Skaneeriv tunnelmikroskoopia

Skaneeriv tunnelmikroskoopia, lühend STM (inglise keele sõnadest scanning tunneling microscopy) on meetod keemias, mis võimaldab saada pinna topograafiast kolmemõõtmelist informatsiooni ja kujutada pinda atomaarsel tasemel. STM tagab piisavalt hea lahutusvõime: pinnal umbes 0,1 nm ja sügavuti ligikaudu 0,01 nm. STM kasutab elektronide laineomadusi, nimelt elektronid võivad tungida läbi sealt, kus klassikaline mehaanika seda ei lubaks. Sellist nähtust nimetatakse tunneliefektiks. STM põhineb teraviku ja pinna vahel tekkiva tunnelvoolu mõõtmisel. STM-i saab kasutada nii ülikõrge vaakumi keskkonnas kui ka õhu-, gaasi-, vee- ja mitmesugustes lahuselistes keskkondades. Mõõtmisi saab läbi viia temperatuuridel ligikaudu nullist kelvinist kuni mõnesaja kraadini Celsiuse järgi. Skaneeriv tunnelmikroskoopia kuulub skaneeriva teravikmikroskoopia perekonda. Esimeseks mikroskoobiks teravikmikroskoopide perekonnas oli skaneeriv tunnelmikroskoop. Skaneeriva tunnelmikroskoobi leiutasid Gerd Binnig ning Heinrich Rohrer 1982. aastal. See avastus tõi neile 1986. aastal Nobeli auhinna. Alguses kasutati STM-i kui suure 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 leiutamine viis mitme teise skaneeriva teravikmikroskoopia meetodi väljatöötamiseni (näiteks aatomjõumikroskoopia, magnetjõumikroskoopia, skaneeriv elektronmikroskoopia). Skaneeriv tunnelmikroskoop koosneb teravikuga piesoskannerist, kauguskontrolli- ja skaneerimissõlmest, vibratsiooni isoleerimise süsteemist ning protsessorist. 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 pinge, siis on võimalik piesotoru püst- ja rõhtsihis nihutada. Juhtimispinge hoitakse sellisel väärtusel, et nihke ja rakendatava pinge sõltuvus oleks võimalikult lineaarne. Kõrge lahutusega STM-piltide saamiseks on oluline, et teravik oleks väga terav. Saadava pildi lahutusvõime sõltub skaneeriva tunnelmikroskoobi teraviku kumerusraadiusest. Teraviku tipu otsa suuruseks on üks aatom. Mikroskoobi teravik on enamasti valmistatud volframist või plaatina-iriidiumi või roodiumi sulamist. Volframist teravikke valmistatakse elektrokeemilise söövitamise meetodil, plaatina-iriidiumteravikke saadakse aga mehaanilise lihvimise tulemusena. Tavaliselt tehakse teravik ja piesoskanner hästi väike, et nende resonantssagedused oleksid 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 võimaldab skaneerimisel paigutada teravikku nii, et selle tipp oleks proovi pinnale küllaltalt lähedal (nt 0,1 nm kaugusel, kuid ei puudutaks seda). Et STM on äärmiselt tundlik tunnelvoolu kõikumise suhtes tingituna vibratsioonist, on tähtis kasutada vibratsioone isoleerivat süsteemi või jäika alust, et saada usaldatavaid mõõtmistulemusi. Binning ja Rohrer kasutasid oma esimese mikroskoobi vibreerimise vältimiseks magnetilist levitatsiooni ehk hõljumist. Tänapäeval kasutatakse vibreerimise isoleerimiseks mehaanilisi vedru- või õhkvedrusüsteeme. STM-i protsessor (arvuti)] töötleb piesoelektrilise toru väljundpinge muutused proovi pinna kahedimensiooniliseks (2D) või kolmedimensiooniliseks (3D) pildiks. Kui rakendada teravikule proovi suhtes elektripinge, kutsub see esile tunnelvoolu. Selle voolu tugevus sõltub eksponentsiaalselt teraviku ja proovi vahekaugusest. Skaneerimise protsessis liigutatakse teravikku uuritava pinna läheduses ning mõõdetakse 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. STM-kujutise saamiseks liigutatakse teravikku edasi-tagasi uuritava pinna lähedal (sellest ka sõna "skaneeriv" meetodi nimetuses). Kui teravik liigub mööda pinda püsival kõrgusel, siis tunnelvool kasvab ja kahaneb ning saadav pilt on skaneerimisel mõõdetud voolu kujutis. Kui pind ei ole eriti sile, siis on konstantse kõrguse režiimi küllaltki riskantne kasutada, sest kõrgemad pinnakonarused võivad teravikku kahjustada. Selle meetodi eeliseks on aga suur skaneerimise kiirus. 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 vool läbi teraviku püsiks konstantne . Saadud andmed muundatakse pinnaprofiili kujutiseks. STM-i mõõtmised tehakse tavaliselt konstantse voolu režiimil. Tunnelvool tekib, kui metallist teraviku tipuaatomi elektronpilve lainefunktsioon kattub uuritava pinna aatomi elektronpilve lainefunktsiooniga. Tunnelvoolu puhul on tegemist kvantnähtusega, mis väljendub selles, et elektronid on võimelised läbima teatud kõrgusega potentsiaalibarjääri, kuna omavad laineomadusi. Teraviku kaugus pinnast on umbes pool nanomeetrit, elektroodidevaheline pinge on tavaliselt mõni millivolti kuni mõni volt ning saadav tunnelvool on mõningad nanoampreid suur. STM-iga mõõtmisel ei ole võimalik täpselt määrata proovi ülemiste ja alumiste kihtide aatomite vahelisi kaugusi. Mõõtmisega saadav info võib erineda tegelikest väärtustest, näiteks kõrguse kohta saadav info 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. E.M. McCash (2004). Sureface Chemistry. Oxford University Press. C. Bai (2000). Scanning tunneling microscopy and its applications. New York: Springer Verlag. ISBN 3-540-65715-0. Department of Materials Science and Engineering V. L. Mironov (2004). Fundamentals of Scanning Probe Microscopy. NT-MDT. G. Binnig, H. Rohrer (1986). "Scanning tunneling microscopy". IBM Journal of Research and Development. 30: 4. Press release for the 1986 Nobel Prize in physics V. S. Bagotsky (2006). Fundamentals of Electrochemistry. John Wiley & Sons, Inc. K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov, and M. Katayama (2003). Surface science: an introduction. Berlin: Springer-Verlag. ISBN 3-540-00545-5.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Abelev, E; Sezin, N.; Ein-Eli, Y.; Rev. of Sci. Inst. 2005, 76, 106105. A.J. Bard, L. R. Faulkner (2001). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons, Inc. R. Wiesendanger (1994). Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. Cambridge University Press. "Atomic World". Originaali arhiivikoopia seisuga 4.03.2015. Vaadatud 30.10.2014. C. Julian Chen (1993). Introduction to Scanning Tunneling Microscopy (PDF). Oxford University Press. ISBN 0-19-507150-6. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 23. jaanuar 2013. Vaadatud 31. oktoobril 2014. P. Atkins, L. Jones (2012). Keemia alused: teekond teadmiste juurde. Tartu Ülikooli kirjastus.