Tunelowanie Elektronów i zasada działania skaningowego mikroskopu tunelowego

1. Tunelowanie Elektronów i zasada działania skaningowego mikroskopu tunelowego Łukasz Nalepa Inf. Stos. gr3 5.12.2005

2. O czym będę mówił : O czym będę mówił : I EFEKT TUNELOWY • Falowy opis cząsteczek • Bariera potencjału • Współczynnik przejścia • Zastosowania II STM • Budowa i zasada działania • Problemy konstrukcyjne i najważniejsze elementy • Metody pomiarów • Przykładowe obrazy • Sposoby postawania obrazów • Zastosowania • Bibliografia

3. 1.1 OPIS FALOWY CZĄSTECZEK W mechanice kwantowej cząstki opisujemy przy pomocy funkcji falowej Kwadrat funkcji falowej interpretuje się jako gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki

4. „Równanie Schrödingera bez czasu” dla cząstki w zewnętrznym, potencjalnym polu sił : • „Równanie Schrödingera z czasem” dla cząstki w zewnętrznym, potencjalnym polu sił :

5. Jednowymiarowe równanie Schrödingera : Zależność czasowa przy ustalonej energii E : spełnia tą samą zależność co :

6. 1.2 BARIERA POTENCJAŁU V0 V0 V(x) V(x) energia całkowita energia całkowita E E 0 0 obszar klasycznie dostępny obszar klasycznie dostępny obszar klasycznie niedostępny obszar klasycznie niedostępny X0 X0 = 0 Punkt zwrotny Punkt zwrotny Mamy więc : V(x) = 0 dla x < 0 V(x) = V0 > E dla x >0

7. Rozwiązanie dla obszaru klasycznie niedostępnego (x>0) exp (-qx) , exp(+qx) gdzie Poprawna postać funkcji : Rozwiązanie dla obszaru klasycznie dostępnego (x<0) exp (-ikx) , exp(+ikx) gdzie Poprawna postać funkcji : Gdzie A i B są stałymi :

8. Interpretacja V(x) V0 energia całkowita E 0 Fala padająca i odbita Fala wnikająca

9. 1.3 WSPÓŁCZYNNIK PRZEJŚCIA bariera potencjału V0 energia całkowita E 0 II III obszar I X=0 X=a

10. OBSZAR I OBSZAR II OBSZAR III

12. Prawdopodobieństwo, że cząstka uderzając w barierę, przejdzie przez nią : Lub też :

13. Efekt tunelowy V(x) energia całkowita E 0 Fala przepuszczona Fala padająca i odbita

14. 1.4 ZASTOSOWANIA EFEKTU TUNELOWEGO • dioda Esakiego (tunelowa) • złącze Josephsona • skaningowy mikroskop tunelowy

15. II SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY • Patent • złożono w 1979r. • przyznano w 1982r. • Pierwszy udany eksperyment • 16 marca 1981 • Nagroda Nobla • 1986 r. pierwszy egzemplarz STM Heinrich Rohrer i Gerd K. Binnig

16. 2.1 BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA STM napięcie sterujące piezoelektrykiem piezoelektryk z elektrodami Kontroler odległości skanowania wzmacniacz prądu tunelowego ostrze próbka napięcie tunelowe przetwarzanie i wizualizacja

17. 2.2 PROBLEMY KONSTRUKCYJNE I NAJWAŻNIEJSZE ELEMENTY STM • Najważniejsze • elementy STM: • Ostrze • Układ umożliwiający • precyzyjne • przesuwanie ostrza • Układ tłumiący • drgania

18. OSTRZE idealne ostrze rzeczywiste ostrze Aktywny pozostaje jedynie atom najbliżej próbki. Jest to wynik silnej zależności prądu tunelowania od odległości

19. UKŁAD MANIPULUJĄCY OSTRZEM Do przesuwania ostrza wykorzystuje się odwrotne zjawisko piezoelektryczne. Odkształcona siatka kryształu kwarcu, o niezerowym wypadkowym momencie dipolowym Siatka kryształu kwarcu

20. UKŁAD TŁUMIĄCY DRGANIA • Czynniki powodujące drgania : • ruch samochodowy • drgania budynku • kroki • dźwięk • Tłumienie drgań : • początkowo pole magnetyczne • pneumatyczne podpórki • zawieszenie całości układ na sprężynach • duża masa własna podstawy • umiejscawianie w miejscach mało podatnych na drgania „ze świata”

21. 2.3 METODY POMIARÓW • Dwie podstawowe metody pomiarów : • Stały prąd • Stała odległość ostrza od próbki Prąd tunelowy => 0.1 – 10 nA Napięcie pomiędzy ostrzem i podłożem => kilka Voltów Odległość ostrza od próbki => zazwyczaj około 1 Å

22. STAŁY PRĄD Skaner zmienia odległość pomiędzy ostrzem a próbką w taki sposób, aby prąd tunelowania był stały. Mierzone jest napięcie przyłożone do elementów piezoelektrycznych. To napięcie jest następnie przeliczane na zmianę długości tych elementów. Ten sposób pracy jest zalecany, gdy nie znamy morfologii próbki lub, gdy powierzchnia jest silnie pofałdowana

23. STAŁA ODLEGŁOŚĆ Odległość pomiędzy ostrzem a próbką jest stała. Mierzone są zmiany prądu tunelowego. Ten sposób pracy jest zalecany, gdy badamy gładkie powierzchnie. Ze względu na silną zależność pomiędzy prądem tunelowania a odległością igła-próbka, przy tym sposobie pracy osiąga się dużą rozdzielczość. Uwaga: Łatwo uszkodzić igłę

24. 2.4 PRZYKŁADOWE OBRAZY Xenon na Niklu (wkrótce po odkryciu możliwości manipulacji atomami) [IBM]

25. nanokryształ palladu na Al2O3 [ Aarhus Universitet ]

26. atomy sodu i jodu na miedzi [ IBM ]

27. dyfuzja powierzchniowa dużych cząsteczek organicznych [ Aarhus Universitet ]

28. Cu na Cu, wzrost temperatury z 9K do 12K [SPECS GmbH]

29. TiO2 (300K, 8.6s/frame) [ Aarhus Universitet ]

30. 2.5 JAK POWSTAJĄ OBRAZY ?(IBM) 1 2 3 4 5 6 7 8

31. 2.6 ZASTOSOWANIA • Mikroskopia tunelowa • Chemia • Medycyna • Biologia • Fizyka • Manipulacja pojedynczymi atomami • Spektroskopia tunelowa

32. 2.7 BIBLIOGRAFIA INTERNET : IBM Research : STM gallery: http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html SPM Aarhus:The Scanning Probe Microscopy Group: http://www.phys.au.dk/camp/home.shtm SPECS Competence in Surface Analysis: http://www.specs.de/index.html The IAP/TU Wien STM Gallery: http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/STM_Gallery/index.htmlx LITERATURA : „Fizyka Kwantowa” – E.H Wichmann „Inżynieria Kwantowa” – Gerard Milburn