STM (сканирующая туннельная микроскопия)

Сканирующая туннельная микроскопия (STM) – это метод микроскопии, позволяющий получать изображения поверхности материалов на атомном уровне. В основе метода лежит использование эффекта квантового туннелирования электронов между острием зонда и поверхностью образца. Этот метод находит широкое применение в различных областях науки и техники, от исследования наноматериалов до модификации поверхностей на атомном уровне. ООО Суо Ибо Технолоджи предлагает широкий спектр оборудования для материаловедения, включая системы для подготовки образцов и анализа их структуры. Узнайте больше на suoyibo-mat.ru.

Что такое сканирующая туннельная микроскопия (STM)?

Сканирующая туннельная микроскопия (STM) – это метод визуализации поверхности материалов на атомном уровне, основанный на принципе квантового туннелирования. В отличие от оптической микроскопии, разрешающая способность STM не ограничивается дифракцией света, что позволяет получать изображения с атомным разрешением. Метод был разработан Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году.

Принцип работы STM

В основе работы STM лежит использование острого металлического зонда, который подводится к исследуемой поверхности на расстояние нескольких ангстрем (1 ? = 0.1 нм). При приложении напряжения между зондом и поверхностью возникает туннельный ток, обусловленный квантовым туннелированием электронов через потенциальный барьер. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между зондом и поверхностью. Это свойство используется для создания изображения поверхности:

• Режим постоянной высоты: Зонд перемещается над поверхностью на постоянной высоте. Изменения туннельного тока регистрируются и используются для построения изображения. Этот режим подходит для относительно ровных поверхностей.
• Режим постоянного тока: Система обратной связи поддерживает постоянный туннельный ток, регулируя высоту зонда над поверхностью. Изменения высоты зонда регистрируются и используются для построения изображения. Этот режим более подходит для неровных поверхностей.

Схема работы STM представлена на рисунке ниже. (Примечание: Реальный рисунок или схему следует добавить здесь, но в данном текстовом примере она отсутствует.)

Основные компоненты STM

Типичный STM состоит из следующих основных компонентов:

• Зонд: Острый металлический зонд, обычно изготавливаемый из вольфрама, платины или иридия. Радиус кривизны острия зонда должен быть как можно меньше для достижения высокого разрешения.
• Пьезоэлектрический сканер: Используется для точного перемещения зонда в трех измерениях. Пьезоэлектрические материалы изменяют свои размеры при приложении напряжения, что позволяет осуществлять перемещение с суб-ангстремной точностью.
• Система обратной связи: Поддерживает постоянный туннельный ток или высоту зонда. Система обратной связи состоит из электронных компонентов, которые измеряют туннельный ток и регулируют напряжение на пьезоэлектрическом сканере.
• Система виброизоляции: Предотвращает воздействие внешних вибраций на систему, что может ухудшить качество изображения. Системы виброизоляции могут быть активными (с использованием электроники) или пассивными (с использованием механических демпферов).
• Компьютер и программное обеспечение: Используются для управления STM, сбора данных и обработки изображений.

Применение сканирующей туннельной микроскопии (STM)

STM находит широкое применение в различных областях науки и техники, в том числе:

• Наука о материалах: Исследование структуры и свойств поверхности материалов на атомном уровне. Это позволяет изучать процессы роста тонких пленок, адсорбции молекул, коррозии и других явлений.
• Нанотехнологии: Создание и манипулирование наноструктурами на атомном уровне. STM может использоваться для перемещения отдельных атомов и молекул по поверхности, создания квантовых точек и других наноструктур.
• Химия: Изучение химических реакций на поверхности материалов. STM позволяет визуализировать отдельные молекулы и наблюдать за их взаимодействием.
• Биология: Исследование структуры и свойств биологических молекул, таких как ДНК и белки. STM может использоваться для получения изображений биологических молекул в их естественном окружении.
• Электроника: Исследование электронных свойств поверхности материалов. STM может использоваться для измерения локальной плотности состояний электронов и для создания электронных устройств на атомном уровне.

Примеры применения STM

Ниже приведены конкретные примеры применения STM:

• Исследование графена: STM широко используется для изучения структуры и электронных свойств графена – двумерного материала, состоящего из одного слоя атомов углерода. STM позволяет визуализировать дефекты в структуре графена и измерять локальную проводимость.
• Создание квантовых точек: STM может использоваться для создания квантовых точек – полупроводниковых наноструктур, которые обладают уникальными электронными и оптическими свойствами. Квантовые точки находят применение в солнечных батареях, светодиодах и других электронных устройствах.
• Изучение адсорбции молекул: STM позволяет изучать процесс адсорбции молекул на поверхности материалов. Это важно для понимания каталитических реакций и других процессов, происходящих на поверхности.

Преимущества и недостатки STM

Как и любой метод, STM имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества STM

• Атомное разрешение: STM позволяет получать изображения поверхности материалов на атомном уровне.
• Информация о электронной структуре: STM позволяет получать информацию не только о топографии поверхности, но и о ее электронной структуре.
• Работа в различных условиях: STM может работать в вакууме, в атмосфере и в жидкости.

Недостатки STM

• Проводимость образца: STM требует, чтобы исследуемый образец был проводящим или полупроводящим.
• Чувствительность к вибрациям: STM очень чувствителен к вибрациям, что требует использования сложных систем виброизоляции.
• Ограниченная область сканирования: Область сканирования STM обычно ограничена несколькими микрометрами.

Современные тенденции и перспективы развития STM

В настоящее время активно развивается несколько направлений в области STM:

• Разработка новых типов зондов: Разрабатываются новые типы зондов с улучшенными характеристиками, такими как более высокое разрешение и чувствительность.
• Комбинирование STM с другими методами: STM комбинируется с другими методами микроскопии и спектроскопии, такими как атомно-силовая микроскопия (АСМ) и спектроскопия туннельных электронов (STS), для получения более полной информации о свойствах поверхности.
• Разработка STM для работы в экстремальных условиях: Разрабатываются STM для работы в экстремальных условиях, таких как высокие и низкие температуры, а также в агрессивных средах.

STM продолжает оставаться мощным инструментом для исследования материалов на атомном уровне. Развитие новых технологий и методов открывает новые возможности для применения STM в различных областях науки и техники.

Сравнение STM с другими методами микроскопии

Для лучшего понимания возможностей STM, полезно сравнить его с другими методами микроскопии. Ниже приведена таблица, сравнивающая STM с оптической микроскопией, электронной микроскопией (SEM и TEM) и атомно-силовой микроскопией (АСМ).

Эта таблица демонстрирует, что STM, благодаря своему уникальному принципу действия, занимает важное место среди методов микроскопии, предоставляя уникальную информацию о структуре и свойствах материалов на атомном уровне.