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

Prezentacja na temat: "Tunelowanie Elektronów i zasada działania skaningowego mikroskopu tunelowego Łukasz Nalepa Inf. Stos. gr3 5.12.2005."— Zapis prezentacji:

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

2 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

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

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

10 OBSZAR I OBSZAR II OBSZAR III

11

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

13 Fala przepuszczona Fala padająca i odbita
Efekt tunelowy V(x) energia całkowita E 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
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. Siatka kryształu kwarcu Odkształcona siatka kryształu kwarcu, o niezerowym wypadkowym momencie dipolowym

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 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 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

24 (wkrótce po odkryciu możliwości manipulacji atomami)
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)

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

32 2.7 BIBLIOGRAFIA INTERNET : LITERATURA : IBM Research : STM gallery:
SPM Aarhus: The Scanning Probe Microscopy Group: SPECS Competence in Surface Analysis: The IAP/TU Wien STM Gallery: LITERATURA : „Fizyka Kwantowa” – E.H Wichmann „Inżynieria Kwantowa” – Gerard Milburn