Skaneeriv tunnelmikroskoopia

Ajalugu

Esimeseks mikroskoobiks teravikmikroskoopide perekonnas oli skaneeriv tunnelmikroskoop.
Skaneeriva tunnelmikroskoobi leiutajateks olid Gerd Binning ning Heinrich Rohrer 1982. aastal. See avastus tõi neile 1986. aastal Nobeli auhinna. Alguses kasutati STM-i kui kõrge lahutusvõimega metallipindade vaatlemise meetodit vaakumis. 1986. aastal avastasid Paul K. Hansma ja Richard Sonnenfeld, et STM-i on võimalik kasutada ka metallelektroodide puhul, kui nad on sukeldatud elektrolüüdilahusesse. STM-i avastamine viis mitme teise skaneeriva teravikmikroskoopia meetodi (näiteks aatomjõumikroskoopia, magnetjõumikroskoopia, skaneeriv elektronmikroskoopia) väljatöötamiseni.

Ehitus

Skaneeriv tunnelmikroskoop koosneb teravikust, piesoskannerist, kauguskontrollerist ja skaneerimissõlmest, vibratsiooni isoleerimissüsteemist ning arvutist.

Piesoskanner

Teravikmikroskoobis on tähtis roll piesoskanneril. Piesoskanner kujutab endast piesomaterjalist elektroodidega varustatud toru, mille liikumine venitatakse kuvari ekraanil silmaga kergesti hoomatavateks vahekaugusteks. Kui rakendada piesotoru elektroodidele pinget, siis on võimalik piesotoru pikendada ja painutada. Pinge aga hoitakse reeglina madalal väärtusel, et painde ja rakendatava pinge sõltuvus oleks lineaarne.

Teravikud

Kõrge lahutusega STM piltide saamiseks on oluline, et teravik oleks väga terav. Saadava pildi lahutusvõimet piirab skaneeriva tunnelmikroskoobi teraviku kumeruse raadius.
Mikroskoobi teravik on enamasti valmistatud volframist või plaatina-iriidiumi või roodiumi sulamist. Teravike tegemiseks on kasutatud ka kulda. Volframist teravikke valmistatakse elektrokeemilise söövitamise meetodil, plaatina-iriidiumi sulami teravikke saadakse aga mehaanilise lihvimise tulemusena. Ideaalse teraviku tipu otsa suuruseks on üks aatom. Tavaliselt tehakse teravik ja piesoskanner hästi väike, et nende resonantssagedused oleks võimalikult kõrged.
Et valmistatud teravikke saaks kasutada elektrolüütide lahustes, tuleb teravik külgedelt isoleerida. Selleks kaetakse suurem osa teraviku pinnast. Siinkohal tuleb silmas pidada, et katmata peab jääma võimalikult väike osa teraviku tipust, umbes 0,01–10 mikromeetrit. Katmiseks kasutatakse klaasi, epoksüvaiku, ApiezonTM vaha, erinevaid polümeere või isegi küünelakki. Klaasiga kaetud teravikkude kasutusele võtmine tegi 1986. aastal võimalikuks esimese atomaarse lahutusega STM pildi saamise vesilahuses.

Kauguskontrollseade

Kauguskontrollseade võimaldab enne skaneerimist paigutada teraviku nii, et teraviku tipp oleks proovi pinnale piisavalt lähedal. Sellele seadme tõttu saadakse parem lahutus ja paljudel juhtudel kauguskontrollseade päästab teraviku hävimisest, kuna takistab teraviku kokkupuudet proovi pinnaga.

Vibratsiooni isoleermissüsteem

STM-i äärmiselt suure tundlikkuse tõttu tunnelvoolu kõikumise suhtes, on tähtis kasutada vibratsioone isoleerivat süsteemi või jäika alust STM-i seadmele, et saada arvestatavaid mõõtmistulemusi. Binning ja Rohrer kasutasid oma esimese mikroskoobi vibreerimise vältimiseks magnetilist levitatsiooni ehk hõljumist. Tänapäeval kasutatakse vibreerimise isoleerimiseks mehaanilisi vedrusi või õhkvedru süsteeme.

Arvuti

STM-i arvuti salvestab tunnelvoolu ning kontrollib piesoelektrilise toru pinget, mille tulemusena kavandab proovi pinnast kahedimensioonilise (2D) või kolmedimensioonilise (3D) pildi. Ühesõnaga toimub arvutis andmetöötlus ja tulemuste visualiseerimine.

Mõõtmine

STM kasutab elektronide laineomadusi, nimelt elektronid võivad tungida läbi sealt, kus klassikaline mehaanika seda ei lubaks. Sellist nähtust nimetatakse tunneliefektiks. Skaneeriva tunnelmikroskoobi teravik viiakse uuritava pinna lähedusse ning jälgitakse voolu, mis läbib teraviku ja pinna vahele jäävat keskkonda. Tunneliefekt ja seetõttu ka voolutugevus on väga tundlikud (isegi aatomskaalas) pinna ja teraviku vahelise kauguse suhtes.
STM töötab kahes režiimis: konstantse kõrguse režiimis ja konstantse voolu režiimis.

Konstantse kõrguse režiim

STM-kujutise saamiseks liigutatakse teravikku tihedasti edasi-tagasi uuritava pinna lähedal (sellest ka sõna "skaneeriv" meetodi nimetuses). Kui teravik liigub mööda pinda konstantsel kõrgusel, siis tunnelvool kasvab ja kahaneb ning saadav pilt on skaneerimisel mõõdetud voolu kujutis. Kui tegemist ei ole eriti sileda pinnaga, siis konstantse kõrguse režiimi on küllaltki riskantne kasutada, kuna kõrgematel pinnakonarustel võib teravik kergesti kahjustusi saada. Selle meetodi eeliseks on aga võimalus saavutada suur skaneerimise kiirus ning sellega lühendada skaneerimisele kuluvat aega.

Konstantse voolu režiim

Teine võimalus on hoida vool konstantsena ja varieerida teraviku kõrgust pinnast. Teraviku kõrgust pinnast kontrollib piesoelektrik. Selle meetodi puhul mõõdetakse potentsiaalide vahet, mida on vaja rakendada, et piesoelektrikust hoidja abil püsiks konstantne vool läbi teraviku. Saadud andmed muundatakse pinnaprofiili kujutiseks. STM-i mõõtmised tehakse tavaliselt konstantse voolu režiimil.

Tunnelvool

Tunnelvool tekib, kui metallist teraviku tipuaatomi elektronpilve lainefunktsioon kattub uuritava pinna aatomi elektronpilve lainefunktsiooniga. Tunnelvool tekib kahe vaakumvahemikuga eraldatud elektroodi, antud juhul pinna ja selle kohal oleva metallteraviku vahel, kui elektroode eraldav vahemik on väike ning pinge elektroodide vahel peab olema piisav, kuid võimalikult minimaalne. STM-i puhul peab teraviku ja proovi pinna vaheline kaugus olema võrreldav aatomtasanditevahelise kaugusega proovi kristallis.
Tunnelvoolu puhul on tegemist kvantnähtusega, mis väljendub selles, et elektronid on võimelised läbima teatud kõrguse ja mastaabiga potentsiaalibarjääri, kuna omavad laineomadusi. Kuna STM-is on tegemist väikeste pingetega, siis tunnelvool avaldub kujul:
It = U/d exp(−2Kd),
K = (2mΦ)1/2/ħ,
ħ = h/(2π),
kus It – elektroodide vahele tekkiv tunnelvool,
U – elektroodidevaheline pinge,
d – proovi pinna ja mikroskoobi teraviku vaheline kaugus,
m – elektroni seisumass,
Φ – teraviku ja pinna keskmine väljumistöö,
h – Planki konstant,
K – elektroni lainefunktsiooni karakteristlik vahelduv kustumispikkus.
Elektroodidevaheline pinge on tavaliselt mõni millivolti kuni mõni volt, keskmine väljumistöö on suurusjärgus mõni elektronvolt (eV), teraviku kaugus pinnast on umbes pool nanomeetrit ning saadav tunnelvool on mõningad nanoampreid suur.

Puudused

STM-iga mõõtmisel ei ole võimalik täpselt määrata proovi ülemiste ja alumiste kihtide aatomite vahelisi kaugusi. Mõõtmisel saadav informatsioon võib erineda tegelikkusest, näiteks kõrguse kohta saadav informatsioon võib muutuda vibreerimise tõttu. Vibreerimist võivad tekitada lihtsad kõrvalised aspektid, näiteks mikroskoobi kõrval kõndimine. Isegi vahemikud siledatel aladel ei ole täpsed, sest need sõltuvad temperatuuri muutumisest. Peale selle ei tee STM kindlaks proovi pinnal olevate aatomite ega molekulide keemilist koostist. Ometi võimaldab STM-i kasutamine saada materjalide pinnastruktuuride kohta olulisi andmeid.