Pyyhkäisytunnelimikroskooppi (STM) – atomien kuvantaminen ja siirtäminen

Miten se toimii

STM:ää kutsutaan mikroskoopiksi, koska se ottaa kuvia pienistä kohteista. Mutta se on erilainen - siinä ei ole mitään, mihin voisimme katsoa silmillämme. Se on samanlainen kuin pimeässä huoneessa pöydällä olevien esineiden muodon tunteminen: voit piirtää kuvan muodosta, vaikka et ole nähnyt sitä silmilläsi. STM tekee tämän hyvin pienille esineille. Se toimii pyyhkäisemällä terävää metallineulaa edestakaisin pinnan yli ja käyttää muodon havaitsemiseen voiman sijasta sähkövirtaa. Kun terävän metallineulan kärki tuodaan hyvin lähelle tutkittavan kohteen pintaa, niiden välinen jännite saa elektronit virtaamaan niiden välissä olevan tilan läpi. Elektronit kulkevat tämän tilan läpi kvanttitunneloinniksi kutsutun prosessin avulla, mistä STM on saanut nimensä. Tämä pieni elektronivirta kulkee, kun kärki melkein koskettaa pintaa. Virta muuttuu, kun kärki liikkuu pintaa pitkin. Tietokone tallentaa tämän muutoksen ja muodostaa siitä kuvan, jonka voimme nähdä.

Pinnan ja kärjen on johdettava elektroneja, joten ne on valmistettava metallista tai puolijohteesta. Samantyyppinen mikroskooppi havaitsee sähkövirran sijasta voiman. Tällaista mikroskooppia kutsutaan atomivoimamikroskoopiksi.

STM on vaikea tehtävä, koska siihen tarvitaan erittäin puhdas pinta ja erittäin terävä neulan kärki. STM toimii yleensä tyhjiössä, jotta ilmamolekyylit eivät häiritse pintaa, mutta se voi toimia myös ilmassa tai vedessä.

 

Tapoja se voi tehdä kuvan

Ensin kärki tuodaan hyvin lähelle tutkittavan kohteen pintaa. Tämä etäisyys on noin puoli nanometriä. Sitten kärkeä liikutetaan hyvin varovasti edestakaisin pinnan yli. Sähkövirta mitataan, kun kärkeä liikutetaan edestakaisin (vakiokorkeusmenetelmä). STM voi toimia myös säätämällä kärkeä niin, että tunnelivirta pysyy samana (vakiovirtamenetelmä). Vakiokorkeusmenetelmän käyttö on nopeampaa. Vakiovirtamenetelmän käyttäminen auttaa välttämään kärjen törmäämistä pinnalla oleviin asioihin, joten sillä voidaan tutkia karkeampia asioita.

 

Atomien siirtäminen

STM voi siirtää atomin (tai molekyylin) uuteen paikkaan pinnalla. Atomin siirtämiseksi kärkeä siirretään niin, että se koskettaa atomia. Sitten kärki vetää tai työntää atomia uuteen paikkaan. Atomeja siirtämällä tutkijat voivat järjestää ne pieniksi objekteiksi, jolloin he voivat testata niiden ominaisuuksia ja kokeilla uusia ideoita.

 

STM:n osat

STM:n osat ovat: skannauskärki, jokin, joka liikuttaa kärkeä, jokin, joka estää kärkeä värähtelemästä, ja tietokone, joka ohjaa kärkeä ja tekee kuvan.

 
STM:n osat  


Lähikuva yksinkertaisesta pyyhkäisytunnelimikroskoopin päästä St Andrewsin yliopistossa, joka skannaa MoS:ää2 käyttäen platina-ridium-kynää.  

Aiheeseen liittyvät sivut

• Atomivoimamikroskooppi
• Mikroskooppi

 

Kirjallisuus

• Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, s. 805 - 813.
• Bardeen, J.: Tunneling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961, s. 57-59.
• Chen, C. J.: Physical Review Letters 65 (4), 1990, s. 448-451.

• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ja E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ja E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber ja E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, s. 178-180 (1982).
• R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, volume 15, issue 9, pages 1135-1151, 2004.