O microscópio de tunelamento é uma ferramenta extremamente poderosa para estudar a estrutura eletrônica de sistemas de estado sólido. Suas imagens topográficas auxiliam na aplicação de técnicas de análise de superfície química-específica, levando a uma definição estrutural da superfície. Você pode aprender sobre o dispositivo, funções e significado, bem como ver uma foto de um microscópio de tunelamento neste artigo.
Criadores
Antes da invenção de tal microscópio, as possibilidades de estudar a estrutura atômica de superfícies eram principalmente limitadas a métodos de difração usando feixes de raios X, elétrons, íons e outras partículas. O avanço veio quando os físicos suíços Gerd Binnig e Heinrich Rohrer desenvolveram o primeiro microscópio de tunelamento. Eles escolheram a superfície de ouro para sua primeira imagem. Quando a imagem foi exibida em um monitor de televisão, eles viram fileiras de átomos dispostos com precisão e observaram amplos terraços separados por degraus de um átomo de altura. Binnig e Rohrerdescobriu um método simples para criar uma imagem direta da estrutura atômica das superfícies. Sua impressionante conquista foi reconhecida com o Prêmio Nobel de Física em 1986.
Precursor
Um microscópio semelhante chamado Topografiner foi inventado por Russell Young e seus colegas entre 1965 e 1971 no National Bureau of Standards. Atualmente é o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Este microscópio funciona com base no princípio de que os drivers piezoelétricos esquerdo e direito escaneiam a ponta acima e um pouco acima da superfície da amostra. O acionamento central do servidor controlado por piezo é controlado pelo sistema do servidor para manter uma tensão constante. Isso resulta em uma separação vertical permanente entre a ponta e a superfície. O multiplicador de elétrons detecta uma pequena fração da corrente de tunelamento que é dissipada na superfície da amostra.
Visão esquemática
O conjunto do microscópio de tunelamento inclui os seguintes componentes:
- dica de digitalização;
- controlador para mover a ponta de uma coordenada para outra;
- sistema de isolamento de vibração;
- computador.
A ponta geralmente é feita de tungstênio ou platina-irídio, embora o ouro também seja usado. O computador é usado para melhorar a imagem através do processamento de imagens e para fazer medições quantitativas.
Como funciona
O princípio de funcionamento do túnelmicroscópio é bastante complicado. Os elétrons no topo da ponta não estão limitados à região dentro do metal pela barreira de potencial. Eles se movem através do obstáculo como seu movimento no metal. A ilusão de partículas em movimento livre é criada. Na realidade, os elétrons se movem de átomo para átomo, passando por uma barreira de potencial entre dois sítios atômicos. Para cada aproximação à barreira, a probabilidade de tunelamento é de 10:4. Os elétrons cruzam-no a uma velocidade de 1013 por segundo. Essa alta taxa de transmissão significa que o movimento é substancial e contínuo.
Ao mover a ponta do metal sobre a superfície por uma distância muito pequena, sobrepondo as nuvens atômicas, é realizada uma troca atômica. Isso cria uma pequena quantidade de corrente elétrica que flui entre a ponta e a superfície. Pode ser medido. Por meio dessas mudanças contínuas, o microscópio de tunelamento fornece informações sobre a estrutura e a topografia da superfície. Com base nele, é construído um modelo tridimensional em escala atômica, que dá uma imagem da amostra.
Tunelamento
Quando a ponta se aproxima da amostra, a distância entre ela e a superfície diminui para um valor comparável ao espaço entre átomos adjacentes na rede. O elétron do túnel pode se mover em direção a eles ou ao átomo na ponta da sonda. A corrente na sonda mede a densidade eletrônica na superfície da amostra, e essa informação é exibida na imagem. O arranjo periódico de átomos é claramente visível em materiais como ouro, platina, prata, níquel e cobre. vácuotunelamento de elétrons da ponta para a amostra pode ocorrer mesmo que o ambiente não seja um vácuo, mas preenchido com moléculas de gás ou líquido.
Formação da altura da barreira
A espectroscopia de altura de barreira local fornece informações sobre a distribuição espacial da função de trabalho de superfície microscópica. A imagem é obtida pela medição ponto a ponto da mudança logarítmica na corrente do túnel, levando em consideração a transformação em um gap divisor. Ao medir a altura da barreira, a distância entre a sonda e a amostra é modulada senoidalmente usando uma tensão CA adicional. O período de modulação é escolhido para ser muito menor do que a constante de tempo do loop de feedback em um microscópio de tunelamento.
Significado
Este tipo de microscópio de sonda de varredura possibilitou o desenvolvimento de nanotecnologias que devem manipular objetos de tamanho nanométrico (menores que o comprimento de onda da luz visível entre 400 e 800 nm). O microscópio de tunelamento ilustra claramente a mecânica quântica medindo o quantum da casca. Hoje, materiais amorfos não cristalinos são observados usando microscopia de força atômica.
Exemplo de silicone
As superfícies de silício foram estudadas mais extensivamente do que qualquer outro material. Eles foram preparados por aquecimento no vácuo a tal temperatura que os átomos foram reconstruídos em um processo evocado. A reconstrução foi estudada em grande detalhe. Um padrão complexo formado na superfície, conhecido como Takayanagi 7 x 7. Os átomos formaram pares,ou dímeros que se encaixam em linhas que se estendem por todo o pedaço de silício em estudo.
Pesquisa
Pesquisas sobre o princípio de funcionamento de um microscópio de tunelamento levaram à conclusão de que ele pode funcionar na atmosfera circundante da mesma forma que no vácuo. Tem sido operado em ar, água, líquidos isolantes e soluções iônicas usadas em eletroquímica. Isso é muito mais conveniente do que dispositivos de alto vácuo.
O microscópio de tunelamento pode ser resfriado a menos 269°C e aquecido a mais 700°C. A baixa temperatura é usada para estudar as propriedades de materiais supercondutores e a alta temperatura é usada para estudar a rápida difusão dos átomos através da superfície dos metais e sua corrosão.
O microscópio de tunelamento é usado principalmente para imagens, mas há muitos outros usos que foram explorados. Um forte campo elétrico entre a sonda e a amostra foi usado para mover os átomos ao longo da superfície da amostra. O efeito de um microscópio de tunelamento em vários gases foi estudado. Em um estudo, a voltagem era de quatro volts. O campo na ponta era forte o suficiente para remover os átomos da ponta e colocá-los no substrato. Este procedimento foi usado com uma sonda de ouro para fazer pequenas ilhas de ouro em um substrato com várias centenas de átomos de ouro cada. Durante a pesquisa, um microscópio de tunelamento híbrido foi inventado. O dispositivo original foi integrado com um bipotencióstato.
