Scanning Tunneling Microscopy gör det möjligt för forskare att kartlägga ett ledande provs yta atom för atom med extremt hög upplösning, utan användning av elektronstrålar eller ljus, och har avslöjat insikter om materia på atomnivå i nästan fyrtio år. Det här blogginlägget ger en översikt på hög nivå av vad skanningtunnelmikroskopi är, hur det fungerar och hur det har tillämpats inom forskningen.
Vad är skanningtunnelmikroskopi (STM)?
Scanningtunnelmikroskopi, eller STM, är en bildteknik som används för att få bilder med ultrahög upplösning på atomär nivå, utan att använda ljus eller elektronstrålar. STM uppfanns 1981 av två IBM-forskare vid namn Gerd Binnig och Heinrich Rohrer. Fem år senare gav uppfinningen dem Nobelpriset i fysik.
STM var den första tekniken som utvecklades i den större klassen av avbildningsmetoder för svepande sondmikroskopi (SPM). På den tiden gjorde den det möjligt för forskare att fånga betydligt mer detaljer än någon tidigare mikroskopi – ända ner till atomer och interatomära avstånd. Denna ultrahöga upplösningsförmåga gjorde det möjligt för forskarna att exakt kartlägga den tredimensionella topografin och den elektroniska tillståndstätheten hos ledande material och till och med manipulera enskilda atomer på ytan av dessa material. Under de följande decennierna har STM revolutionerat området nanoteknik och fortsätter att spela en viktig roll i grundläggande och industriell forskning inom en rad olika discipliner.
STM-bild av högorienterad pyrolytisk grafit (HOPG)
Förvärvad i luft på ett Asylum Research Cypher S svepsondsmikroskop, vilket visar förmågan att lösa upp den atomära gitterstrukturen. (5 nm skanningsstorlek)
Hur fungerar STM?
STM är ett anmärkningsvärt och sällsynt exempel på att utnyttja en kvantmekanisk process (elektrontunnling) i en praktisk tillämpning i den verkliga världen. Termen ”tunnling” avser den situation där elektroner passerar en barriär (i det här fallet en liten lucka mellan spetsen och ytan) som till en början verkar vara ogenomtränglig, som att kasta en boll mot en vägg. Den fysik som beskriver denna växelverkan mellan boll och vägg kallas det ”klassiska paradigmet”, och bollen kommer aldrig att tunnla genom väggen. Elektroner har däremot en egenartad vågliknande karaktär som gör dem till ett ”luddigt” moln (till skillnad från en boll), så de kan faktiskt existera på båda sidor av barriären samtidigt och har därför en sannolikhet som inte är noll för att röra sig över barriären, även om barriärens energi är högre än elektronens totala energi.
STM fungerar genom att man skannar av en skarp, ledande sond mycket nära ytan på ett ledande prov och tvingar elektroner att korsa gapet mellan dem. När spetsen är tillräckligt nära ytan (vanligtvis <1 nm bort) börjar det suddiga elektronmolnet för den första atomen på spetsen och ytan att överlappa varandra. Om en förspänning läggs på mellan spetsen och ytan i denna konfiguration uppstår en ström eftersom elektronerna drivs att tunnla genom potentialbarriären från spetsen till ytan via det överlappande elektronmolnet. Denna tunnelström är mycket känslig för avståndet mellan sondspetsen och ytan och varierar exponentiellt med avståndet mellan spetsen och provet. När spetsen skannar linje för linje över provets yta kartlägger intensiteten av tunnelströmmen provets elektroniska tillståndstäthet.
STM:en fungerar i två olika lägen: läge med konstant höjd och läge med konstant ström. Konstant höjdläge används i allmänhet när provytan är mycket slät. I det här läget stannar sondspetsen på en bestämd höjd medan den snabbt rasterscannar över provet. Genom att mäta förändringar i tunnlarströmmens intensitet som en funktion av (x,y)-positionen och förspänningen kan forskarna skapa en bild av provytans elektroniska tillståndstäthet, defekter, molekylära orbitaler med mera.
Det mer populära läget är känt som konstantströmsläget. I detta läge hålls tunnelströmmen konstant med hjälp av ett återkopplingssystem som justerar avståndet mellan spetsen och ytan. Det vill säga, om tunnelströmmen överstiger målvärdet kommer återkopplingssystemet att öka avståndet mellan spetsen och provet; om tunnelströmmen är mindre än målströmvärdet kommer återkopplingssystemet att föra spetsen närmare provets yta. Den resulterande tredimensionella avståndsprofilen som funktion av (x,y)-positionen kan hjälpa forskare att mäta ett stort antal egenskaper, inklusive ytans grovhet, defekter samt storlek och konformation av molekyler på ytan.
STM kan fungera under ett stort antal olika miljöförhållanden. Ofta kategoriseras STM:er som antingen STM:er i omgivande miljö eller STM:er i ultrahögvakuum (UHV). Omgivande STM:er arbetar vanligtvis i luft eller andra gaser vid nära rumstemperatur. Med specialiserade isolerade spetsar kan AFM:er i omgivande miljöer även användas i vätskor. Oxford Instruments Asylum Research erbjuder STM-funktioner för omgivande miljöer på både våra MFP-3D SPMs och Cypher SPMs.
UHV STMs skiljer sig naturligtvis genom att de arbetar under mycket högt vakuum. Detta sker ofta i högt specialiserade UHV-system där provet odlas eller etsas och sedan avbildas på plats. Deras drift i vakuum gör att de kan arbeta inom ett mycket brett temperaturområde, från nära noll Kelvin till över 1000°C. Asylum Research erbjuder inte UHV STMs, även om Oxford Instruments Nanoscience group tillverkar UHV-utrustning som ibland används tillsammans med STM.
Vad används STM inom forskningen?
Sedan upptäckten har STM varit ansvarig för stora genombrott inom nanoteknik och har möjliggjort ny forskning inom olika discipliner, inklusive halvledarvetenskap, elektrokemi, ytkemi med mera.
Inledningsvis användes STM för att karakterisera topologin hos olika metaller och beskriva den atomära strukturen hos deras ytor. För första gången kunde forskarna urskilja materialens egenskaper i atomär skala, inklusive ytjämnhet, defekter och reaktionsmekanismer på ytan. Genom att undersöka materialens atomgitter kunde forskarna börja förstå egenskaper som är relevanta för tillverkningen av elektroniska komponenter, bland annat ledningsförmåga, fördelning av molekylära orbitaler vid gränsen och deras energier samt reaktionsberoenden på kristallfacetternas orientering, för att nämna några.
Under årens lopp började STM användas för en mängd olika tillämpningar utanför avbildning på atomär skala. Det har använts för att montera och manipulera enskilda atomer på en yta. Detta öppnade nya möjligheter för nanoteknik, inklusive generering av nanostrukturer som kvantkoraller och molekylära brytare. Kontakter på nanokomponenter kan också konstrueras med STM genom att metaller (t.ex. guld, silver eller volfram) deponeras i ett specificerat mönster. Forskare har också använt STM för att inducera kemiska reaktioner och studera de efterföljande reaktionsmekanismerna på molekylär nivå.
Ambient STM används vanligen för att undersöka strukturen hos självsammansatta molekyler på ytor eftersom de ofta kan lösa upp enskilda molekyler och till och med submolekylär struktur. Bilden nedan visar till exempel tydligt enskilda molekyler av 5-octadecoxyisoftalsyra i ett självsammansatt monolager på HOPG.
STM-bild av ett självsammansatt monolager av 5-octadecoxyisoftalsyra på högorienterad pyrolytisk grafit.
Molekylära modeller överlagras för att betona den molekylära ordningen. Avbildad på en Cypher AFM, 15 nm skanning. Prov med tillstånd av Matt Blunt, University of Nottingham.
Nyligen användes STM med lågström på Cypher ES för att lösa upp detaljer på molekylnivå i självsammansatta lager av nickeloktaetylporfyrin (NiOEP) på HOPG. Lågströmsbildtagningskapaciteten kan ge högre upplösning genom att STM:n kan arbeta vid tunneldragningar så låga som 300 femtoampere. Bilderna nedan visar STM-bilder med konstant höjd, men i hela applikationsnoten visas liknande upplösning i STM-läge med konstant ström. Även om Cypher ger exceptionell upplösning med STM är det värt att notera att Cypher med hjälp av atomkraftmikroskopi (AFM) i tappningsläge faktiskt kan konkurrera med den upplösningen.
Som STM-strömbilder med konstant höjd av 2D-gitteret av NiOEP på HOPG
(A) Översiktsskanning på 50 nm som visar NiOEP:s korngräns (vita pilar), zoomregioner och moiré-mönster som avbildats med ett 6,4 pA setpoint. (B) Zoomad 10 nm-region avbildad med 300 fA setpoint. (C) Inzoomad 5 nm-region som visar sub-nm molekylär upplösning avbildad med en 60 pA-setpoint. Insats: CPK-molekylmodell av NiOEP.