გვირაბის მიკროსკოპი არის უაღრესად ძლიერი ინსტრუმენტი მყარი მდგომარეობის სისტემების ელექტრონული სტრუქტურის შესასწავლად. მისი ტოპოგრაფიული გამოსახულებები ხელს უწყობს ქიმიური სპეციფიკური ზედაპირის ანალიზის ტექნიკის გამოყენებას, რაც იწვევს ზედაპირის სტრუქტურულ განსაზღვრას. ამ სტატიაში შეგიძლიათ შეიტყოთ მოწყობილობის, ფუნქციების და მნიშვნელობის შესახებ, ასევე იხილოთ გვირაბის მიკროსკოპის ფოტო.
შემქმნელები
ასეთი მიკროსკოპის გამოგონებამდე ზედაპირების ატომური სტრუქტურის შესწავლის შესაძლებლობები ძირითადად შემოიფარგლებოდა დიფრაქციული მეთოდებით რენტგენის სხივების, ელექტრონების, იონების და სხვა ნაწილაკების სხივების გამოყენებით. გარღვევა მოხდა, როდესაც შვეიცარიელმა ფიზიკოსებმა გერდ ბინიგმა და ჰაინრიხ რორერმა შექმნეს პირველი გვირაბის მიკროსკოპი. მათ პირველი გამოსახულებისთვის ოქროს ზედაპირი აირჩიეს. როდესაც სურათი ტელევიზორის მონიტორზე აჩვენეს, მათ დაინახეს ზუსტად დალაგებული ატომების რიგები და დააკვირდნენ ფართო ტერასებს, რომლებიც გამოყოფილი იყო ერთი ატომის სიმაღლეზე. ბინიგი და რორერიაღმოაჩინა მარტივი მეთოდი ზედაპირების ატომური სტრუქტურის პირდაპირი გამოსახულების შესაქმნელად. მათი შთამბეჭდავი მიღწევა მიენიჭა ნობელის პრემიას ფიზიკაში 1986 წელს.
წინამორბედი
მსგავსი მიკროსკოპი სახელწოდებით Topografiner გამოიგონეს რასელ იანგმა და მისმა კოლეგებმა 1965-1971 წლებში სტანდარტების ეროვნულ ბიუროში. ამჟამად ის არის სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული ინსტიტუტი. ეს მიკროსკოპი მუშაობს იმ პრინციპით, რომ მარცხენა და მარჯვენა პიეზო დრაივერები სკანირებენ წვერი ნიმუშის ზედაპირის ზემოთ და ოდნავ ზემოთ. ცენტრალური პიეზო კონტროლირებადი სერვერის დისკი აკონტროლებს სერვერის სისტემას მუდმივი ძაბვის შესანარჩუნებლად. ეს იწვევს მუდმივ ვერტიკალურ განცალკევებას წვერსა და ზედაპირს შორის. ელექტრონის მულტიპლიკატორი აღმოაჩენს გვირაბის დენის მცირე ნაწილს, რომელიც გაფანტულია ნიმუშის ზედაპირზე.
სქემატური ხედი
გვირაბის მიკროსკოპის ასამბლეა მოიცავს შემდეგ კომპონენტებს:
- სკანირების რჩევა;
- კონტროლერი წვერი ერთი კოორდინატიდან მეორეზე გადასატანად;
- ვიბრაციის იზოლაციის სისტემა;
- კომპიუტერი.
წვერი ხშირად მზადდება ვოლფრამის ან პლატინა-ირიდიუმისგან, თუმცა ოქროც გამოიყენება. კომპიუტერი გამოიყენება გამოსახულების გასაუმჯობესებლად გამოსახულების დამუშავებისა და რაოდენობრივი გაზომვების გასაკეთებლად.
როგორ მუშაობს
გვირაბის მუშაობის პრინციპიმიკროსკოპი საკმაოდ რთულია. წვერის ზედა ელექტრონები არ შემოიფარგლება ლითონის შიგნით არსებული რეგიონით პოტენციური ბარიერით. ისინი მოძრაობენ დაბრკოლებაში, ისევე როგორც მეტალში მოძრაობა. იქმნება თავისუფლად მოძრავი ნაწილაკების ილუზია. სინამდვილეში, ელექტრონები მოძრაობენ ატომიდან ატომში, გადიან პოტენციურ ბარიერს ორ ატომურ ადგილს შორის. ბარიერთან ყოველი მიახლოებისთვის გვირაბის გაყვანის ალბათობა არის 10:4. ელექტრონები მას კვეთენ წამში 1013 სიჩქარით. გადაცემის ეს მაღალი სიჩქარე ნიშნავს, რომ მოძრაობა არის მნიშვნელოვანი და უწყვეტი.
მეტალის წვერის ზედაპირზე ძალიან მცირე მანძილზე გადაადგილებით, ატომური ღრუბლების გადაფარვით, ხდება ატომური გაცვლა. ეს ქმნის ელექტრული დენის მცირე რაოდენობას, რომელიც მიედინება წვერსა და ზედაპირს შორის. მისი გაზომვა შესაძლებელია. ამ მიმდინარე ცვლილებებით, გვირაბის მიკროსკოპი გვაწვდის ინფორმაციას ზედაპირის სტრუქტურისა და ტოპოგრაფიის შესახებ. მასზე დაყრდნობით ატომური მასშტაბით აგებულია სამგანზომილებიანი მოდელი, რომელიც იძლევა ნიმუშის გამოსახულებას.
გვირაბის გაყვანა
როდესაც წვერი ნიმუშთან ახლოს მოძრაობს, მასსა და ზედაპირს შორის მანძილი მცირდება იმ სიდიდემდე, რომელიც შედარებულია გისოსის მეზობელ ატომებს შორის არსებული უფსკრულით. გვირაბის ელექტრონს შეუძლია გადაადგილება მათკენ ან ზონდის წვერზე მდებარე ატომისკენ. ზონდის დენი ზომავს ელექტრონის სიმკვრივეს ნიმუშის ზედაპირზე და ეს ინფორმაცია ნაჩვენებია სურათზე. ატომების პერიოდული მასივი აშკარად ჩანს მასალებზე, როგორიცაა ოქრო, პლატინა, ვერცხლი, ნიკელი და სპილენძი. ვაკუუმიელექტრონების გვირაბი წვერიდან ნიმუშამდე შეიძლება მოხდეს, მიუხედავად იმისა, რომ გარემო არ არის ვაკუუმი, არამედ სავსეა აირით ან თხევადი მოლეკულებით.
ბარიერის სიმაღლის ფორმირება
ადგილობრივი ბარიერის სიმაღლის სპექტროსკოპია გვაწვდის ინფორმაციას მიკროსკოპული ზედაპირის სამუშაო ფუნქციის სივრცითი განაწილების შესახებ. გამოსახულება მიიღება გვირაბის დენის ლოგარითმული ცვლილების წერტილი-წერტილ გაზომვით, გამყოფი უფსკრული გადაქცევის გათვალისწინებით. ბარიერის სიმაღლის გაზომვისას ზონდსა და ნიმუშს შორის მანძილი მოდულირებულია სინუსოიდულად დამატებითი ცვლადი ძაბვის გამოყენებით. მოდულაციის პერიოდი არჩეულია ბევრად უფრო მოკლე, ვიდრე უკუკავშირის მარყუჟის დროის მუდმივი გვირაბის მიკროსკოპში.
მნიშვნელობა
ამ ტიპის სკანირების ზონდის მიკროსკოპმა საშუალება მისცა ნანოტექნოლოგიების განვითარებას, რომლებიც უნდა მანიპულირებდეს ნანომეტრის ზომის ობიექტებზე (უმცირესი ვიდრე ხილული სინათლის ტალღის სიგრძე 400-დან 800 ნმ-მდე). გვირაბის მიკროსკოპი ნათლად ასახავს კვანტურ მექანიკას გარსის კვანტის გაზომვით. დღეს ამორფული არაკრისტალური მასალები შეინიშნება ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებით.
სილიკონის მაგალითი
სილიკონის ზედაპირები შესწავლილია უფრო ფართოდ, ვიდრე ნებისმიერი სხვა მასალა. ისინი მზადდებოდა ვაკუუმში გაცხელებით ისეთ ტემპერატურამდე, რომ ატომების რეკონსტრუქცია მოხდა გამოწვეულ პროცესში. რეკონსტრუქცია ძალიან დეტალურად არის შესწავლილი. ზედაპირზე წარმოიქმნა რთული ნიმუში, რომელიც ცნობილია როგორც Takayanagi 7 x 7. ატომები ქმნიდნენ წყვილებს,ან დიმერები, რომლებიც ერგება რიგებს, რომლებიც ვრცელდება საკვლევ სილიკონის მთელ ნაჭერზე.
კვლევა
გვირაბის მიკროსკოპის მუშაობის პრინციპის კვლევამ მიგვიყვანა დასკვნამდე, რომ მას შეუძლია იმუშაოს გარემომცველ ატმოსფეროში ისევე, როგორც ვაკუუმში. იგი მუშაობდა ჰაერში, წყალში, საიზოლაციო სითხეებში და ელექტროქიმიაში გამოყენებულ იონურ ხსნარებში. ეს ბევრად უფრო მოსახერხებელია, ვიდრე მაღალი ვაკუუმის მოწყობილობები.
გვირაბის მიკროსკოპი შეიძლება გაცივდეს მინუს 269 °C-მდე და გაცხელდეს პლუს 700 °C-მდე. დაბალი ტემპერატურა გამოიყენება ზეგამტარი მასალების თვისებების შესასწავლად, ხოლო მაღალი ტემპერატურა გამოიყენება ლითონების ზედაპირზე ატომების სწრაფი დიფუზიისა და მათი კოროზიის შესასწავლად.
გვირაბის მიკროსკოპი ძირითადად გამოიყენება ვიზუალიზაციისთვის, მაგრამ არსებობს მრავალი სხვა გამოყენება, რომელიც შესწავლილია. ზონდსა და ნიმუშს შორის ძლიერი ელექტრული ველი გამოიყენებოდა ატომების ნიმუშის ზედაპირის გასწვრივ გადასაადგილებლად. შესწავლილია გვირაბის მიკროსკოპის მოქმედება სხვადასხვა აირებზე. ერთ კვლევაში ძაბვა იყო ოთხი ვოლტი. წვერზე ველი საკმარისად ძლიერი იყო იმისთვის, რომ ატომები წვეროდან ამოეღო და სუბსტრატზე მოთავსდეს. ეს პროცედურა გამოიყენებოდა ოქროს ზონდთან ერთად, რათა გაეკეთებინათ მცირე ოქროს კუნძულები სუბსტრატზე რამდენიმე ასეული ოქროს ატომით. კვლევის დროს გამოიგონეს ჰიბრიდული გვირაბის მიკროსკოპი. ორიგინალური მოწყობილობა ინტეგრირებული იყო ბიპოტენციოსტატით.
