Με ποιό τρόπο λειτουργεί ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας; (STM)

στις

Η εφεύρεση του συμβατικού μικροσκοπίου ήταν ασφαλώς ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για την επιστήμη, ιδιαίτερα στη βιολογία και την ιατρική. Καθώς φτιάχνονταν ολοένα και καλύτερα μικροσκόπια, κάποια στιγμή ανακαλύφθηκε ότι υπάρχει ένα όριο στην διακριτική ικανότητα του οπτικού μικροσκοπίου που δεν μπορούσε να ξεπεραστεί. Το φαινόμενο αυτό συνδέεται με τα χαρακτηριστικά των κυμάτων του φωτός. Χρησιμοποιώντας το φως  είναι αδύνατο να διακριθούν εκείνες οι λεπτομέρειες που είναι μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός. Ο όρος "ανάλυση" αναφέρεται στην απόσταση μεταξύ δύο λεπτομερειών μιας εικόνας που μπορεί να διακριθεί με ακρίβεια. Για ένα συμβατικό μικροσκόπιο που χρησιμοποιεί το ορατό φως, η ανάλυση είναι περίπου 4.000 A (1 A, angstrom = l0-8cm).

Ernst Ruska Αργότερα, στη δεκαετία του ’20 ένας νέος, τότε, φοιτητής, ο Ernst Ruska, στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου, διαπίστωσε ότι ένα μαγνητικό πηνίο θα μπορούσε να ενεργήσει ως φακός για τα ηλεκτρόνια, και ότι ένας τέτοιος φακός ηλεκτρονίων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να λάβει μια εικόνα ενός αντικειμένου που ακτινοβολήθηκε με ηλεκτρόνια. Με τον συνδυασμό δύο ηλεκτρονικών φακών, παρήγαγε ένα πρωτόγονο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Πολύ γρήγορα βελτίωσε τις διάφορες λεπτομέρειες και το 1933 ήταν σε θέση να φτιάξει το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με μια απόδοση σαφώς ανώτερη από αυτήν του συμβατικού μικροσκοπίου του ορατού φωτός.

Εκ των υστέρων βρέθηκε πως η διακριτική ικανότητα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, μεταβάλλεται με την αύξηση της   ταχύτητας των ηλεκτρονίων. Έτσι μπόρεσαν να διεισδύσουν μέσα στο άτομο.

Ο Ruska συνέβαλε στη συνέχεια ενεργά στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών μικροσκοπίων σε μαζικές ποσότητες, που βρήκαν γρήγορα εφαρμογές σε πολλούς τομείς της επιστήμης. Η σημασία του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σε διαφορετικά πεδία της επιστήμης όπως η βιολογία και η ιατρική έχει καθιερωθεί πλήρως: είναι μια από τις σημαντικότερες εφευρέσεις αυτού του εικοστού αιώνα.

Gerd Binning Το 1981 οι Ελβετοί φυσικοί Gerd Binnig και Heinrich Rohrer ανακάλυψαν στα εργαστήρια της IBM της Ζυρίχης, ένα νέο μικροσκόπιο που ονομάζεται Μικροσκόπιο Σάρωσης Σήραγγας (STM). Με αυτό μπορούμε να επιτύχουμε μεγέθυνση πάνω από 100 εκατομμύρια φορές.

Πέντε χρόνια μόνο μετά οι δύο τελευταίοι Gerd Binnig και Heinrich Rohrer μαζί με τον Ernst Ruska, μοιράστηκαν το βραβείο Nobel στη Φυσική το 1986.

Εξήγηση του φαινομένου σήραγγας

Heinrich Rohrer Το μικροσκόπιο STM βασίζεται απολύτως στο κβαντικό φαινόμενο σήραγγας. Αν δύο άτομα, πχ υδρογόνου, βρεθούν κοντά το ένα με το άλλο, τότε είναι πιθανόν το Α άτομο να βρεθεί σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής κοντά στο άλλο άτομο Β έστω κι αν αυτό απαγορεύεται ενεργειακά. Δηλαδή να ξεπεράσει το Α το ενεργειακό φράγμα που τα χωρίζει τα δύο άτομα και να "ανοίξει μια σήραγγα" για να βρεθεί κοντά στο άλλο άτομο.

Θα χρησιμοποιήσουμε ένα ανάλογο φαινόμενο, το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης για να καταλάβουμε την αρχή λειτουργίας του STM.

(αριστερά) Εικόνα 7nm X 7nm, μιας απλής αλυσίδας ατόμων Cs (με κόκκινο χρώμα) πάνω σε επιφάνεια GaAs (σε μπλε).
(Δεξιά) Εικόνα 35nm X 35 nm, ακαθαρσίες Cr (μικρά εξογκώματα) πάνω σε επιφάνεια Fe.

Μία μονοχρωματική δέσμη φωτός που διαδίδεται μέσα σε ένα γυάλινο πλακίδιο και προσπίπτει σε μια έδρα του με γωνία μεγαλύτερη από την κρίσιμη, ανακλάται 100% και δεν βγαίνει έξω από το πλακίδιο. Το φαινόμενο λέγεται ολική εσωτερική ανάκλαση. Στην πραγματικότητα το κύμα του φωτός δε σταματάει ακαριαία πάνω στην ανακλαστική επιφάνεια. Για πολύ μικρό διάστημα, ένα τμήμα της δέσμης, συνεχίζει την πορεία του και έξω από το γυάλινο πλακίδιο. Αυτό μπορούμε να το δείξουμε πλησιάζοντας ένα δεύτερο γυάλινο πλακίδιο κοντά στο πρώτο. Το φωτεινό κύμα που πέρασε έξω από το πρώτο γυάλινο πλακίδιο και εξασθενεί ταχύτατα εισέρχεται στο δεύτερο πλακίδιο και διαδίδεται μέσα σ’ αυτό. H ένταση δε του μεταδιδόμενου κύματος στο δεύτερο πλακίδιο εξαρτάται από το πόσο κοντά φέραμε τα δύο πλακίδια μεταξύ τους.

Μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις του 20ου αιώνα είναι ότι τα σωματίδια συμπεριφέρονται ως κύματα. Όπως το φως μπορεί να διαπεράσει την «απαγορευμένη περιοχή» ανάμεσα στα πλακίδια έτσι και τα σωματίδια (αφού είναι κύματα) μπορούν να διαπεράσουν με το φαινόμενο σήραγγας περιοχές που σύμφωνα με την κλασική θεωρία είναι απαγορευμένες. Ένα απλό παράδειγμα του φαινομένου σήραγγας έχουμε στην περίπτωση δύο μετάλλων που βρίσκονται πολύ κοντά το ένα στο άλλο χωρίς όμως να έρχονται σε επαφή. Μια διαφορά δυναμικού εφαρμόζεται ανάμεσα στα δύο μέταλλα. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του πρώτου μετάλλου δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να περάσουν στο δεύτερο. Είναι δηλαδή σαν «φυλακισμένα» μέσα σ’ αυτό γιατί βρίσκονται μέσα σ’ ένα πηγάδι δυναμικού παραγόμενο από την έλξη των θετικών πυρήνων. H κβαντομηχανική όμως προβλέπει ότι κάποια ηλεκτρόνια μπορούν να διαπεράσουν το ενεργειακό φράγμα.

Εντούτοις, όπως τα φωτεινά κύματα, έτσι και τα κύματα που είναι συνδεδεμένα με τα ηλεκτρόνια δε σταματούν ακαριαία στα όρια της επιφάνειας του μετάλλου, αλλά εκτείνονται και έξω από αυτό εξασθενώντας πολύ γρήγορα.  Εάν το κενό ανάμεσα στα δύο κομμάτια μετάλλου είναι πολύ μικρό, το ηλεκτρόνιο – κύμα μπαίνει στο δεύτερο κομμάτι πριν εξασθενήσει ολοκληρωτικά και διαδίδεται μέσα σ’ αυτό. Ένα ρεύμα ρέει ανάμεσα στα δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Το ρεύμα αυτό αυξάνεται εκθετικά καθώς τα δύο τμήματα μετάλλου πλησιάζουν μεταξύ τους.

Η υλοποίηση του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας

Οι Binnig και Rohrer πέτυχαν να κατασκευάσουν ένα μικροσκόπιο εκμεταλλευόμενοι το φαινόμενο σήραγγας. H κεντρική ιδέα τους ήταν να μιμηθούν κάποιον που προσπαθεί να προσδιορίσει την υφή μιας ανώμαλης επιφάνειας μέσα σε ένα σκοτεινό δωμάτιο σαρώνοντας σχολαστικά την επιφάνεια με τα δάκτυλα του πολλές φορές.

Υποθέστε ότι αντί για ένα δάκτυλο χρησιμοποιούμε μια πολύ αιχμηρή ακίδα από βολφράμιο την οποία πλησιάζουμε σ’ ένα αγώγιμο δείγμα χωρίς να την φέρνουμε ποτέ σε επαφή με αυτό, για να μπορούν τα ηλεκτρόνια να "ρέουν" από την ακίδα προς το δείγμα αλλά και αντίστροφα. Εφαρμόζοντας μια διαφορά δυναμικού, από λίγα χιλιοστά του βολτ έως λίγα βολτ, ανάμεσα στην ακίδα και το δείγμα προκαλούμε ένα ρεύμα σήραγγας της τάξεως των νανοαμπέρ (10-9 A). Εάν η ακίδα κινείται παράλληλα στην επιφάνεια του δείγματος, το ρεύμα μεγαλώνει ή μικραίνει ανάλογα με το αν το δείγμα παρουσιάζει «λόφους» και «κοιλάδες» στην επιφάνεια του. Για να διατηρηθεί το ρεύμα σταθερό πρέπει η απόσταση ακίδας -δείγματος να διατηρείται σταθερή. Πρέπει δηλαδή η ακίδα να κινείται συνεχώς πλησιάζοντας ή απομακρυνόμενη από το δείγμα. Παρακολουθώντας την κίνηση της ακίδας έχουμε μια εικόνα των ανωμαλιών που παρουσιάζει η επιφάνεια του δείγματος σε κάθε θέση.

Όταν η ακίδα, με υψηλό θετικό δυναμικό, βρεθεί δηλαδή πάνω από το υλικό που εξετάζεται, τότε το ενεργειακό φράγμα που χωρίζει τα ηλεκτρόνια του υλικού από την ακίδα γίνεται κβαντομηχανικά διαβατό και κάνει την εμφάνισή του ένα ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα. Αντίθετα, όταν η ακίδα βρίσκεται πάνω από μια εσοχή της επιφάνειας, το ενεργειακό φράγμα γίνεται απαγορευτικά μεγάλο και το ηλεκτρικό ρεύμα μειώνεται δραστικά ή σταματάει τελείως. Έτσι οι διακυμάνσεις αυτού του ρεύματος "ψυχρής εκπομπής" καταγράφουν με εκπληκτική ακρίβεια τις ανωμαλίες της παρατηρούμενης επιφάνειας.

Με πολλαπλές σαρώσεις. της επιφάνειας του δείγματος και με εξομοιώσεις που πετυχαίνουμε με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών καταλήγουμε σε απεικονίσεις αγώγιμων επιφανειών σε ατομική κλίμακα, όπως στις παραπάνω εικόνες.

Με πολύ υψηλής ποιότητας ακίδα είναι δυνατό να δούμε όχι πλέον τις κοινές ανωμαλίες μιας επιφάνειας αλλά τις "ανωμαλίες" που προέρχονται από την ίδια την ατομική υφή της. Μπορούμε να δούμε τα άτομα τα ίδια!

Πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι για τον έλεγχο της κίνησης

Η κίνηση όμως της ακίδας  μπρος-πίσω πρέπει να γίνεται με απόλυτη ακρίβεια κατά τη σάρωση της επιφάνειας; Κι αυτό δεν θα μπορούσε να γίνει με μηχανικό τρόπο. Οι Binnig και Rohrer χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους για να στερεώσουν την ακίδα τους και να ελέγξουν την κίνηση της στο επίπεδο xy (για τη σάρωση) αλλά και στον άξονα z (πλησίασμα – απομάκρυνση της ακίδας).

Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι έχουν την ιδιότητα να αναπτύσσουν στα άκρα τους μια διαφορά δυναμικού όταν συμπιέζονται και το αντίστροφο. Να συμπιέζονται ή να εκτείνονται όταν μια διαφορά δυναμικού εφαρμόζεται σ’ αυτούς.

Εάν εφαρμοστεί λοιπόν η κατάλληλη διαφορά δυναμικού στους x και y κρυστάλλους μπορούμε να εξασφαλίσουμε την κίνηση σάρωσης της ακίδας με ταχύτητες της τάξης των 10 nm/s.

Καθώς η σάρωση προχωράει, ένα κύκλωμα «νιώθει» κάθε αλλαγή στο ρεύμα σήραγγας και παράγει την κατάλληλη τάση, που εφαρμόζεται στον κρύσταλλο z μετακινώντας την ακίδα μέχρι να αποκατασταθεί η σταθερότητα του ρεύματος σήραγγας.

Η κάθετη ρύθμιση της ακίδας (η απόστασή της από το δείγμα), ελέγχεται με τη βοήθεια του κβαντικού φαινομένου που αναφέραμε πριν, του φαινομένου της σήραγγας – έτσι βγήκε και η ονομασία αυτού του οργάνου.

Ένα ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ της άκρης της ακίδας και της επιφάνειας αναγκάζει ένα ηλεκτρικό ρεύμα να ρεύσει μεταξύ τους παρά το γεγονός ότι δεν βρίσκονται σε επαφή. Η ένταση του ρεύματος εξαρτάται έντονα από την απόσταση τους, και αυτό καθιστά δυνατό, να διατηρηθεί η απόσταση ανάμεσα στην ακίδα και το δείγμα σταθερή, περίπου 10 -7 εκατ. (δηλ. περίπου δύο ατομικές διαμέτρους).

Η ακίδα είναι επίσης εξαιρετικά αιχμηρή, η άκρη της σχηματίζεται από ένα και μοναδικό άτομο. Αυτό της επιτρέπει, να ακολουθήσει ακόμη και τις μικρότερες λεπτομέρειες της επιφάνειας που ανιχνεύει. Καταγράφοντας την κάθετη μετακίνηση της ακίδας, το καθιστά δυνατό να μελετηθεί η δομή της επιφάνειας άτομο με άτομο.

Όσο για τον έλεγχο της οριζόντιας μετακίνησης της ακίδας, σε δύο ξεχωριστές κάθετες κατευθύνσεις, χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικά στοιχεία. Αυτό γίνεται για να ανιχνεύεται η επιφάνεια σε δύο παράλληλες γραμμές, σαν να σαρώνεται ταυτόχρονα. Γι’ αυτό και το όνομα του οργάνου περιέχει τη λέξη σάρωση. 

Η ακρίβεια της εικόνας είναι ιδιαίτερα μεγάλη, αν σκεφθούμε ότι η ακίδα αποτελείται από 1 έως 2 άτομα. Η οριζόντια ανάλυση είναι περίπου 2 A και η κάθετη ανάλυση περίπου 0.1 8 A. Αυτό το καθιστά δυνατό, να απεικονίζει μεμονωμένα άτομα, δηλαδή να έχουμε τη μέγιστη δυνατή λεπτομέρεια στην ατομική δομή της επιφάνειας του υλικού που εξετάζεται.

Βλέπουμε δηλαδή, πως το όργανο αυτό, δεν είναι ένα αληθινό μικροσκόπιο (δηλ. ένα όργανο που δίνει μια άμεση εικόνα ενός αντικειμένου) δεδομένου ότι είναι βασισμένο στην αρχή ότι η δομή μιας επιφάνειας μπορεί να μελετηθεί, χρησιμοποιώντας μια ακίδα που ανιχνεύει την επιφάνεια σε μια σταθερή απόσταση από αυτή.

Η επιφάνεια του λευκόχρυσου

Οι πρώτοι ερευνητές πέτυχαν με εξαιρετική ακρίβεια την οικοδόμηση ενός τέτοιου μικροσκοπίου ανίχνευσης. Ένα παράδειγμα αυτής της μηχανικής ακρίβειας, είναι το γεγονός ότι οι ενοχλητικές δονήσεις από το περιβάλλον αποβλήθηκαν με την οικοδόμηση του μικροσκοπίου επάνω σε έναν βαρύ μόνιμο μαγνήτη που επιπλέει ελεύθερα σε ένα πιάτο υπεραγωγικού μολύβδου.

Είναι εμφανές ότι αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές στη φυσική και τη μικροηλεκτρονική ημιαγωγών. Στη χημεία, επίσης, για τη μελέτη των αντιδράσεων επιφάνειας και το ρόλο της κατάλυσης. Είναι επίσης δυνατό να σταθεροποιηθούν τα οργανικά μόρια σε μια επιφάνεια και να μελετηθούν οι δομές τους. Μεταξύ άλλων εφαρμογών, αυτή η τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί στη μελέτη των μορίων DNA.

Από την αρχή λειτουργίας του το STM, δε μπορεί να απεικονίσει επιφάνειες μη αγώγιμων υλικών. Για τέτοιου είδους απεικονίσεις χρησιμοποιείται το SFM (Scanning Force Microscope), το οποίο στηρίζεται στην ανίχνευση των απωστικών δυνάμεων που αναπτύσσονται ανάμεσα στα άτομα όταν αυτά πλησιάσουν πολύ μεταξύ τους.

Σχετικές αναφορές:

1. Η ανακοίνωση του βραβείου Nobel Φυσικής του 1986 και

2. Το φαινόμενο σήραγγος (Εκπαιδευτική Εγκυκλοπαίδεια, Στ.Τραχανάς)

3.Το κβαντικό Σύμπαν (Tony Hey & Patrick Walters)

4. Φυσική Γ Λυκείου Κατεύθυνσης

Advertisements

Σχολιάστε

Συνδεθείτε για να δημοσιεύσετε το σχόλιο σας:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s