Microscopia cu tunelare prin scanare permite cercetătorilor să cartografieze atom cu atom suprafața unei probe conductoare cu o rezoluție ultra-înaltă, fără a utiliza fascicule de electroni sau lumină, și a dezvăluit informații despre materie la nivel atomic timp de aproape 40 de ani. Această postare pe blog va oferi o prezentare generală la nivel înalt a ceea ce este microscopia cu tunelare de scanare, cum funcționează și cum a fost aplicată în cercetare.
Ce este microscopia cu tunelare de scanare (STM)?
Microscopia cu tunelare de scanare, sau STM, este o tehnică de imagistică utilizată pentru a obține imagini cu rezoluție ultra-înaltă la scară atomică, fără a utiliza lumină sau fascicule de electroni. STM a fost inventată în 1981 de doi oameni de știință de la IBM, Gerd Binnig și Heinrich Rohrer. Cinci ani mai târziu, invenția le-a adus acestora Premiul Nobel pentru Fizică.
STM a fost prima tehnică dezvoltată în clasa mai largă a modurilor de imagistică prin microscopie cu sondă de scanare (SPM). La acea vreme, aceasta a permis cercetătorilor să capteze mult mai multe detalii decât orice microscopie anterioară – până la atomi și spațiile interatomice. Această capacitate de rezoluție ultra-înaltă a permis cercetătorilor să cartografieze cu precizie topografia tridimensională și densitatea electronică a stărilor din materialele conductoare și chiar să manipuleze atomii individuali de pe suprafața acestor materiale. În deceniile următoare, STM a revoluționat domeniul nanotehnologiei și continuă să joace un rol important în cercetarea fundamentală și industrială într-o varietate de discipline.
Imaginea STM a grafitului pirolitic înalt orientat (HOPG)
Achiziționată în aer pe un microscop cu sondă de scanare Asylum Research Cypher S, demonstrând capacitatea de a rezolva structura rețelei atomice. (dimensiune de scanare de 5 nm)
Cum funcționează STM?
STM este un exemplu remarcabil și rar de valorificare a unui proces mecanic cuantic (tunelarea electronilor) într-o aplicație practică din lumea reală. Termenul „tunelare” se referă la situația în care electronii traversează o barieră (în acest caz, un spațiu minuscul între vârf și suprafață) care inițial pare că ar trebui să fie impenetrabilă – ca și cum ai arunca o minge împotriva unui perete. Fizica care descrie această interacțiune dintre minge și perete se numește „paradigma clasică”, iar mingea nu va trece niciodată prin tunel prin perete. Electronii, dimpotrivă, au un caracter ciudat, asemănător undelor, care îi face să fie un nor „neclar” (spre deosebire de o minge), astfel încât pot exista, de fapt, de ambele părți ale barierei simultan și, prin urmare, au o probabilitate diferită de zero de a se deplasa peste barieră, chiar dacă energia barierei este mai mare decât energia totală a electronului.
STM funcționează prin scanarea unei sonde conductoare ascuțite foarte aproape de suprafața unui specimen conductiv și forțarea electronilor să traverseze spațiul dintre ele. Atunci când vârful se află suficient de aproape de suprafață (de obicei la <1 nm distanță), norul difuz de electroni al primului atom al vârfului și al suprafeței începe să se suprapună. Aplicarea unei tensiuni de polarizare între vârf și suprafață în această configurație produce un curent deoarece electronii sunt împinși să traverseze prin tunelare bariera de potențial de la vârf la suprafață prin intermediul norului electronic suprapus. Acest curent de tunelare este foarte sensibil la distanța dintre vârful sondei și suprafață, variind exponențial cu distanța dintre vârf și eșantion. Pe măsură ce vârful scanează linie cu linie pe suprafața probei, intensitatea curentului de tunelare cartografiază densitatea electronică de stări a probei.
STM-ul funcționează în două moduri distincte: modul cu înălțime constantă și modul cu curent constant. Modul cu înălțime constantă este utilizat în general atunci când suprafața probei este foarte netedă. În acest mod, vârful sondei rămâne la o înălțime prestabilită în timp ce parcurge rapid eșantionul în mod raster. Măsurând modificările intensității curentului de tunelare în funcție de poziția (x,y) și de tensiunea de polarizare, cercetătorii pot construi o imagine a densității electronice de stări a suprafeței probei, a defectelor, a orbitalilor moleculari de frontieră și multe altele.
Modul mai popular este cunoscut sub numele de modul cu curent constant. În acest mod, curentul de tunelare este menținut constant prin utilizarea unui sistem de buclă de reacție care ajustează distanța dintre vârf și suprafață. Altfel spus, dacă curentul de tunelare depășește valoarea țintă, sistemul de control cu reacție va mări distanța dintre vârf și probă; dacă curentul de tunelare este mai mic decât valoarea țintă a curentului, sistemul de control cu reacție va aduce vârful mai aproape de suprafața probei. Profilul de distanță tridimensional rezultat în funcție de poziția (x,y) poate ajuta cercetătorii să măsoare o gamă largă de caracteristici, inclusiv rugozitatea suprafeței, defectele, precum și dimensiunea și conformația moleculelor de pe suprafață.
STM poate funcționa într-o gamă largă de condiții de mediu diferite. Adesea, STM-urile sunt clasificate fie ca STM-uri de mediu, fie ca STM-uri de vid ultra-înalt (UHV). STM-urile ambientale funcționează de obicei în aer sau în alte gaze la o temperatură apropiată de cea a camerei. Cu ajutorul unor vârfuri izolate specializate, AFM-urile ambientale pot fi operate și în lichide. Oxford Instruments Asylum Research oferă capabilități STM ambientale atât pe SPM-urile noastre MFP-3D, cât și pe SPM-urile Cypher.
StM-urile UHV diferă, evident, prin faptul că funcționează în vid foarte înalt. Acest lucru se face adesea în sisteme UHV foarte specializate, în care proba este crescută sau gravată și apoi imagistică in situ. Funcționarea lor în vid le permite să funcționeze într-o gamă foarte largă de temperaturi, de la aproape zero Kelvin la peste 1000°C. Asylum Research nu oferă STM-uri UHV, deși grupul Oxford Instruments Nanoscience produce echipamente UHV utilizate uneori cu STM.
Care sunt utilizările STM în cercetare?
De la descoperirea sa, STM a fost responsabil pentru progrese majore în nanotehnologie și a permis cercetări noi în diverse discipline, inclusiv știința semiconductorilor, electrochimia, chimia suprafețelor și multe altele.
Ințial, STM a fost folosit pentru a caracteriza topologia diferitelor metale și a delimita structura atomică a suprafețelor acestora. Pentru prima dată, cercetătorii au fost capabili să discearnă proprietățile la scară atomică ale materialelor, inclusiv rugozitatea suprafeței, defectele și mecanismele de reacție la suprafață. Prin investigarea rețelelor atomice ale materialelor, cercetătorii au putut începe să înțeleagă proprietățile relevante pentru fabricarea componentelor electronice, inclusiv conductivitatea, distribuțiile orbitalilor moleculari de frontieră și energiile acestora, precum și dependențele reacțiilor de orientările fațetelor cristaline, pentru a numi doar câteva.
De-a lungul anilor, STM a început să fie utilizat pentru o varietate de aplicații în afara imagisticii la scară atomică. Acesta a fost utilizat pentru a asambla și manipula atomii individuali pe o suprafață. Acest lucru a deschis noi perspective pentru nanotehnologie, inclusiv generarea de nanostructuri, cum ar fi coridoarele cuantice și comutatoarele moleculare. Contactele de pe nanodispozitive pot fi, de asemenea, construite cu STM prin depunerea de metale (cum ar fi aurul, argintul sau tungstenul) într-un model specificat. Cercetătorii au folosit, de asemenea, STM pentru a induce reacții chimice și pentru a studia mecanismele de reacție ulterioare la nivel molecular.
StM-urile ambii sunt utilizate în mod obișnuit pentru a investiga structura moleculelor autoasamblate pe suprafețe, deoarece acestea pot rezolva adesea moleculele unice și chiar structura submoleculară. De exemplu, imaginea de mai jos arată clar moleculele unice de acid 5-octadecoxiizoftalic într-un monostrat autoasamblat pe HOPG.
Imaginea STM a unui monostrat autoasamblat de acid 5-octadecoxiizoftalic pe grafit pirolitic înalt orientat.
Modelele moleculare sunt suprapuse pentru a sublinia ordonarea moleculară. Imagini obținute pe un AFM Cypher, scanare de 15 nm. Mostră prin amabilitatea lui Matt Blunt, Universitatea din Nottingham.
Mai recent, STM cu curent redus a fost utilizat pe Cypher ES pentru a rezolva detaliile la nivel de moleculă unică în straturile autoasamblate de octaetilporfirină de nichel (NiOEP) pe HOPG. Capacitatea de formare a imaginilor cu curent redus poate oferi o rezoluție mai mare, permițând STM-ului să funcționeze la curenți de tunelare de până la 300 femtoamperi. Imaginile de mai jos prezintă imagini STM cu înălțime constantă, dar nota de aplicație completă demonstrează o rezoluție similară în modul STM cu curent constant. Deși Cypher oferă o rezoluție excepțională folosind STM, este demn de remarcat faptul că Cypher folosind microscopia cu forță atomică (AFM) în mod tapping poate rivaliza de fapt cu această rezoluție.
Imagini STM cu curent STM de înălțime constantă ale rețelei 2D de NiOEP pe HOPG
(A) Scanare de studiu de 50 nm care arată limita grăuntelui de NiOEP (săgeți albe), regiunile de zoom și modelul moiré imaginat cu un punct de setare de 6,4 pA. (B) Regiune de 10 nm cu zoom obținută cu un punct de reglare de 300 fA. (C) Regiune zoomată de 5 nm care arată rezoluția moleculară sub-nm, imagiată cu un punct de setare de 60 pA. Inset: modelul molecular CPK al NiOEP.
.