Уявіть собі світ, де ви можете бачити окремі атоми. Не як розмиті плями, бо як чітко помітні фізичні об’єкти, збудовані в ряди. Це не наукова фантастика. Це результат роботи скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), пристрою, що перетворив квантову механіку на практичний інструмент для візуалізації.
СТМ працює не так, як ваш кухонний мікроскоп. Він не відбиває світло від поверхні. Натомість він спирається на дивну особливість квантової фізики, яка називається тунелюванням. Електрони, які зазвичай замкнені всередині твердого тіла, іноді можуть “тунелювати” через порожній простір. Вони роблять це, поводячи себе як хвилі. Але є одна умова. Імовірність того, що електрон зробить такий стрибок, падає експоненційно в міру збільшення відстані.
Це робить СТМ неймовірно чутливим до відстані.
Ось як влаштована ця система: вольфрамова голка, заточена до одного атома на кінчику, ширяє всього в кількох ангстремах над зразком. Крихітна напруга з’єднує вістря з поверхнею. Електрони перестрибують через проміжок. Зонд сканує рельєф. Якщо поверхня піднімається, струм змінюється. Якщо вона опускається, струм зміщується. Ці дані обробляються в топографічну карту. Ви отримуєте зображення атомів.
Ця технологія з’явилася 1981 року. Швейцарські фізики Герд Бінніг та Генріх Рорер створили першу працюючу модель. Вони не намагалися виграти Нобелівську премію. Вони просто хотіли вивчити локальну провідність поверхонь.
Вони направили свій пристрій на золото.
Коли зображення з’явилося на екрані телевізора, воно приголомшило. Ряди точно розташованих атомів. Широкі тераси, розділені ступенями заввишки рівно один атом. Вони виявили прямий спосіб візуалізувати атомну структуру. Це відкрило нову епоху для науки про поверхнях. 1986 року вони отримали Нобелівську премію з фізики.
Принципи роботи
Фізика дотику: як СТМ бачить невидиме
Тунельний мікроскоп (СТМ), що сканує, не просто збільшує об’єкти. Він дозволяє «чіпати» їх електронами.
Його роздільна здатність дозволяє розрізняти окремі атоми. Це складне завдання. Однак принцип роботи кардинально відрізняється від скануючого електронного мікроскопа (СЕМ), який є основним інструментом традиційної візуалізації. В СЕМ електрони витягуються з гострого кінчика за допомогою серії позитивно заряджених пластин, розташованих далі на шляху. Ці пластини діють як лінза, фокусуючи пучок на зразку. Це груба сила. Електростатичне тяжіння долає бар’єр, який утримує електрони всередині металу, і вони вилітають як вільні частки.
СТМ видаляє ці пластини. Він прибирає лінзу. У багатьох випадках він усуває вимогу до вакууму.
Замість викиду електронів СТМ поміщає гострий кінчик на відстань кілька ангстрем від зразка. Він покладається на квантове тунелювання.
Тунелювання – це не баг. Це функція.
Електрони в металах здаються вільно рухомими. Це ілюзія. Насправді вони перестрибують від атома до атома, тунелюючи через потенційний бар’єр між вузлами ґрат. Вони підходять до бар’єру із частотою $10^{17}$ раз на секунду. Імовірність тунелювання при кожному підході становить $10^{-4}$.
В результаті виникає потік із $10^{13}$ електронів на секунду. Це відбувається так швидко, що тунелювання здається безперервним. В об’ємних металах їм можна знехтувати.
Але в СТМ їм не можна нехтувати.
Коли кінчик positioned близько до зразка, зазор зменшується до масштабу міжатомної відстані. Електрон тепер стоїть перед вибором: він може тунелювати до сусіднього атома у ґратах або тунелювати прямо у зонд-кінчик.
Струм, що поточний до цього кінчика, вимірює електронну щільність на поверхні. Ці дані формують зображення.
У напівпровідниках, таких як кремній, електронна густина досягає максимуму поблизу атомних позицій. На зображенні видно яскраві плями. Ці плями визначають просторовий розподіл атомів.
У металах, таких як золото, платина або мідь, електронний заряд рівномірно розподілений. Тунельний струм повинен показувати плоский, однорідний фон. Але це не відбувається. Кінчик обурює електронну густину. Струм трохи збільшується, коли кінчик знаходиться безпосередньо над атомом на поверхні. Періодичний масив атомів стає видимим. Взаємодія інтимна. Мікроскоп непросто спостерігає; він бере участь.
Візуалізація атомної решітки
Ми картували розташування окремих атомів на поверхнях золота, платини, нікелю та міді. Ми спостерігали рух атомів.
Поглинання кисню. Дифузія. Епітаксіальне зростання, коли срібло росте на золоті або нікель на золоті. Все це документовано з атомарною деталізацією.
Але головна зірка – кремній.
Поверхні кремнію готують, нагріваючи їх у вакуумі. Температура досить висока, щоб змусити атоми перебудовуватись. Це поверхова реконструкція.
Поверхня кремнію (111) реконструюється в структуру Такаянаги 7 × 7. Вона складна і вкрита. СТМ виміряв положення, хімічну реакційну здатність та електронну конфігурацію кожного єдиного атомного вузла на цьому патерні.
Поверхня кремнію (100) простіша. Атоми поєднуються в димери. Ці ряди простягаються по всій поверхні.
Умови навколишнього середовища та екстремальні температури
Вакуумне тунелювання не потребує вакууму.
Зазор між кінчиком та зразком малий – близько п’яти ангстрем. Там немає місця для молекул. Навіть якщо середовище заповнене газом або рідиною, тунельний струм тече.
СТМ може працювати на повітрі. У воді. В ізолюючих рідинах. В іонних розчинах електрохімії.
Це величезна перевага. Прилади із надвисоким вакуумом зручні для чистоти, а не для продуктивності. СТМ чудово працює в атмосферних умовах. Він надійний. Він доступний.
Контроль температури розширює його можливості.
СТМ можна охолодити до температури нижче 4 K. До температури рідкого гелію. Це дозволяє вивчати властивості надпровідних матеріалів.
Його можна нагріти вище 973 K. 700 °C. Це дозволяє дослідникам вивчати швидку дифузію атомів поверхнями металів і спостерігати за корозією в реальному часі.
За межами візуалізації: маніпуляція матерією
СТМ – це насамперед інструмент візуалізації. Але електричне поле між кінчиком та зразком дуже сильне. Занадто сильний для пасивного спостереження.
Дослідники використовують його для переміщення атомів поверхнею. Вони використовують його для збільшення швидкості травлення у різних газах.
В одному експерименті була прикладена напруга усунення в чотири вольти. Поле у кінчика стало досить сильним, щоб витягувати атоми з кінчика і брати в облогу їх на підкладку.
Використовувався золотий кінчик. На підкладці утворилися невеликі острівці золота. Кожен кластер містив кілька сотень атомів.
Це нанотехнології. Це нанесення патернів на поверхню в масштабі, який раніше був неможливим. Мікроскоп не просто бачить світ. Він його творить.
Кінчик ширяє. Струм тече. Атоми чекають.
