Wyobraź sobie świat, w którym możesz zobaczyć pojedyncze atomy. Nie jako rozmyte plamy, ale jako wyraźnie widoczne obiekty fizyczne ustawione w rzędach. To nie jest science-fiction. To wynik skanerowego mikroskopu tunelowego (STM), urządzenia, które przekształciło mechanikę kwantową w praktyczne narzędzie do obrazowania.
STM działa inaczej niż mikroskop kuchenny. Nie odbija światła od powierzchni. Zamiast tego opiera się na dziwnej właściwości fizyki kwantowej zwanej tunelowaniem. Elektrony, które zwykle są uwięzione w ciele stałym, mogą czasami „tunelować” przez pustą przestrzeń. Robią to, zachowując się jak fale. Ale jest jeden warunek. Prawdopodobieństwo, że elektron wykona taki skok, maleje wykładniczo wraz ze wzrostem odległości.
To sprawia, że STM jest niezwykle wrażliwy na odległość.
Oto jak działa ten system: wolframowa końcówka, zaostrzona do pojedynczego atomu na końcu, unosi się zaledwie kilka angstremów nad próbką. Niewielkie napięcie łączy końcówkę z powierzchnią. Elektrony przeskakują przez szczelinę. Sonda skanuje teren. Jeśli powierzchnia się podniesie, prąd się zmieni. Jeśli spadnie, prąd się zmieni. Dane te przetwarzane są na mapę topograficzną. Otrzymasz obraz atomów.
Technologia ta pojawiła się w 1981 roku. Szwajcarscy fizycy Gerd Binnig i Heinrich Rohrer stworzyli pierwszy działający model. Nie próbowali zdobyć Nagrody Nobla. Chcieli po prostu zbadać lokalną przewodność powierzchni.
Wycelowali swoje urządzenie w złoto.
Kiedy obraz pojawił się na ekranie telewizora, był oszałamiający. Rzędy precyzyjnie ułożonych atomów. Szerokie tarasy oddzielone schodami o wysokości dokładnie jednego atomu. Znaleźli bezpośredni sposób na wizualizację struktury atomowej. Otworzyło to nową erę w nauce o powierzchni. W 1986 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Zasady działania
Fizyka dotyku: jak STM widzi to, co niewidzialne
Skaningowy mikroskop tunelowy (STM) potrafi więcej niż tylko powiększać obiekty. Pozwala „dotknąć” ich elektronami.
Jego rozdzielczość umożliwia rozróżnienie poszczególnych atomów. To nie jest łatwe zadanie. Jednak jego zasada działania różni się zasadniczo od skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), który jest głównym narzędziem tradycyjnego obrazowania. W SEM elektrony są wyciągane z ostrej końcówki przez szereg dodatnio naładowanych płytek znajdujących się dalej na ścieżce. Płytki te działają jak soczewka, skupiając wiązkę na próbce. To jest brutalna siła. Przyciąganie elektrostatyczne pokonuje barierę zatrzymującą elektrony wewnątrz metalu i wylatują one w postaci wolnych cząstek.
STM usuwa te płytki. Zdejmuje soczewkę. W wielu przypadkach eliminuje to potrzebę podciśnienia.
Zamiast wyrzucać elektrony, STM umieszcza ostrą końcówkę kilka angstremów od próbki. Opiera się na tunelowaniu kwantowym.
Tunelowanie nie jest błędem. To jest funkcja.
Wydaje się, że elektrony w metalach poruszają się swobodnie. To iluzja. W rzeczywistości przeskakują z atomu na atom, tunelując przez barierę potencjału pomiędzy miejscami sieci. Zbliżają się do bariery z szybkością 10^{17}$ raz na sekundę. Prawdopodobieństwo tunelowania dla każdego podejścia wynosi 10^{-4}$.
Rezultatem jest przepływ 10^{13}$ elektronów na sekundę. Dzieje się to tak szybko, że tunelowanie wydaje się ciągłe. W przypadku metali luzem można to pominąć.
Ale w private label nie można tego zaniedbać.
Gdy końcówka znajduje się blisko próbki, odstęp zmniejsza się do skali odległości międzyatomowej. Elektron staje teraz przed wyborem: może tunelować do sąsiedniego atomu w sieci lub może tunelować bezpośrednio do końcówki sondy.
Prąd płynący do tej końcówki mierzy gęstość elektronów na powierzchni. Dane te tworzą obraz.
W półprzewodnikach, takich jak krzem, gęstość elektronów osiąga szczyt w pobliżu pozycji atomów. Na zdjęciu widoczne są jasne punkty. Plamy te określają przestrzenne rozmieszczenie atomów.
W metalach takich jak złoto, platyna czy miedź ładunek elektroniczny rozkłada się równomiernie. Prąd tunelowy powinien pokazywać płaskie, jednolite tło. Ale to się nie zdarza. Końcówka zakłóca gęstość elektronów. Prąd wzrasta nieznacznie, gdy końcówka znajduje się bezpośrednio nad atomem na powierzchni. Widoczny staje się okresowy układ atomów. Interakcja jest intymna. Mikroskop nie tylko obserwuje; on uczestniczy.
Wizualizacja sieci atomowej
Zmapowaliśmy rozmieszczenie poszczególnych atomów na powierzchniach złota, platyny, niklu i miedzi. Obserwowaliśmy ruch atomów.
Absorpcja tlenu. Dyfuzja. Wzrost epitaksjalny, gdy srebro rośnie na złocie lub nikiel na złocie. Wszystko to jest udokumentowane z atomowymi szczegółami.
Ale główną gwiazdą jest krzem.
Powierzchnie silikonowe przygotowuje się poprzez ogrzewanie ich w próżni. Temperatura jest na tyle wysoka, że atomy przestawiają się. To powierzchowna rekonstrukcja.
Powierzchnię krzemu (111) rekonstruuje się w strukturę Takayanagi 7×7. Jest to skomplikowane i skomplikowane. STM zmierzył położenie, reaktywność chemiczną i konfigurację elektronową każdego pojedynczego miejsca atomowego w tym układzie.
Powierzchnia krzemu (100) jest prostsza. Atomy łączą się, tworząc dimery. Rzędy te rozciągają się na całej powierzchni.
Warunki środowiskowe i ekstremalne temperatury
Tunelowanie próżniowe nie wymaga próżni.
Szczelina pomiędzy końcówką a próbką jest niewielka – około pięciu angstremów. Nie ma miejsca na molekuły. Nawet jeśli medium jest wypełnione gazem lub cieczą, prąd tunelowy płynie.
STM może pracować w powietrzu. W wodzie. W cieczach izolacyjnych. W roztworach jonowych dla elektrochemii.
To ogromna zaleta. W urządzeniach o ultrawysokiej próżni liczy się czystość, a nie wydajność. STM świetnie sprawdza się w warunkach atmosferycznych. Jest niezawodny. Jest dostępny.
Kontrola temperatury rozszerza jego możliwości.
STM można schłodzić do temperatur poniżej 4 K. Do temperatur ciekłego helu. Dzięki temu możliwe jest badanie właściwości materiałów nadprzewodzących.
Może być podgrzewany powyżej 973 K. 700°C. Umożliwia to badaczom badanie szybkiej dyfuzji atomów na powierzchniach metali i monitorowanie korozji w czasie rzeczywistym.
Poza wizualizacją: manipulacja materią
STM to przede wszystkim narzędzie do wizualizacji. Jednak pole elektryczne pomiędzy końcówką a próbką jest bardzo silne. Zbyt silny na bierną obserwację.
Naukowcy używają go do przemieszczania atomów po powierzchni. Używają go do zwiększenia szybkości trawienia w różnych gazach.
W jednym eksperymencie zastosowano napięcie polaryzacji wynoszące cztery wolty. Pole na końcówce stało się wystarczająco silne, aby wyciągnąć atomy z końcówki i osadzić je na podłożu.
Zastosowano złotą końcówkę. Na podłożu utworzyły się małe wysepki złota. Każdy klaster zawierał kilkaset atomów.
To jest nanotechnologia. To nanoszenie wzorów na powierzchnię w skali, która wcześniej była niemożliwa. Mikroskop nie tylko widzi świat. On to tworzy.
Końcówka pływa. Prąd płynie. Atomy czekają.
