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.

Ajalugu 
Esimeseks mikroskoobiks teravikmikroskoopide perekonnas oli skaneeriv tunnelmikroskoop.
Skaneeriva tunnelmikroskoobi leiutasid Gerd Binning 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).

Ehitus 
Skaneeriv tunnelmikroskoop koosneb teravikuga piesoskannerist, kauguskontrolli- ja skaneerimissõlmest, vibratsiooni isoleerimise süsteemist ning protsessorist.

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 pinge, siis on võimalik piesotoru püst- ja rõhtsihis nihutada. Juhtimispinge hoitakse sellisel väärtusel, et nihke ja rakendatava pinge sõltuvus oleks võimalikult lineaarne.

Teravik 

Kõrge lahutusega STM-piltide saamiseks on oluline, et teravik oleks väga terav. Saadava pildi lahutusvõime  sõltub skaneeriva tunnelmikroskoobi teraviku kumerusaadiusest.  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 
Kauguskontrollseade võimaldab skaneerimisel paigutada teravikku nii, et selle tipp oleks proovi pinnale küllaltalt lähedal (nt 0,1 nm kaugusel, kuid ei puudutaks seda)..

Vibratsiooni isoleerimine 
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.

Protsessor 
STM-i protsessor (arvuti)] töötleb piesoelektrilise toru väljundpinge muutused proovi pinna kahedimensiooniliseks (2D) või kolmedimensiooniliseks (3D) pildiks.

Mõõtmine 
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.

Konstantse kõrguse režiim
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, sestkõrgemad pinnakonarused võivad teravikku kahjustada. Selle meetodi eeliseks on aga suur skaneerimise kiirus.

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 vool läbi teraviku püsiks konstantne . 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. 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.

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.

Viited 

Mikroskoopia