Сканирующий туннельный микроскоп: различия между версиями

Нет описания правки
[[Файл:ScanningTunnelingMicroscope schematic.png|thumb|Схема работы сканирующего туннельного микроскопа:<br />'''control voltages of piezotube''';<br />'''piezoelectric tube with electrodes''' — трубка с электродами;<br />'''tunneling current amplifier''' — [[амперметр]] для измерения величины [[Туннельный ток|туннельного тока]];<br />'''distance control and scanning unit''' — модуль для перемещения иглы и контроля расстояния игла-образец;<br />'''tip''' — игла;<br />'''sample''' — образец, карту рельефа которого требуется построить;<br />'''tunneling voltage''';<br />'''data processing and display''' — модуль для обработки результатов измерений и вывода карты рельефа]]
[[Файл:ScanningTunnelingMicroscope schematic.png|thumb|Схема работы сканирующего туннельного микроскопа]]
'''Сканирующий туннельный микроскоп''' (СТМ, {{lang-en|STM — scanning tunneling microscope}}) — вариант [[сканирующий зондовый микроскоп|сканирующего зондового микроскопа]], предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких [[ангстрем]]. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает [[туннельный ток]]. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1—1000 [[Ампер|пА]] при расстояниях около 1 [[ангстрем|Å]]. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.
 
'''Сканирующий туннельный микроскоп''' (СТМ, {{lang-en|STM — scanning tunneling microscope}}) — вариант [[сканирующий зондовый микроскоп|сканирующего зондового микроскопа]], предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких [[ангстрем]] ({{nobr|0.1 [[Нанометр|нм]]}}). При подаче на иглу относительно образца небольшого [[Потенциал#Физика и химия|потенциала]] возникает [[туннельный ток]]. Величина этого тока [[Экспонента|экспоненциально]] зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1—1000силы тока — {{nobr|1-1000 [[Пико-|п]][[Ампер|пАА]]}} при расстояниях образец-игла около {{nobr|1 [[ангстремАнгстрем|Å]]}}. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.
В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.
Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.
 
В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.
Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:
Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идетидёт построение [[Топографическая карта|топографии поверхности]].
 
Таким образом сканирующийСканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:
* зонд (иглу),
* систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
 
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется [[ПИД-регулятор]].
Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца ([[поверхностное сопротивление]] должно быть не больше {{nobr|20 МОм[[мега-|М]][[Ом (единица измерения)|Ом]]/[[Сантиметр|см]]²}}), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться [[Туннельный эффект|туннелирование]] с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого [[вакуум]]а, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.
 
== История создания ==
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) [[Бинниг, Герд Карл|Гердом Карлом Биннигом]] и [[Рорер, Генрих|Генрихом Рорером]] из лаборатории IBM в Цюрихе в 1981 году. За это изобретение были удостоены [[Нобелевская премия по физике|Нобелевской премии по физике]] за [[1986 год]], которая была разделена между ними и изобретателем [[Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)|просвечивающего электронного микроскопа]] [[Руска, Эрнст Август|Э. Руска]].
 
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен в 1981 году (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) [[Бинниг, Герд Карл|Гердом Карлом Биннигом]] и [[Рорер, Генрих|Генрихом Рорером]] из лаборатории [[IBM]] в Цюрихе в 1981 году. За это изобретение были удостоены [[НобелевскаяЦюрих]]е премия по физике|Нобелевской премии по физике([[Швейцария]]). заВ [[1986 год]],у котораяБинниг былаи разделенаРорер междуза нимиизобретение СТМ и изобретателем[[Руска, Эрнст Август|Э. Руск]] за изобретение [[Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)|просвечивающего электронного микроскопа]] были удостоены [[Руска,Нобелевская Эрнстпремия Августпо физике|Э.Нобелевской Рускапремии]].
В СССР первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 году в [[ИФП|Институте Физических проблем]] АН СССР.
 
В [[СССР]] первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 году в [[ИФП|ИнститутеИнститутом Физическихфизических проблем]] [[Академия наук СССР|АН СССР]].
 
== См. также ==
 
* [[Квантовый загон]]
 
== Литература ==
 
* {{статья|автор=Arie van Houselt and Harold J. W. Zandvliet|заглавие=Colloquium: Time-resolved scanning tunneling microscopy|ссылка=http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.82.1593|язык=en|издание=[[Rev. Mod. Phys.]]|год=2010|том=82|номер=|страницы=1593—1605}}
 
== Ссылки ==
 
* [http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1182775&uri=page1.html#history История создания сканирующего туннельного микроскопа]
* [http://phys.unn.ru/content.asp?contentid=1623 В. Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии]
Анонимный участник