กล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังอย่างยิ่งในการศึกษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของระบบโซลิดสเตต ภาพภูมิประเทศช่วยในการประยุกต์เทคนิคการวิเคราะห์พื้นผิวจำเพาะทางเคมี นำไปสู่การกำหนดโครงสร้างของพื้นผิว คุณสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับอุปกรณ์ ฟังก์ชัน และความหมาย ตลอดจนดูภาพของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ได้ในบทความนี้
ผู้สร้าง
ก่อนการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าว ความเป็นไปได้ในการศึกษาโครงสร้างอะตอมของพื้นผิวส่วนใหญ่จำกัดอยู่ที่วิธีการเลี้ยวเบนโดยใช้ลำแสงของรังสีเอกซ์ อิเล็กตรอน ไอออน และอนุภาคอื่นๆ ความก้าวหน้าเกิดขึ้นเมื่อนักฟิสิกส์ชาวสวิส Gerd Binnig และ Heinrich Rohrer พัฒนากล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ตัวแรก พวกเขาเลือกพื้นผิวทองคำสำหรับรูปแรก เมื่อภาพถูกแสดงบนจอโทรทัศน์ พวกเขาเห็นแถวของอะตอมที่จัดเรียงไว้อย่างแม่นยำและสังเกตเห็นลานกว้างที่แยกจากกันด้วยขั้นบันไดสูงหนึ่งอะตอม Binnig และ Rohrerค้นพบวิธีง่ายๆ ในการสร้างภาพโดยตรงของโครงสร้างอะตอมของพื้นผิว ความสำเร็จที่น่าประทับใจของพวกเขาได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1986
สารตั้งต้น
กล้องจุลทรรศน์ที่คล้ายกันที่เรียกว่า Topografiner ถูกคิดค้นโดย Russell Young และเพื่อนร่วมงานของเขาระหว่างปี 1965 และ 1971 ที่สำนักงานมาตรฐานแห่งชาติ ปัจจุบันเป็นสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ กล้องจุลทรรศน์นี้ทำงานบนหลักการที่ว่าไดรเวอร์เพียโซด้านซ้ายและขวาสแกนส่วนปลายด้านบนและเหนือพื้นผิวตัวอย่างเล็กน้อย ไดรฟ์เซิร์ฟเวอร์ที่ควบคุมด้วยพายโซส่วนกลางถูกควบคุมโดยระบบเซิร์ฟเวอร์เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ ส่งผลให้มีการแยกส่วนปลายและพื้นผิวในแนวตั้งอย่างถาวร ตัวคูณอิเล็กตรอนจะตรวจจับส่วนเล็กๆ ของกระแสในอุโมงค์ที่กระจายไปบนพื้นผิวของตัวอย่าง
มุมมองแบบแผน
การประกอบกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ลอดประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้:
- เคล็ดลับการสแกน
- controller เพื่อย้ายส่วนปลายจากพิกัดหนึ่งไปยังอีกพิกัดหนึ่ง
- ระบบแยกการสั่นสะเทือน
- คอมพิวเตอร์
ปลายมักทำจากทังสเตนหรือแพลตตินั่ม-อิริเดียม ถึงแม้ว่าจะใช้ทองคำก็ตาม คอมพิวเตอร์ถูกใช้ในการปรับปรุงภาพด้วยการประมวลผลภาพและการวัดเชิงปริมาณ
มันทำงานอย่างไร
หลักการทำงานของอุโมงค์กล้องจุลทรรศน์ค่อนข้างซับซ้อน อิเล็กตรอนที่ด้านบนของส่วนปลายไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะบริเวณภายในโลหะโดยสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น พวกมันเคลื่อนที่ผ่านสิ่งกีดขวางเหมือนการเคลื่อนที่ในโลหะ ภาพลวงตาของอนุภาคที่เคลื่อนที่อย่างอิสระถูกสร้างขึ้น ในความเป็นจริง อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอม โดยผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นระหว่างสองตำแหน่งอะตอม สำหรับแต่ละวิธีไปยังสิ่งกีดขวาง ความน่าจะเป็นของการขุดอุโมงค์คือ 10:4 อิเล็กตรอนข้ามมันด้วยความเร็ว 1,013 ต่อวินาที อัตราการส่งข้อมูลที่สูงนี้หมายความว่ามีการเคลื่อนไหวอย่างมากและต่อเนื่อง
โดยการย้ายส่วนปลายของโลหะไปบนพื้นผิวในระยะทางที่เล็กมาก ซ้อนทับเมฆปรมาณู จะทำการแลกเปลี่ยนอะตอม สิ่งนี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยไหลระหว่างส่วนปลายและพื้นผิว สามารถวัดได้ จากการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเหล่านี้ กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างและภูมิประเทศของพื้นผิว บนพื้นฐานของมัน แบบจำลองสามมิติถูกสร้างขึ้นในระดับอะตอม ซึ่งให้ภาพของตัวอย่าง
อุโมงค์
เมื่อส่วนปลายเคลื่อนเข้าใกล้ตัวอย่าง ระยะห่างระหว่างมันกับพื้นผิวจะลดลงเป็นค่าที่เทียบได้กับช่องว่างระหว่างอะตอมที่อยู่ติดกันในโครงตาข่าย อิเล็กตรอนในอุโมงค์สามารถเคลื่อนที่เข้าหาพวกมันหรือเข้าหาอะตอมที่ปลายโพรบ กระแสในโพรบวัดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่าง และข้อมูลนี้จะแสดงบนรูปภาพ อาร์เรย์ของอะตอมจะมองเห็นได้ชัดเจนบนวัสดุต่างๆ เช่น ทอง แพลตตินั่ม เงิน นิกเกิล และทองแดง เครื่องดูดฝุ่นอุโมงค์อิเล็กตรอนจากปลายสู่ตัวอย่างสามารถเกิดขึ้นได้แม้ว่าสภาพแวดล้อมจะไม่ใช่สุญญากาศ แต่เต็มไปด้วยโมเลกุลของก๊าซหรือของเหลว
การสร้างความสูงของสิ่งกีดขวาง
สเปกโตรสโกปีความสูงของสิ่งกีดขวางในพื้นที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายเชิงพื้นที่ของฟังก์ชันการทำงานของพื้นผิวด้วยกล้องจุลทรรศน์ ภาพได้มาจากการวัดแบบจุดต่อจุดของการเปลี่ยนแปลงลอการิทึมในกระแสอุโมงค์ โดยคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงเป็นช่องว่างที่หารด้วย เมื่อวัดความสูงของสิ่งกีดขวาง ระยะห่างระหว่างโพรบกับตัวอย่างจะถูกมอดูเลตแบบไซน์โดยใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพิ่มเติม ช่วงเวลามอดูเลตถูกเลือกให้สั้นกว่าค่าคงที่ของเวลาลูปป้อนกลับในกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์มาก
ความหมาย
กล้องจุลทรรศน์โพรบสแกนชนิดนี้ทำให้เกิดการพัฒนานาโนเทคโนโลยีที่ต้องจัดการกับวัตถุขนาดนาโนเมตร (เล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ระหว่าง 400 ถึง 800 นาโนเมตร) กล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงกลศาสตร์ควอนตัมโดยการวัดควอนตัมของเปลือก ทุกวันนี้ มีการสังเกตวัสดุอสัณฐานที่ไม่ใช่ผลึกโดยใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอม
ตัวอย่างซิลิกอน
พื้นผิวซิลิกอนได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางมากกว่าวัสดุอื่นๆ พวกมันถูกเตรียมโดยการให้ความร้อนในสุญญากาศจนถึงอุณหภูมิที่อะตอมถูกสร้างขึ้นใหม่ในกระบวนการที่เกิดขึ้น การฟื้นฟูได้รับการศึกษาอย่างละเอียดถี่ถ้วน รูปแบบที่ซับซ้อนซึ่งก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวที่เรียกว่าทาคายานางิ 7 x 7 อะตอมก่อตัวเป็นคู่หรือไดเมอร์ที่พอดีกับแถวที่ขยายทั่วทั้งแผ่นซิลิกอนภายใต้การศึกษา
วิจัย
การวิจัยหลักการทำงานของกล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์ได้ข้อสรุปว่าสามารถทำงานในบรรยากาศโดยรอบได้ในลักษณะเดียวกับในสุญญากาศ โดยดำเนินการในอากาศ น้ำ ของเหลวที่เป็นฉนวน และสารละลายไอออนิกที่ใช้ในเคมีไฟฟ้า สะดวกกว่าอุปกรณ์ดูดฝุ่นแบบแรงสูง
กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สามารถระบายความร้อนได้ที่อุณหภูมิลบ 269 °C และให้ความร้อนที่อุณหภูมิบวก 700 °C อุณหภูมิต่ำใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติของวัสดุตัวนำยิ่งยวด และอุณหภูมิสูงใช้เพื่อศึกษาการแพร่อย่างรวดเร็วของอะตอมผ่านพื้นผิวของโลหะและการกัดกร่อนของอะตอม
กล้องจุลทรรศน์แบบเจาะอุโมงค์ใช้สำหรับการถ่ายภาพเป็นหลัก แต่ยังมีประโยชน์อื่นๆ อีกมากมายที่ได้มีการสำรวจ สนามไฟฟ้าแรงสูงระหว่างโพรบกับตัวอย่างถูกใช้เพื่อเคลื่อนอะตอมไปตามพื้นผิวของตัวอย่าง มีการศึกษาผลกระทบของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ในก๊าซต่างๆ ในการศึกษาหนึ่ง แรงดันไฟฟ้าคือสี่โวลต์ ฟิลด์ที่ส่วนปลายนั้นแข็งแรงพอที่จะเอาอะตอมออกจากส่วนปลายแล้ววางลงบนพื้นผิว ขั้นตอนนี้ใช้กับโพรบทองคำเพื่อสร้างเกาะทองคำขนาดเล็กบนพื้นผิวที่มีอะตอมทองคำหลายร้อยอะตอม ในระหว่างการวิจัย ได้มีการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์แบบไฮบริด อุปกรณ์ดั้งเดิมถูกรวมเข้ากับ bipotentiostat
