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

O czym będę mówił : O czym będę mówił : I EFEKT TUNELOWY II STM 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 Bibliografia

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

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

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

1.2 BARIERA POTENCJAŁU Mamy więc : V(x) = 0 dla x < 0 energia całkowita energia całkowita E E 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

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 :

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

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

OBSZAR I OBSZAR II OBSZAR III

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

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

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

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

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

2.2 PROBLEMY KONSTRUKCYJNE I NAJWAŻNIEJSZE ELEMENTY STM Ostrze Układ umożliwiający precyzyjne przesuwanie ostrza Układ tłumiący drgania

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

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

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”

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

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

Uwaga: Łatwo uszkodzić igłę 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

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

nanokryształ palladu na Al2O3 [ Aarhus Universitet ]

atomy sodu i jodu na miedzi [ IBM ]

dyfuzja powierzchniowa dużych cząsteczek organicznych [ Aarhus Universitet ]

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

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

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

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

2.7 BIBLIOGRAFIA INTERNET : LITERATURA : 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