Tunnelointimikroskooppi

Tunnelointimikroskooppi (STM, engl. Scanning tunneling microscope) on mikroskooppi, jolla saadaan atomitason kuvia tutkittavista pinnoista. Tunnelointimikroskoopin terävää mittakärkeä liikutetaan sähköä johtavan näytteen pinnan lähellä ja samanaikaisesti laitteistolla kontrolloidaan mittakärjen ja pinnan välistä jännitettä. Muodostuvan tunnelointivirran avulla saadaan kuva näytteen pinnan topografiasta. Tunnelointivirta on vahvasti riippuvainen mittakärjen ja pinnan välisestä etäisyydestä, mutta myös näytteen elektronitiheydestä. Pintatopografian kuvantamisen lisäksi tunnelointimikroskooppia voidaan käyttää myös kiinteiden näytteiden elektronisten ominaisuuksien tutkimiseen, atomimanipulaatioon sekä nanorakenteiden valmistukseen.
Vuonna 1981 IBM:n työntekijät Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer keksivät, että elektronien kvanttimekaanista tunnelointi-ilmiötä hyödyntämällä voitaisiin kehittää mikroskooppi, jonka avaruudellinen erotuskyky on erittäin suuri. Tutkijat saivat keksinnöstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1986.

Laitteisto

Tunnelointimikroskooppi koostuu pietsosähköisestä skannerista, asennon karkeasäätimestä, mittakärjestä, tärinäeristyksestä sekä tietokoneesta. Pietsosähköinen skanneri mahdollistaa mittakärjen tarkan liikkeen. Se laajentuu tai supistuu siihen kohdistetun sähkövirran mukaisesti. Asennon karkeasäätimen ja skannerin z-anturin avulla näyte asetetaan muutaman ångströmin päähän mittakärjestä. Mittakärjet valmistetaan yleensä volframista tai platina-iridiumseoksesta ja niiden kärki on yhden atomin paksuinen. Koska tunnelointimikroskopia on altis mekaaniselle häiriölle, on mittakärki aina varustettu vähintään yhdellä värinää eristävällä järjestelmällä.

Toimintaperiaate

Tunnelointimikroskoopin toiminta perustuu kvanttiteoriaan ja elektronien tunneloitumisilmiöön. Kahden toisiaan hyvin lähellä olevan elektrodin välillä kulkee sähkövirta, vaikka ne eivät olisi kosketuksissa toisiinsa. Virran suuruus on riippuvainen elektrodien välisestä erosta ja atomiakin pienempi ero aiheuttaa mitattavia muutoksia virran suuruuteen.
Kun tunnelointimikroskoopin mittakärki on riittävän lähellä (yleensä noin 2–5 Å eli 0,2–0,5 nm) näytteen pintaa, mittakärjen ja näytepinnan elektronien aaltofunktiot limittyvät. Kun näytteeseen johdetaan jännite, liikkuu mittakärjen ja näytteen välillä virta kvanttimekaanisesta tunnelointi-ilmiöstä johtuen. Tunnelointivirta voidaan mitata ja näin pintatopografiasta voidaan muodostaa kuva. Tunnelointivirta on riippuvainen näytteen pinnan ja mittakärjen välisestä etäisyydestä. Mittakärkeä voidaan liikuttaa näytteen pinnalla vaaka- ja pystysuunnissa. Tunnelointimikroskoopissa on kaksi eri toimintatapaa, joita ovat vakiovirta- ja vakiokorkeusmenetelmä.
Vakiovirtamenetelmässä näytteen pinnan ja mittakärjen etäisyyttä säädellään takaisinkytkennän avulla niin, että tunnelointivirta pysyy vakiona. Mittakärjen etäisyys näytteen pinnasta tallentuu kuvana, joka vastaa näytteen topografiaa. Vakiovirtamenetelmä on turvallinen etenkin karkeita pintoja tutkittaessa, mutta menetelmänä hidas.
Vakiokorkeusmenetelmä sopii hyvin sileille pinnoille. Tässä menetelmässä mittakärjen etäisyys näytteen pinnasta pidetään vakiona ja kuva saadaan tunnelointivirran muutosten perusteella. Vakiokorkeusmenetelmää käytettäessä täytyy muistaa, että mittakärki voi mennä rikki, jos se osuu näytteen pintaan. Vakiokorkeusmenetelmä on huomattavasti nopeampi kuin vakiovirtamenetelmä.