מיקרוסקופ המנהור הוא כלי רב עוצמה לחקר המבנה האלקטרוני של מערכות מוצק. התמונות הטופוגרפיות שלו מסייעות ביישום טכניקות ניתוח משטח ספציפיות לכימיקלים, מה שמוביל להגדרה מבנית של פני השטח. אתה יכול ללמוד על המכשיר, הפונקציות והמשמעות, כמו גם לראות תמונה של מיקרוסקופ מנהור במאמר זה.
Creators
לפני המצאת מיקרוסקופ כזה, האפשרויות לחקור את המבנה האטומי של משטחים הוגבלו בעיקר לשיטות עקיפה באמצעות אלומות של קרני רנטגן, אלקטרונים, יונים וחלקיקים אחרים. פריצת הדרך הגיעה כאשר הפיזיקאים השוויצרים גרד ביניג והיינריך רוהרר פיתחו את מיקרוסקופ המנהור הראשון. הם בחרו את פני השטח של זהב לתמונה הראשונה שלהם. כשהתמונה הוצגה על צג טלוויזיה, הם ראו שורות של אטומים מסודרים במדויק וצפו בטרסות רחבות המופרדות במדרגות בגובה אטום אחד. בניג ורוהרגילה שיטה פשוטה ליצירת תמונה ישירה של המבנה האטומי של משטחים. ההישג המרשים שלהם הוכר עם פרס נובל לפיזיקה בשנת 1986.
Precursor
מיקרוסקופ דומה בשם Topografiner הומצא על ידי ראסל יאנג ועמיתיו בין 1965 ל-1971 בלשכת התקנים הלאומית. כיום זהו המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה. מיקרוסקופ זה פועל על פי העיקרון שמנהלי הפיאזו השמאלי והימני סורקים את הקצה מעל ומעט מעל פני הדגימה. כונן השרת המרכזי בשליטה פיזו נשלט על ידי מערכת השרת כדי לשמור על מתח קבוע. זה גורם להפרדה אנכית קבועה בין קצה למשטח. מכפיל האלקטרונים מזהה חלק זעיר מזרם המנהור שמתפזר על פני הדגימה.
תצוגה סכמטית
מכלול המיקרוסקופ המנהור כולל את הרכיבים הבאים:
- טיפ לסריקה;
- בקר להעברת הטיפ מקואורדינטה אחת לאחרת;
- מערכת בידוד רעידות;
- מחשב.
הקצה עשוי לעתים קרובות מטונגסטן או פלטינה-אירידיום, אם כי נעשה שימוש גם בזהב. המחשב משמש לשיפור התמונה באמצעות עיבוד תמונה ולביצוע מדידות כמותיות.
איך זה עובד
עקרון הפעולה של המנהרהמיקרוסקופ הוא די מסובך. האלקטרונים בחלק העליון של הקצה אינם מוגבלים לאזור בתוך המתכת על ידי מחסום הפוטנציאל. הם עוברים דרך המכשול כמו התנועה שלהם במתכת. נוצרת אשליה של חלקיקים הנעים בחופשיות. במציאות, אלקטרונים נעים מאטום לאטום, עוברים דרך מחסום פוטנציאלי בין שני אתרים אטומיים. עבור כל גישה למחסום, ההסתברות למנהור היא 10:4. אלקטרונים חוצים אותו במהירות של 1013 לשנייה. קצב השידור הגבוה הזה אומר שהתנועה היא משמעותית ומתמשכת.
על ידי הזזת קצה המתכת על פני השטח למרחק קטן מאוד, חפיפה בין העננים האטומיים, מתבצעת החלפה אטומית. זה יוצר כמות קטנה של זרם חשמלי הזורם בין הקצה למשטח. אפשר למדוד את זה. באמצעות שינויים מתמשכים אלה, מיקרוסקופ המנהור מספק מידע על המבנה והטופוגרפיה של פני השטח. על בסיסו נבנה מודל תלת מימדי בקנה מידה אטומי, שנותן תמונה של המדגם.
מנהרות
כאשר הקצה מתקרב לדגימה, המרחק בינו לבין פני השטח יורד לערך השווה לפער בין אטומים סמוכים בסריג. אלקטרון המנהרה יכול לנוע או לעברם או לכיוון האטום בקצה הגשושית. הזרם בבדיקה מודד את צפיפות האלקטרונים על פני הדגימה, ומידע זה מוצג בתמונה. המערך המחזורי של האטומים נראה בבירור על חומרים כמו זהב, פלטינה, כסף, ניקל ונחושת. לִשְׁאוֹבמנהור של אלקטרונים מהקצה לדגימה יכול להתרחש למרות שהסביבה אינה ואקום, אלא מלאה במולקולות גז או נוזל.
היווצרות גובה המחסום
ספקטרוסקופיה של גובה המחסום המקומי מספקת מידע על ההתפלגות המרחבית של פונקציית העבודה המיקרוסקופית של פני השטח. התמונה מתקבלת על ידי מדידה נקודתית של השינוי הלוגריתמי בזרם המנהרה, תוך התחשבות בהפיכה לפער מחלק. כאשר מודדים את גובה המחסום, המרחק בין הגשושית לבין הדגימה מווסת בצורה סינוסואידית באמצעות מתח AC נוסף. תקופת האפנון נבחרה להיות קצרה בהרבה מקובוע הזמן של לולאת המשוב במיקרוסקופ מנהור.
משמעות
סוג זה של מיקרוסקופ בדיקה סורק אפשר את הפיתוח של ננו-טכנולוגיות שצריכות לתפעל עצמים בגודל ננומטר (קטן מאורך הגל של האור הנראה בין 400 ל-800 ננומטר). מיקרוסקופ המנהור ממחיש בבירור את מכניקת הקוונטים על ידי מדידת קוונט המעטפת. כיום, חומרים אמורפיים שאינם גבישיים נצפים באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי.
דוגמה סיליקון
משטחי סיליקון נחקרו בהרחבה יותר מכל חומר אחר. הם הוכנו על ידי חימום בוואקום לטמפרטורה כזו שהאטומים שוחזרו בתהליך מעורר. השחזור נחקר בפירוט רב. תבנית מורכבת שנוצרה על פני השטח, המכונה Takayanagi 7 x 7. האטומים יצרו זוגות,או דימרים שמתאימים לשורות המשתרעות על פני כל פיסת הסיליקון הנבדקת.
Research
מחקר על עקרון הפעולה של מיקרוסקופ מנהור הוביל למסקנה שהוא יכול לעבוד באטמוספירה שמסביב באותו אופן כמו בוואקום. הוא הופעל באוויר, מים, נוזלי בידוד ותמיסות יוניות המשמשות באלקטרוכימיה. זה הרבה יותר נוח ממכשירי ואקום גבוה.
ניתן לקרר את מיקרוסקופ המנהור למינוס 269 מעלות צלזיוס ולחמם לפלוס 700 מעלות צלזיוס. טמפרטורה נמוכה משמשת לחקר התכונות של חומרים מוליכים-על, וטמפרטורה גבוהה משמשת לחקר הדיפוזיה המהירה של אטומים דרך פני השטח של מתכות וקורוזיה שלהן.
מיקרוסקופ המנהור משמש בעיקר להדמיה, אך ישנם שימושים רבים אחרים שנחקרו. שדה חשמלי חזק בין הבדיקה לדגימה שימש להזזת האטומים לאורך פני הדגימה. נחקרה ההשפעה של מיקרוסקופ מנהור בגזים שונים. במחקר אחד, המתח היה ארבעה וולט. השדה בקצה היה חזק מספיק כדי להסיר את האטומים מהקצה ולהניח אותם על המצע. הליך זה שימש עם בדיקה מזהב כדי ליצור איי זהב קטנים על מצע עם כמה מאות אטומי זהב כל אחד. במהלך המחקר, הומצא מיקרוסקופ מנהור היברידי. המכשיר המקורי היה משולב עם bipotentiostat.
