednotlivých atomů na površích zlata, platiny, niklu a mědi. Pozorovali jsme pohyb atomů.
Absorpce kyslíku. Difúze. Epitaxní růst, kdy stříbro roste na zlatě nebo nikl na zlatě. To vše je zdokumentováno v atomových detailech.
Hlavní hvězdou je ale křemík.
Křemíkové povrchy se připravují zahříváním ve vakuu. Teplota je dostatečně vysoká, aby způsobila přeskupení atomů. Jedná se o povrchní rekonstrukci.
Povrch křemíku (111) je rekonstruován do struktury 7×7 Takayanagi. Je to složité a složité. STM měřila polohu, chemickou reaktivitu a elektronovou konfiguraci každého jednotlivého atomového místa v tomto vzoru.
Povrch křemíku (100) je jednodušší. Atomy se spojují za vzniku dimerů. Tyto řady se rozprostírají po celé ploše.
Podmínky prostředí a teplotní extrémy
Vakuové tunelování nevyžaduje vakuum.
Mezera mezi hrotem a vzorkem je malá – asi pět angstromů. Není zde místo pro molekuly. I když je médium naplněno plynem nebo kapalinou, tunelový proud protéká.
STM může pracovat ve vzduchu. Ve vodě. V izolačních kapalinách. V iontových roztocích pro elektrochemii.
To je obrovská výhoda. Spotřebiče s ultravysokým vakuem jsou o čistotě, nikoli o výkonu. STM funguje skvěle v atmosférických podmínkách. Je spolehlivý. Je k dispozici.
Regulace teploty rozšiřuje jeho možnosti.
STM lze ochladit na teploty pod 4 K. Na teploty kapalného helia. To umožňuje studovat vlastnosti supravodivých materiálů.
Lze jej zahřát nad 973 K. 700 °C. To umožňuje výzkumníkům studovat rychlou difúzi atomů přes kovové povrchy a sledovat korozi v reálném čase.
Za vizualizací: Manipulace s hmotou
STM je především vizualizační nástroj. Ale elektrické pole mezi hrotem a vzorkem je velmi silné. Příliš silné pro pasivní pozorování.
Výzkumníci jej používají k pohybu atomů po povrchu. Používají ho ke zvýšení rychlosti leptání v různých plynech.
V jednom experimentu bylo použito předpětí čtyř voltů. Pole na špičce se stalo dostatečně silné, aby vytáhlo atomy z špičky a uložilo je na substrát.
Byl použit zlatý hrot. Na substrátu se vytvořily malé ostrůvky zlata. Každý shluk obsahoval několik stovek atomů.
To je nanotechnologie. Jedná se o aplikaci vzorů na povrch v měřítku, které bylo dříve nemožné. Mikroskop nevidí jen svět. On to vytváří.
Špička plave. Proud teče. Atomy čekají.
