Eine Abtastung tunneling Mikroskop (STM) ist ein Instrument, um Oberflächen am Atomniveau darzustellen. Seine Entwicklung 1981 hat seine Erfinder, Gerd Binnig und Heinrich Rohrer (an IBM Zürich), der Nobelpreis in der Physik 1986 verdient. Für einen STM, wie man betrachtet, ist gute Entschlossenheit 0.1 nm seitliche Entschlossenheit und 0.01 nm Tiefe-Entschlossenheit. Mit dieser Entschlossenheit werden individuelle Atome innerhalb von Materialien alltäglich dargestellt und manipuliert. Der STM kann nicht nur im Ultrahochvakuum sondern auch in Luft, Wasser, und verschiedener anderer Flüssigkeit oder Benzin ambients, und bei Temperaturen im Intervall von fast der Null kelvin zu einigen hundert Grad Celsius verwendet werden.

Der STM basiert auf dem Konzept des Quants tunneling. Wenn ein Leiten-Tipp sehr in der Nähe von der zu untersuchenden Oberfläche gebracht wird, kann eine Neigung (Stromspannungsunterschied) angewandt zwischen den zwei Elektronen dem Tunnel durch das Vakuum zwischen ihnen erlauben. Der resultierende tunneling Strom ist eine Funktion der Tipp-Position, angewandten Stromspannung und der lokalen Dichte von Staaten (LDOS) der Probe. Information wird durch die Überwachung des Stroms erworben, weil die Position des Tipps über die Oberfläche scannt, und gewöhnlich in der Bildform gezeigt wird. STM kann eine schwierige Technik sein, weil er äußerst saubere und stabile Oberflächen, scharfe Tipps, ausgezeichnete Vibrieren-Kontrolle und hoch entwickelte Elektronik verlangt.

Verfahren

Erstens wird eine Stromspannungsneigung angewandt, und der Tipp wird in der Nähe von der Probe durch etwas raue Kontrolle der Probe zum Tipp gebracht, die abgedreht wird, wenn der Tipp und die Probe genug nah sind. An der nahen Reihe, feinen Kontrolle des Tipps in allen drei Dimensionen, wenn in der Nähe von der Probe normalerweise piezoelektrisch ist, mit dem Tippbeispieltrennung W normalerweise in der 4-7 Å-Reihe aufrechterhaltend, die die Gleichgewicht-Position zwischen dem attraktiven ist (3 In dieser Situation wird die Stromspannungsneigung Elektronen zum Tunnel zwischen dem Tipp und der Probe verursachen, einen Strom schaffend, der gemessen werden kann. Sobald tunneling gegründet wird, können die Neigung des Tipps und Position in Bezug auf die Probe geändert werden (mit den Details dieser Schwankung abhängig vom Experiment), und Daten werden bei den resultierenden Änderungen im Strom erhalten.

Wenn der Tipp über die Probe im x-y Flugzeug, die Änderungen in der Oberflächenhöhe und Dichte von Zustandursache-Änderungen im Strom bewegt wird. Diese Änderungen werden in Images kartografisch dargestellt. Diese Änderung im Strom in Bezug auf die Position kann selbst gemessen werden, oder die Höhe, z, des Tipps entsprechend einem unveränderlichen Strom kann gemessen werden. Diese zwei Weisen werden unveränderliche Höhe-Weise und unveränderliche aktuelle Weise beziehungsweise genannt. In der unveränderlichen aktuellen Weise passt Feed-Back-Elektronik die Höhe durch eine Stromspannung zum piezoelektrischen Höhe-Kontrollmechanismus an. Das führt zu einer Höhe-Schwankung, und so kommt das Image aus der Tipp-Topografie über die Probe und gibt eine unveränderliche Anklage-Dichte-Oberfläche; das bedeutet, dass die Unähnlichkeit auf dem Image wegen Schwankungen verantwortlich Dichte ist. In der unveränderlichen Höhe-Weise werden die Stromspannung und Höhe beide festgehalten, während sich der Strom ändert, um die Stromspannung vom Ändern abzuhalten; das führt zu einem aus dem Strom gemachten Image stellt die Oberfläche um, die verbunden sein kann, um Dichte zu beladen. Der Vorteil für das Verwenden einer unveränderlichen Höhe-Weise ist, dass es schneller ist, weil die piezoelektrischen Bewegungen verlangen, dass mehr Zeit die Höhe-Änderung in der unveränderlichen aktuellen Weise einschreibt als die Stromspannungsänderung in der unveränderlichen Höhe-Weise. Alle durch STM erzeugten Images sind grayscale mit der in der Postverarbeitung fakultativ hinzugefügten Farbe, um wichtige Eigenschaften visuell zu betonen.

Zusätzlich zur Abtastung über die Probe kann die Information über die elektronische Struktur an einer gegebenen Position in der Probe durch die umfassende Stromspannung und den Messstrom an einer spezifischen Position erhalten werden. Dieser Typ des Maßes wird Abtastung tunneling Spektroskopie (STS) genannt und läuft normalerweise auf einen Anschlag der lokalen Dichte von Staaten als eine Funktion der Energie innerhalb der Probe hinaus. Der Vorteil von STM über andere Maße der Dichte von Staaten liegt in seiner Fähigkeit, äußerst lokale Maße zu machen: Zum Beispiel kann die Dichte von Staaten an einer Unreinheitsseite im Vergleich zur Dichte von von Unreinheiten weiten Staaten sein.

Framerates von mindestens 1 Hz ermöglichen so genanntes Video-STM (bis zu 50 Hz ist möglich). Das kann verwendet werden, um Oberflächenverbreitung zu scannen.

Instrumentierung

Die Bestandteile eines STM schließen Abtastungstipp, piezoelektrische kontrollierte Höhe und x, y Scanner, raue Kontrolle der Probe zum Tipp, Vibrieren-Isolierungssystem und Computer ein.

Die Entschlossenheit eines Images wird durch den Radius der Krümmung des Abtastungstipps des STM beschränkt. Zusätzlich können Bildkunsterzeugnisse vorkommen, wenn der Tipp zwei Tipps am Ende aber nicht einem einzelnen Atom hat; das führt "zu Bildaufbereitung des doppelten Tipps," eine Situation, in der beide Tipps zum tunneling beitragen. Deshalb ist es notwendig gewesen, Prozesse zu entwickeln, um scharfe, verwendbare Tipps durchweg zu erhalten. Kürzlich ist Kohlenstoff nanotubes in diesem Beispiel verwendet worden.

Der Tipp wird häufig aus dem Wolfram oder Platin-Iridium gemacht, obwohl Gold auch verwendet wird. Wolfram-Tipps werden gewöhnlich durch das elektrochemische Ätzen und die Tipps des Platin-Iridiums durch die mechanische Schur gemacht.

Wegen der äußersten Empfindlichkeit des Tunnel-Stroms zur Höhe, richtigen Vibrieren-Isolierung oder einem äußerst starren STM Körper ist befehlend, um verwendbare Ergebnisse zu erhalten. Im ersten STM durch Binnig und Rohrer wurde magnetische Levitation verwendet, um das STM freie von Vibrationen zu behalten; jetzt werden mechanische Frühlings- oder Gasfrühlingssysteme häufig verwendet. Zusätzlich werden Mechanismen, um Wirbel-Ströme zu reduzieren, manchmal durchgeführt.

Das Aufrechterhalten der Tipp-Position in Bezug auf die Probe, die Abtastung der Probe und das Erwerben der Daten sind kontrollierter Computer. Der Computer kann auch verwendet werden, für das Image mit der Hilfe der Bildverarbeitung sowie des Durchführens von quantitativen Maßen zu erhöhen.

Anderer STM hat Studien verbunden

Viele andere Mikroskopie-Techniken sind gestützt auf STM entwickelt worden. Diese schließen Foton-Abtastungsmikroskopie (PSTM) ein, der einen optischen Tipp an Tunnel-Fotonen verwendet; Abtastung tunneling potentiometry (STP), die elektrisches Potenzial über eine Oberfläche misst; Drehung hat Abtastung tunneling Mikroskopie polarisiert (SPSTM), die einen eisenmagnetischen Tipp am Tunnel Drehungspolarisierte Elektronen in eine magnetische Probe und Atomkraft-Mikroskopie (AFM) verwendet, in der die Kraft, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Tipp und der Probe verursacht ist, gemessen wird.

Andere STM Methoden schließen Manipulierung des Tipps ein, um die Topografie der Probe zu ändern. Das ist aus mehreren Gründen attraktiv. Erstens hat der STM ein atomar genaues Positionierungssystem, das sehr genaue Atomskala-Manipulation erlaubt. Außerdem, nachdem die Oberfläche durch den Tipp modifiziert wird, ist es eine einfache Sache zu dann dem Image mit demselben Tipp, ohne das Instrument zu ändern.

Forscher von IBM haben eine Weise entwickelt, auf einer Nickel-Oberfläche adsorbierte Atome von Xenon zu manipulieren. Diese Technik ist verwendet worden, um Elektron"Hürden" mit einer kleinen Zahl von adsorbierten Atomen zu schaffen, die dem STM erlaubt, verwendet zu werden, um Elektronschwingungen von Friedel auf der Oberfläche des Materials zu beobachten.

Beiseite vom Ändern der wirklichen Beispieloberfläche kann man auch den STM an Tunnel-Elektronen in eine Schicht des E-Balkens verwenden photowidersetzen sich auf einer Probe, um Steindruckverfahren zu tun. Das ist im Vorteil des Angebotes von mehr Kontrolle der Aussetzung als traditionelles Elektronbalken-Steindruckverfahren. Eine andere praktische Anwendung von STM ist Atomabsetzung von Metallen (Au, Ag, W, usw.) mit jedem gewünschten (vorprogrammierten) Muster, das als Kontakte an nanodevices oder als nanodevices selbst gewöhnt sein kann.

Kürzlich haben Gruppen gefunden, dass sie den STM-Tipp verwenden können, um individuelle Obligationen innerhalb von einzelnen Molekülen rotieren zu lassen. Der elektrische Widerstand des Moleküls hängt von der Orientierung des Bandes ab, so wird das Molekül effektiv ein molekularer Schalter.

Grundsatz der Operation

Tunneling ist ein fungierendes Konzept, das aus der Quant-Mechanik entsteht. Klassisch wird ein Gegenstand, der eine undurchdringliche Barriere schlägt, nicht durchgehen. Im Gegensatz haben Gegenstände mit einer sehr kleinen Masse, wie das Elektron, wellemäßige Eigenschaften, die solch ein Ereignis erlauben, das auf als tunneling verwiesen ist.

Elektronen benehmen sich als Balken der Energie, und in Gegenwart von einem Potenzial U (z), 1-dimensionalen Fall annehmend, die Energieniveaus ψ (z) der Elektronen werden durch Lösungen der Gleichung von Schrödinger, gegeben

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wo ħ die Konstante von reduziertem Planck ist, ist z die Position, und M ist die Masse eines Elektrons. Wenn ein Elektron der Energie E Ereignis auf eine Energiebarriere der Höhe U (z) ist, ist die Elektronwelle-Funktion eine Reisen-Welle-Lösung,

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wo

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wenn E> U (z), der für eine Welle wahr ist, innerhalb des Tipps oder innerhalb der Probe fungieren. Innerhalb einer Barriere, E

wo::

misst den Zerfall der Welle innerhalb der Barriere, mit der Barriere in der +z Richtung dafür.

Das Wissen der Welle-Funktion erlaubt, die Wahrscheinlichkeitsdichte für dieses an einer Position zu findende Elektron zu berechnen. Im Fall von tunneling überlappen der Tipp und die Beispielwelle-Funktionen solch das, wenn unter einer Neigung es etwas begrenzte Wahrscheinlichkeit gibt, um das Elektron im Barriere-Gebiet und sogar auf der anderen Seite der Barriere zu finden. Lassen Sie uns annehmen, dass die Neigung V ist und die Barriere-Breite W ist. Diese Wahrscheinlichkeit, P, dass ein Elektron an z=0 (verlassen Rand der Barriere) an z=W gefunden werden kann (richtiger Rand der Barriere) ist zur Welle-Funktion quadratisch gemacht, proportional

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Wenn die Neigung klein ist, können wir U  E  φM im Ausdruck für κ lassen, wo φM, die Arbeitsfunktion, die minimale Energie gibt, musste ein Elektron von einem besetzten Niveau bringen, von denen der höchste am Niveau von Fermi (für Metalle an T=0 kelvins) zum Vakuumniveau ist. Wenn eine kleine Neigung V auf das System, nur elektronische Staaten sehr in der Nähe vom Niveau von Fermi, innerhalb von eV (ein Produkt der Elektronanklage und Stromspannung angewandt wird, um hier mit der electronvolt Einheit nicht verwirrt zu sein), sind aufgeregt. Diese aufgeregten Elektronen können Tunnel über die Barriere. Mit anderen Worten kommt tunneling hauptsächlich mit Elektronen von Energien in der Nähe vom Niveau von Fermi vor.

Jedoch verlangt tunneling wirklich, dass es ein leeres Niveau derselben Energie wie das Elektron für das Elektron zum Tunnel in auf der anderen Seite der Barriere gibt. Es ist wegen dieser Beschränkung, dass der tunneling Strom mit der Dichte von verfügbaren oder gefüllten Staaten in der Probe verbunden sein kann. Der Strom wegen einer angewandten Stromspannung V (nehmen tunneling an, kommt Probe vor, um Trinkgeld zu geben), hängt von zwei Faktoren ab: 1) die Zahl von Elektronen zwischen E und eV in der Probe, und 2) die Zahl unter ihnen, die entsprechende Freistaaten zum Tunnel in auf der anderen Seite der Barriere am Tipp haben. Die höhere Dichte von verfügbaren Staaten das größere der tunneling Strom. Wenn V, Elektronen im Tipp-Tunnel in leere Staaten in der Probe positiv ist; für eine negative Neigung, Elektrontunnel aus besetzten Staaten in der Probe in den Tipp.

Mathematisch wird dieser tunneling Strom durch gegeben

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Man kann die Wahrscheinlichkeit über Energien zwischen E  eV und E summieren, um die Zahl von Staaten zu bekommen, die in dieser Energiereihe pro Einheitsvolumen verfügbar sind, dadurch die lokale Dichte von Staaten (LDOS) in der Nähe vom Niveau von Fermi findend. Der LDOS in der Nähe von einer Energie E in einem Zwischenraum ε wird durch gegeben

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und der Tunnel-Strom auf einer kleinen Neigung V ist zum LDOS in der Nähe vom Niveau von Fermi proportional, das wichtige Information über die Probe gibt. Es ist wünschenswert, LDOS zu verwenden, um den Strom auszudrücken, weil sich dieser Wert nicht ändert, wie sich das Volumen ändert, während Wahrscheinlichkeitsdichte tut. So wird der tunneling Strom durch gegeben

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wo ρ (0, E) der LDOS in der Nähe vom Niveau von Fermi der Probe an der Beispieloberfläche ist. Dieser Strom kann auch in Bezug auf den LDOS in der Nähe vom Niveau von Fermi der Probe an der Tipp-Oberfläche, ausgedrückt werden

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Der Exponentialbegriff in den obengenannten Gleichungen bedeutet, dass kleine Schwankungen in W außerordentlich den Tunnel-Strom beeinflussen. Wenn die Trennung durch 1 Ǻ, die aktuellen Zunahmen durch eine Größenordnung, und umgekehrt vermindert wird.

Diese Annäherung scheitert, für die Rate verantwortlich zu sein, an der Elektronen die Barriere passieren können. Diese Rate sollte den Tunnel-Strom betreffen, so kann es mit der goldenen Regel von Fermi mit dem passenden tunneling Matrixelement behandelt werden. John Bardeen hat dieses Problem in seiner Studie des mit dem Isolator metallenen Verbindungspunkts behoben. Er hat gefunden, dass, wenn er die Gleichung von Schrödinger für jede Seite des Verbindungspunkts getrennt gelöst hat, um die Welle-Funktionen ψ und χ für jede Elektrode zu erhalten, er die Tunnel-Matrix, M vom Übergreifen dieser zwei Welle-Funktionen erhalten konnte. Das kann auf STM durch das Bilden der Elektroden den Tipp und die Probe, das Zuweisen ψ und χ als Probe und Tipp-Welle-Funktionen, beziehungsweise, und das Auswerten der M an einer Oberfläche S zwischen den Metallelektroden angewandt werden, wo z=0 an der Beispieloberfläche und z=W am Tipp erscheinen.

Jetzt gibt die Goldene Regel von Fermi die Quote für die Elektronübertragung über die Barriere, und wird geschrieben

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wo δ (E-E) tunneling einschränkt, um nur zwischen Elektronniveaus mit derselben Energie vorzukommen. Das Tunnel-Matrixelement, das durch gegeben ist

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ist eine Beschreibung der niedrigeren Energie, die mit der Wechselwirkung von Welle-Funktionen am Übergreifen auch vereinigt ist, genannt die Klangfülle-Energie.

Das Summieren über alle Staaten gibt den tunneling Strom als

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wo f die Funktion von Fermi, ρ ist und ρ die Dichte von Staaten in der Probe und dem Tipp beziehungsweise sind. Die Fermi Vertriebsfunktion beschreibt die Füllung von Elektronniveaus bei einer gegebenen Temperatur T.

Frühe Erfindung

Eine frühere, ähnliche Erfindung, Topografiner von R. Young, J. Ward, und F. Scire vom NIST, haben sich auf die Feldemission verlassen. Jedoch wird Young vom Komitee von Nobel als die Person geglaubt, die begriffen hat, dass es möglich sein sollte, bessere Entschlossenheit durch das Verwenden des Tunneleffekts zu erreichen.

Siehe auch

• Mikroskopie
• Die Abtastung der Untersuchungsmikroskopie

Die Abtastung tunneling Spektroskopie

• Elektrochemische Abtastung tunneling Mikroskop
• Atomkraft-Mikroskop
• Elektronmikroskop
• Spinnen Sie polarisierte Abtastung tunneling Mikroskopie

Weiterführende Literatur

• Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theorie der Abtastung tunneling Mikroskop, Physische Rezension B 31, 1985, p. 805 - 813.
• Bardeen, J.: Tunnelbau aus einem Vielpartikel-Gesichtspunkt, Physische Rezensionsbriefe 6 (2), 1961, p. 57-59.
• Chen, C. J.: Ursprung der Atomentschlossenheit auf Metalloberflächen in der Abtastung der Tunneling Mikroskopie, Physische Rezensionsbriefe 65 (4), 1990, p. 448-451
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, und E. Weibel, Phys. Hochwürdiger. Lette. 50, 120 - 123 (1983)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, und E. Weibel, Phys. Hochwürdiger. Lette. 49, 57 - 61 (1982)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, und E. Weibel, Appl. Phys. Lette. Vol. 40, Ausgabe 2, Seiten 178-180 (1982)
• D. Fujita und K. Sagisaka, Aktuelle Rezension: Aktiver nanocharacterization von nanofunctional Materialien durch die Abtastung tunneling der Mikroskopie Sci. Technol. Adv. Mama. 9, 013003 (9pp) (2008) (kostenloser Download).
• Theorie von STM und Zusammenhängenden Abtastungsuntersuchungsmethoden. Springer-Reihe in Oberflächenwissenschaften, Band 3. Springer, Berlin 1998

Links

• Ein Mikroskop filmt ein Mikroskop (Mpeg, AVI Kino)
• Das Surren in NanoWorld (Zeichentrickfilm mit gemessenen STM Images)
• NobelPrize.org Website über STM, einschließlich eines interaktiven STM Simulators.
• SPM - Untersuchungsmikroskopie-Website scannend
• Die STM Galerie Image an IBM Almaden Research Center
• STM Galerie an der Wiener Universität der Technologie
• SPM Galerie: Erscheinen Sie Ansehen, Collagen, Gestaltungsarbeiten, Tischtapeten
• Bauen Sie einen einfachen STM mit Kosten von Materialien weniger als 100.00 $, Oszilloskops ausschließend
• Nanotimes Simulierungsmotor, tunneling Mikroskop zu scannen
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