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

2 O czym będę mówił : O czym będę mówił : I EFEKT TUNELOWY II STMFalowy 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 CZĄSTECZEKW 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 < 0energia 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 wnikającaInterpretacja V(x) V0 energia całkowita E Fala padająca i odbita Fala wnikająca

9 1.3 WSPÓŁCZYNNIK PRZEJŚCIAbariera 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 odbitaEfekt tunelowy V(x) energia całkowita E Fala przepuszczona Fala padająca i odbita

14 1.4 ZASTOSOWANIA EFEKTU TUNELOWEGOdioda Esakiego (tunelowa) złącze Josephsona skaningowy mikroskop tunelowy

15 II SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWYPatent 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 STMnapięcie 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 STMOstrze Układ umożliwiający precyzyjne przesuwanie ostrza Układ tłumiący drgania

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

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

20 UKŁAD TŁUMIĄCY DRGANIACzynniki 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 takisposób, 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 igłęSTAŁA 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 powierzchniowadużych 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