A pásztázó alagútmikroszkópia lehetővé teszi a kutatók számára, hogy egy vezető minta felületét atomról atomra, ultra-nagy felbontással, elektronsugarak vagy fény használata nélkül feltérképezzék, és közel negyven éve nyújt betekintést az anyag atomi szintjére. Ez a blogbejegyzés magas szintű áttekintést nyújt arról, hogy mi a pásztázó alagútmikroszkópia, hogyan működik, és hogyan alkalmazzák a kutatásban.
Mi a pásztázó alagútmikroszkópia (STM)?
A pásztázó alagútmikroszkópia vagy STM egy olyan képalkotási technika, amellyel fény vagy elektronsugarak használata nélkül, atomi szinten ultranagy felbontású képek készíthetők. Az STM-et 1981-ben találta fel az IBM két tudósa, Gerd Binnig és Heinrich Rohrer. Öt évvel később a találmányért fizikai Nobel-díjat kaptak.
Az STM volt az első technika, amelyet a pásztázó szondás mikroszkópia (SPM) képalkotó módszereinek nagyobb osztályában fejlesztettek ki. Abban az időben lehetővé tette a kutatók számára, hogy minden korábbi mikroszkópiánál lényegesen több részletet rögzítsenek – egészen az atomok és az atomok közötti távolságokig. Ez az ultranagy felbontású képesség lehetővé tette a kutatók számára, hogy pontosan feltérképezzék a vezető anyagok háromdimenziós topográfiáját és elektronikus állapotsűrűségét, sőt, még az egyes atomokat is manipulálni tudják ezen anyagok felületén. A következő évtizedekben az STM forradalmasította a nanotechnológia területét, és továbbra is fontos szerepet játszik a különböző tudományágak alap- és ipari kutatásában.
STM-kép az erősen orientált pirolitikus grafitról (HOPG)
A levegőben készült Asylum Research Cypher S pásztázó szondamikroszkóppal, demonstrálva az atomrácsszerkezet felbontásának képességét. (5 nm-es letapogatási méret)
Hogyan működik az STM?
Az STM figyelemre méltó és ritka példája egy kvantummechanikai folyamat (elektronalagút) hasznosításának egy valós gyakorlati alkalmazásban. Az “alagutazás” kifejezés arra a helyzetre utal, amikor az elektronok áthaladnak egy olyan akadályon (ebben az esetben egy apró résen a hegy és a felület között), amely kezdetben áthatolhatatlannak tűnik – mintha egy labdát a falnak dobnánk. Az ezt a golyó-fal kölcsönhatást leíró fizikát “klasszikus paradigmának” nevezzük, és a golyó soha nem fog átjutni a falon. Az elektronok ezzel szemben furcsa, hullámszerű karakterrel rendelkeznek, ami “fuzzy” felhővé teszi őket (ellentétben a golyóval), így valójában egyszerre létezhetnek az akadály mindkét oldalán, és ezért nem nulla a valószínűsége annak, hogy átjutnak az akadályon, még akkor is, ha az akadály energiája nagyobb, mint az elektron teljes energiája.
Az STM úgy működik, hogy egy éles, vezető szondát nagyon közel pásztázunk egy vezető minta felületéhez, és arra kényszerítjük az elektronokat, hogy áthaladjanak a köztük lévő résen. Amikor a hegy kellően közel van a felülethez (általában <1 nm távolságra), a hegy és a felület első atomjának homályos elektronfelhője átfedésbe kezd. Ha ebben a konfigurációban előfeszítést alkalmazunk a csúcs és a felület között, akkor áram keletkezik, mivel az elektronok az átfedő elektronfelhőn keresztül a potenciálgáton keresztül a csúcsról a felületre történő alagutazásra kényszerülnek. Ez az alagútáram nagyon érzékeny a szondahegy és a felület közötti résre, és exponenciálisan változik a hegy és a minta közötti távolsággal. Ahogy a csúcs vonalról vonalra végigpásztázza a minta felületét, az alagútáram intenzitása leképezi a minta elektronikus állapotsűrűségét.
Az STM két különböző üzemmódban működik: állandó magasságú üzemmódban és állandó áramú üzemmódban. Az állandó magasságú üzemmódot általában akkor használják, ha a minta felülete nagyon sima. Ebben az üzemmódban a szonda hegye egy meghatározott magasságban marad, miközben gyorsan raszteresen végigpásztázza a mintát. Az alagútáram intenzitásának változását az (x,y) pozíció és az előfeszítés függvényében mérve a kutatók képet alkothatnak a minta felületének elektronikus állapotsűrűségéről, a hibákról, a határ molekuláris pályákról és egyebekről.
A népszerűbb módot állandó áram módnak nevezik. Ebben az üzemmódban az alagútáramot egy visszacsatolási hurokrendszer segítségével tartják állandó értéken, amely a hegy és a felület közötti távolságot állítja be. Ez azt jelenti, hogy ha az alagútáram meghaladja a célértéket, a visszacsatoló vezérlőrendszer növeli a hegy és a minta közötti távolságot; ha az alagútáram kisebb, mint a céláram értéke, a visszacsatoló vezérlőrendszer közelebb viszi a hegyet a minta felületéhez. Az így kapott háromdimenziós távolságprofil az (x,y) pozíció függvényében segíthet a kutatóknak a jellemzők széles skálájának mérésében, beleértve a felületi érdességet, a hibákat, valamint a felületen lévő molekulák méretét és konformációját.
Az STM a különböző környezeti feltételek széles skáláján képes működni. Az STM-eket gyakran a környezeti STM-ek vagy az ultranagy vákuumú (UHV) STM-ek kategóriájába sorolják. A környezeti STM-ek jellemzően levegőben vagy más gázokban, közel szobahőmérsékleten működnek. Speciális szigetelt csúcsokkal a környezeti AFM-ek folyadékban is működtethetők. Az Oxford Instruments Asylum Research mind az MFP-3D SPM-eken, mind a Cypher SPM-eken kínál környezeti STM képességeket.
AUHV STM-ek nyilvánvalóan abban különböznek, hogy nagyon nagy vákuumban működnek. Ezt gyakran nagyon speciális UHV-rendszerekben végzik, ahol a mintát növesztik vagy maratják, majd helyben képet készítenek róla. A vákuumban való működésük lehetővé teszi, hogy nagyon széles hőmérséklet-tartományban működjenek, a nulla Kelvin közeli hőmérséklettől az 1000°C feletti hőmérsékletig. Az Asylum Research nem kínál UHV STM-eket, bár az Oxford Instruments Nanoscience csoportja gyárt UHV berendezéseket, amelyeket néha az STM-ekkel együtt használnak.
Mire használják az STM-et a kutatásban?
A felfedezése óta az STM jelentős áttörésekért felelős a nanotechnológiában, és újszerű kutatásokat tett lehetővé különböző tudományágakban, többek között a félvezető-tudományban, az elektrokémiában és a felületi kémiában.
Az STM-et kezdetben a különböző fémek topológiájának jellemzésére és felületük atomi szerkezetének megrajzolására használták. A kutatók először voltak képesek megkülönböztetni az anyagok atomi szintű tulajdonságait, beleértve a felületi érdességet, a hibákat és a felületi reakciómechanizmusokat. Az anyagok atomi rácsainak vizsgálatával a kutatók elkezdhették megérteni az elektronikus alkatrészek gyártása szempontjából fontos tulajdonságokat, többek között a vezetőképességet, a határmolekulák molekuláris pályáinak és energiáinak eloszlását, valamint a reakciók függését a kristályfacetta orientációjától.
Az évek során az STM-et az atomi szintű képalkotáson kívül számos más alkalmazásban is alkalmazni kezdték. Használták egyes atomok összeszerelésére és manipulálására egy felületen. Ez új távlatokat nyitott a nanotechnológia számára, beleértve olyan nanoszerkezetek létrehozását, mint a kvantumfolyosók és molekuláris kapcsolók. A nano-eszközökön lévő érintkezők is kialakíthatók STM-mel, fémek (például arany, ezüst vagy volfrám) meghatározott mintázatban történő lerakásával. A kutatók az STM-et kémiai reakciók kiváltására és az azt követő reakciómechanizmusok molekuláris szintű tanulmányozására is használják.
Az STM-et gyakran használják a felületeken önszerveződő molekulák szerkezetének vizsgálatára, mivel gyakran képes felbontani az egyes molekulákat, sőt a szubmolekuláris szerkezetet is. Az alábbi képen például jól láthatóak az 5-oktadekoxi-izoftálsav egyes molekulái egy HOPG-n önszerveződő monorétegben.
STM-kép az 5-oktadekoxi-izoftálsav önszerveződő monorétegéről erősen orientált pirolitikus grafiton.
A molekuláris rendeződés hangsúlyozása érdekében molekuláris modellek vannak ráhelyezve. Cypher AFM készülékkel készült kép, 15 nm-es letapogatással. A minta Matt Blunt, University of Nottingham jóvoltából.
A közelmúltban alacsony áramú STM-et használtak a Cypher ES-en a nikkel-oktaetilporfirin (NiOEP) HOPG-n önszerveződő rétegeiben az egy molekula szintű részletek feloldására. Az alacsony áramú képalkotási képesség nagyobb felbontást biztosíthat azáltal, hogy az STM akár 300 femtoampert is elérő alagútáramokkal működhet. Az alábbi képek állandó magasságú STM-képeket mutatnak, de a teljes alkalmazási közlemény hasonló felbontást mutat be állandó áramú STM üzemmódban. Bár a Cypher kivételes felbontást biztosít STM használatával, érdemes megjegyezni, hogy a Cypher csapoló üzemmódú atomerő-mikroszkópiával (AFM) ténylegesen vetekszik ezzel a felbontással.
Konstans magasságú STM-áramú képek a NiOEP 2D rácsáról HOPG-n
(A) 50 nm-es áttekintő szkennelés, amely mutatja a NiOEP szemcsehatárt (fehér nyilak), a zoomtartományokat és a 6,4 pA beállítási ponttal felvett moiré-mintát. (B) Nagyított 10 nm-es régió 300 fA beállítási ponttal leképezve. (C) Nagyított 5 nm-es régió, amely szub-nm-es molekuláris felbontást mutat, 60 pA beállítási ponttal felvéve. Melléklet: a NiOEP CPK molekulamodellje.