Bayangkan sebuah dunia di mana Anda dapat melihat atom-atom individual. Bukan sebagai noda buram, namun sebagai entitas fisik berbeda yang berdiri dalam barisan. Ini bukan fiksi ilmiah. Ini adalah hasil dari scanning tunnelingmicroscope (STM), sebuah perangkat yang mengubah mekanika kuantum menjadi alat pencitraan praktis.
STM tidak berfungsi seperti mikroskop dapur Anda. Itu tidak memantulkan cahaya dari permukaan. Sebaliknya, ia bergantung pada keunikan fisika kuantum yang disebut penerowongan. Elektron, yang biasanya terperangkap di dalam benda padat, kadang-kadang bisa “terowongan” melalui ruang kosong. Mereka melakukan ini dengan berperilaku seperti gelombang. Tapi ada kendalanya. Peluang elektron melakukan lompatan tersebut menurun secara eksponensial seiring bertambahnya jarak.
Hal ini membuat STM sangat sensitif terhadap jarak.
Berikut pengaturannya: jarum tungsten, yang ujungnya diasah menjadi satu atom, digantung hanya beberapa angstrom di atas sampel. Tegangan kecil menghubungkan ujungnya ke permukaan. Elektron melompati celah tersebut. Probe memindai seluruh medan. Jika permukaannya berbenturan, arusnya berubah. Jika turun, arusnya bergeser. Data ini diolah menjadi peta topografi. Anda mendapatkan gambaran atom.
Teknologi ini hadir pada tahun 1981. Fisikawan Swiss Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer membangun model kerja pertama. Mereka tidak berusaha memenangkan Hadiah Nobel. Mereka hanya ingin mempelajari konduktivitas lokal permukaan.
Mereka mengarahkan perangkat mereka ke emas.
Saat gambar itu muncul di monitor televisi, sungguh mengejutkan. Deretan atom yang berjarak tepat. Teras luas dipisahkan oleh tangga yang tingginya tepat satu atom. Mereka telah menemukan cara langsung untuk menggambarkan struktur atom. Ini membuka era baru bagi ilmu permukaan. Pada tahun 1986, mereka menerima Hadiah Nobel Fisika.
Prinsip pengoperasian
Fisika Sentuhan: Bagaimana STM Melihat Yang Tak Terlihat
Scanning Tunneling Microscope (STM) tidak hanya membuat segalanya tampak besar. Ini memungkinkan Anda menyentuhnya dengan elektron.
Ia memiliki resolusi untuk menyelesaikan atom tunggal. Itu bukanlah prestasi kecil. Namun cara kerjanya sangat berbeda dari Scanning Electron Microscope (SEM), yang merupakan alat pencitraan tradisional. Dalam SEM, elektron ditarik keluar dari ujung yang tajam oleh serangkaian pelat bermuatan positif di bagian hilir. Pelat ini bertindak sebagai lensa, memfokuskan sinar ke sampel. Itu adalah kekerasan. Tarikan elektrostatik mengatasi penghalang yang menahan elektron di dalam logam, dan mereka terbang keluar sebagai partikel bebas.
STM menghilangkan pelat. Ini menghilangkan lensa. Ini menghilangkan kebutuhan vakum dalam banyak kasus.
Alih-alih menembakkan elektron, STM menempatkan ujung tajam yang hanya berjarak angstrom dari sampel. Itu bergantung pada terowongan kuantum.
Tunneling Bukan Bug. Itu Fiturnya.
Elektron dalam logam tampak bergerak bebas. Ini adalah ilusi. Pada kenyataannya, mereka berpindah dari atom ke atom dengan menerobos penghalang potensial antar lokasi. Mereka mendekati penghalang dengan frekuensi $10^{17}$ kali per detik. Kemungkinan penerowongan untuk setiap pendekatan adalah $10^{-4}$.
Hasilnya adalah kecepatan transfer $10^{13}$ elektron per detik. Ini sangat cepat sehingga penerowongan tampak terus menerus. Anda dapat mengabaikannya pada logam curah.
Anda tidak dapat mengabaikannya di STM.
Ketika ujungnya diposisikan dekat dengan sampel, celahnya menyusut hingga skala jarak atom. Elektron sekarang menghadapi sebuah pilihan. Ia dapat melakukan terowongan ke atom yang berdekatan dalam kisi, atau dapat melakukan terowongan ke ujung probe itu sendiri.
Arus yang mengalir ke ujung itu mengukur kerapatan elektron di permukaan. Data ini membangun citra.
Dalam semikonduktor seperti silikon, kerapatan elektron mencapai puncaknya di dekat lokasi atom. Gambar menunjukkan titik terang. Titik-titik ini menentukan distribusi spasial atom.
Pada logam seperti emas, platina, atau tembaga, muatan elektronik terdistribusi secara merata. Arus penerowongan harus menunjukkan latar belakang yang datar dan seragam. Tidak. Ujungnya mengganggu kerapatan elektron. Arus meningkat sedikit ketika ujungnya berada tepat di atas permukaan atom. Susunan atom secara periodik menjadi terlihat. Interaksinya intim. Mikroskop tidak sekedar mengamati; itu berpartisipasi.
Pencitraan Kisi Atom
Kami telah memetakan susunan atom individu pada permukaan emas, platinum, nikel, dan tembaga. Kita telah menyaksikan atom bergerak.
Penyerapan oksigen. Difusi. Pertumbuhan epitaksi dimana perak tumbuh pada emas, atau nikel pada emas. Semua didokumentasikan secara detail atom.
Tapi silikon adalah bintangnya.
Permukaan silikon dibuat dengan memanaskannya dalam ruang hampa. Panasnya cukup tinggi untuk memaksa atom-atom tersusun ulang. Ini adalah rekonstruksi permukaan.
Permukaan silikon (111) direkonstruksi menjadi struktur Takayanagi 7 × 7. Ini rumit. Kompleks. STM telah mengukur posisi, reaktivitas kimia, dan konfigurasi elektronik setiap situs atom pada pola ini.
Permukaan silikon (100) lebih sederhana. Atom berpasangan menjadi dimer. Barisan ini membentang di seluruh permukaan.
Kondisi Lingkungan dan Suhu Ekstrim
Terowongan vakum tidak memerlukan ruang hampa.
Jarak antara ujung dan sampel kecil—sekitar lima angstrom. Tidak ada ruang untuk molekul. Sekalipun lingkungannya dipenuhi gas atau cairan, arus terowongan tetap mengalir.
STM dapat beroperasi di udara. Di dalam air. Dalam cairan isolasi. Dalam larutan ionik untuk elektrokimia.
Ini adalah keuntungan yang sangat besar. Instrumen vakum ultratinggi nyaman untuk kebersihan, bukan kinerja. STM bekerja dengan baik di atmosfer sekitar. Ini kuat. Itu dapat diakses.
Kontrol suhu memperluas kegunaannya.
STM dapat didinginkan hingga kurang dari 4 K. Suhu helium cair. Hal ini mengungkapkan sifat-sifat bahan superkonduktor.
Dapat dipanaskan di atas 973 K. 700 °C. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk mempelajari difusi atom yang cepat melintasi permukaan logam dan menyaksikan korosi terjadi secara real time.
Melampaui Pencitraan: Memanipulasi Materi
STM pada dasarnya adalah alat pencitraan. Namun medan listrik antara ujung dan sampel kuat. Terlalu kuat untuk observasi pasif.
Para peneliti menggunakannya untuk memindahkan atom di sepanjang permukaan. Mereka menggunakannya untuk meningkatkan laju etsa di berbagai gas.
Satu percobaan menerapkan bias empat volt. Medan di ujung menjadi cukup kuat untuk menarik atom dari ujung dan menyimpannya ke substrat.
Tip emas digunakan. Pulau-pulau kecil emas terbentuk di substrat. Setiap cluster berisi beberapa ratus atom.
Ini adalah fabrikasi nano. Ini adalah pola permukaan pada skala yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan. Mikroskop tidak hanya melihat dunia. Itu membangunnya.
Ujungnya melayang. Arus mengalir. Atom menunggu.
