Скануючий тунельний мікроскоп - це

мікроскоп

Скануючий тунельний мікроскоп(СТМ, англ.STM - scanning tunneling microscope) - варіант скануючого зондового мікроскопа, призначений для вимірювання рельєфу провідних поверхонь з високою просторовою роздільною здатністю. У СТМ гостра металева голка підводиться до зразка на відстань кількох ангстрем. При подачі голки щодо зразка невеликого потенціалу виникає тунельний струм. Розмір цього струму експоненційно залежить від відстані зразок-голка. Типові значення 1-1000 пА на відстані близько 1 Å. Скануючий тунельний мікроскоп перший із класу скануючих зондових мікроскопів; атомно-силовий та скануючий близькопольний оптичний мікроскопи були розроблені пізніше.

У процесі сканування голка рухається вздовж поверхні зразка, тунельний струм підтримується стабільним за рахунок дії зворотного зв'язку, і показання системи, що слідкує, змінюються в залежності від топографії поверхні. Такі зміни фіксуються, і їх основі будується карта висот. Інша методика передбачає рух голки на фіксованій висоті над поверхнею зразка. У цьому випадку фіксується зміна величини тунельного струму і на основі цієї інформації йде побудова топографії поверхні.

Таким чином, скануючий тунельний мікроскоп (СТМ) включає наступні елементи:

  • зонд (голку),
  • систему переміщення зонда щодо зразка по 2-м (X-Y) або 3-м (X-Y-Z) координатам,
  • реєструючу систему.

Реєструюча система фіксує значення функції, яка залежить від величини струму між голкою і зразком, або переміщення голки по осі Z. Зазвичай значення, що реєструється, обробляється системою негативного зворотного зв'язку, якакерує положенням зразка або зонда однією з координат (Z). Як система зворотного зв'язку найчастіше використовується ПІД-регулятор. Обмеження на використання методу накладаються, по-перше, умовою провідності зразка (поверхневий опір має бути не більше 20 МОм/см²), по-друге, умовою «глибина канавки має бути меншою за її ширину», тому що в іншому випадку може спостерігатися тунелювання з бічних поверхонь. Але це лише основні обмеження. Насправді їх набагато більше. Наприклад, технологія заточування голки не може гарантувати одного вістря на кінці голки, а це може призводити до паралельного сканування двох різновисотних ділянок. Крім ситуації глибокого вакууму, у всіх інших випадках ми маємо на поверхні осаджені з повітря частки, гази і т. д. Технологія грубого зближення також колосальний вплив на дійсність отриманих результатів. Якщо при підведенні голки до зразка ми не змогли уникнути удару голки об поверхню, то вважати голку піраміди, що складається з одного атома на кінчику, буде великим перебільшенням.

Історія створення

Скануючий тунельний мікроскоп (СТМ) у сучасному вигляді винайдений (принципи цього класу приладів були закладені раніше іншими дослідниками) Гердом Карлом Біннігом та Генріхом Рорером з лабораторії IBM у Цюріху у 1981 році. За цей винахід були удостоєні Нобелівської премії з фізики за 1986 рік, яка була розділена між ними та винахідником електронного мікроскопа Е. Руска, що просвічує.

У СРСР перші роботи з цієї тематики було зроблено у 1985 році в Інституті Фізичних проблем АН СРСР.