Skaningowy mikroskop tunelowy (STM) – budowa i zasada działania

Zasada działania STM jest nierozłącznie związana ze zjawiskiem tunelowym, konkretnie z natężeniem prądu tunelowego. Poddając analizie wartości natężenia tego prądu pomiędzy badaną powierzchnią a ostrzem mikroskopu można zauważyć, że zmienia się ona wykładniczo wraz ze wzrostem odległości między nimi. W celu zobrazowania danej powierzchni należy umieścić specjalną sondę w odległości około 0,5 – 1,5 nm od niej. Sonda umieszczona jest w specjalnym uchwycie roboczym, który blokuje jej mimowolny ruch. Uchwyt ten przymocowany jest do skanera piezoelektrycznego.

Stosowany jest w tym miejscu odwrotny efekt piezoelektryczny. Wytwarzane pole elektryczne powoduje deformację piezoelektryka, a efekt ten ma charakter liniowy przy odkształceniach w zakresie do kilku mikronów. Wykorzystywane jest on celu zmiany wymiarów a tym samym położenia sondy nad próbką lub odwrotnie, próbki względem nieruchomej sondy. Umożliwia to operowanie sondą lub próbką w kontrolowany sposób, który jest wielokrotnie dokładniejszy od metod mechanicznych stosowanych w makroskali, gdzie nie jest potrzebna tak wielka precyzja. Obraz uzyskiwany podczas pracy mikroskopu jest mapą gęstości elektronowej atomów na analizowanej powierzchni roboczej [1, 2, 4].     

Tak bliska odległość ostrza od badanej powierzchni może powodować liczne kolizje pomiędzy nimi. W celu ich uniknięcia stosowane jest ujemne sprzężenie zwrotne. Wartością poddawaną regulacji jest w tym przypadku napięcie występujące pomiędzy ostrzem a próbką. Napięcie to zależne jest od odległości między nimi, co sprawia, że płynna regulacja tego parametru poprzez zastosowanie sprzężenia zwrotnego pozwala wyeliminować ryzyko zderzenia się ostrza z próbką na przykład w przypadku wybitnej nierówności powierzchni lub w przypadku istnienia artefaktów na powierzchni próbki [1, 2, 4].

Kolejnym elementem skaningowego mikroskopu tunelowego jest ostrze, nazywane również sondą co uzależnione jest od trybów pracy mikroskopu jak i funkcji jaką ma wykonywać. Długość ostrza jest silnia uzależniona od wymiarów miejsca jego mocowania, przeważnie wartość ta powinna wynosić około 7 – 10 mm. Ostrze uzyskiwane jest poprzez wstępne nacięcie a następnie rozerwanie drutu wykonanego ze stopu materiałów przewodzących prąd elektryczny, dla przykładu platyna i iryd w proporcjach 90/10. Takie ostrze przeznaczone jest do pracy w temperaturze pokojowej w powietrzu atmosferycznym [1, 3, 4].

---