Pyyhkäisytunnelimikroskopialla (STM) voidaan tarkastella pienten kappaleiden muotoa. Sillä voidaan ottaa kuvia pinnalla olevista atomeista ja siirtää atomeja eri paikkoihin. Sen keksivät Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer vuonna 1981 IBM:llä Zürichissä. Vuonna 1986 he saivat Nobelin fysiikan palkinnon sen keksimisestä.

Miten STM toimii

STM perustuu kvanttimekaaniseen tunnelointiin. Terävä metallinen kärki viedään erittäin lähelle tutkittavaa johtavaa pintaa (etäisyys tyypillisesti alle nanometrin luokkaa). Kun kärjen ja pinnan väliin asetetaan pieni jännite, elektronit voivat kvanttitunneloinnin kautta kulkea kärjen ja pinnan välillä, mikä synnyttää pienen virran (tunnelointivirran). Tämä virta riippuu etäisyydestä hyvin voimakkaasti: pieni etäisyyden muutos aiheuttaa eksponentiaalisen muutoksen virrassa.

Mittausmenetelmät:

  • Vakio­virta­tila (constant current): mikroskoopin ohjauspiiri säätää kärjen korkeutta niin, että mitattu virta pysyy vakiona. Tallennettu korkeusanturi tuottaa pinnan topografian.
  • Vakio­korkeus­tila (constant height): kärjen korkeus pidetään vakiona ja virran muutoksia mitataan suoraan. Tämä on nopeampi mutta vaatii tasaisen pinnan ja hyvän värähtelyeristyksen.

    • Atomien siirtäminen

    STM:llä voidaan myös siirtää yksittäisiä atomeja tai pieniä molekyylejä. Tämä tapahtuu hallitsemalla kärjen ja atomin välistä voimaa ja jännitettä: kärki voi "työntää", "vetää" tai nostaa atomin pinnalta. Usein manipulointi tehdään hyvin matalissa lämpötiloissa (esim. muutama kelvin) ja tyhjiössä, jotta atomit eivät liiku itsestään. Kuuluisa esimerkki on IBM:n tutkijoiden työ, jossa xenon-atomeja aseteltiin muodostaen tekstin "IBM".

    Käyttöalueet ja merkitys

    STM on tärkeä työkalu pintatieteissä ja nanoteknologiassa. Sitä käytetään muun muassa:

  • atomitason topografian ja kidehilojen tutkimiseen,
  • pintavikojen, adatomien ja atomimuodostelmien havainnointiin,
  • elektronisten tilojen paikalliseen spektroskopiaan (skannaava tunnelointispektroskopia, STS),
  • yksittäisten atomien ja molekyylien järjestämiseen ja nanorakenteiden rakentamiseen.
    • STM on mahdollistanut uudenlaisen ymmärryksen pintojen elektronisista ominaisuuksista ja toiminut eräänlaisena rakennuspalikkana atomitason laitteiden tutkimuksessa.

    Rajoitukset ja käytännön vaatimukset

    STM vaatii tiettyjä olosuhteita ja sillä on rajoituksia:

  • Pinnan on oltava johtava tai puolijohteinen—eristeitä ei yleensä voi kuvata suoraan STM:llä.
  • Korkea vaimennus ja värähtelyeristys tarvitaan; usein kokeet tehdään ultra­korkeassa tyhjiössä (UHV) ja matalissa lämpötiloissa kohinan ja atomien liikkeen minimoimiseksi.
  • Terävän ja puhtaan kärjen valmistus on ratkaisevan tärkeää; yleisiä materiaaleja ovat esimerkiksi volframi tai platinairidium-seokset.
  • STM-kuva ei aina vastaa pelkkää topografiaa—mitattavat signaalit sisältävät myös informaatiota elektronisesta tiheydestä, joten tulkinta vaatii kokemusta.

    • Yhteenvetona: pyyhkäisytunnelimikroskooppi on poikkeuksellisen herkkä instrumentti, joka avasi mahdollisuuden kuvata ja siirtää atomeja yksitellen. Sen kehitys 1980-luvulla muutti pintatutkimusta pysyvästi ja johti Binnigille ja Rohrerin saamalle Nobel-palkinnolle.