В начале 1980-х годов Герд Биннинг и Генрих Рорер разработали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в исследовательской лаборатории в Цюрихе. В 1986 году они завоевали Нобелевскую премию за свое прорывное достижение.
СТМ работает на основе так называемого туннельного тока, который начинает течь, когда острый наконечник движется к проводящей поверхности на расстоянии около 1 нм.
Свойства сканирующего туннельного микроскопа
Наконечник расположен на пьезоэлектрической трубке, которая допускает легкие движения, когда на ее электроды подается напряжение. Таким образом, электроника системы СТМ регулирует положение наконечника так, что ток туннелирования и, таким образом, расстояние между наконечником и поверхностью постоянно поддерживаются. Одновременно сканируется также небольшая часть поверхности образца. Это движение отмечено и может быть показано как изображение рельефа поверхности.
Отдельные атомы поверхности могут быть разрешены и выставлены в идеальных условиях. Сверхвысокий вакуум необходим для предотвращения загрязнения образца окружающей средой, даже несмотря на то, что СТМ по своей природе не требует вакуума для работы, так как он работает как на воздухе, так и под жидкостями.
Тот факт, что эти поверхности выглядят очень плоские под СТМ-очевидной высоты отдельный атом быть 1/100 й к 1/10 го атомного диаметра, является проблемой, когда речь идет об изучении металлических поверхностей. Следовательно, для решения отдельных атомов, расстояние между образцом и наконечником должны постоянно поддерживаться в пределах 1/100 го атомного диаметра или больше, то есть, приблизительно 0,002 нм. Это не только требует очень высокой жесткости СТМ как такового, но также необходимо эффективно отделять STM от вибраций окружающей среды.
Участие в сканирующей туннельной микроскопии в нанотехнологиях
СТМ обладает способностью перемещать и позиционировать отдельные атомы. Благодаря этой способности он стал важным инструментом в нанотехнологиях. В 1982 году нанотехнология стала реальной перспективой, когда исследователи ИБМ использовали СТМ для демонстрации отдельных атомов золота. Позже, в 1989 году, другая команда исследователей из ИБМ контролировала 35 атомов ксенона, чтобы создать буквы «ИБМ». С тех пор он используется в качестве современного метода магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Метод СТМ, используемый исследователями, позволяет обнаруживать обнаружение одиночных ядер, но обычные МРТ могут отображать только несколько триллионов ядер за один раз. Система имеет широкие возможности для идентификации отдельных органических молекул, поскольку она может использоваться в водных растворах и в конечном итоге вытеснит существующие технологии, используемые в микрочипах и био-чипах.
Будущее сканирующей туннельной микроскопии в нанотехнологиях
Очень важной особенностью СТМ является не микроскоп как таковой, а кантилеверные зонды с наноразмерными наконечниками, которые используются с ним. Было бы невероятно ценно создавать зонды, которые могли бы включать в себя множество функций, например, обнаружение оптических, магнитных, электрических и тепловых сигналов на наноуровне на одном наконечнике.
Некоторые недостатки метода СТМ заключаются в том, что он не дает химических данных о материале и не может отобразить трехмерный образец. Этот недостаток предоставляет отличную возможность для новых методов приборов, которые могут достигать разрешения в нанометровом масштабе, сочетая в себе трехмерность и измерения с несколькими переменными.
Ожидается, что и академические круги, и частная промышленность будут и впредь поддерживать спрос на метрологические инструменты, позволяющие в конечном итоге наблюдать и контролировать материю на атомном и молекулярном уровне. Произойдет быстрый промышленный рост производителей аксессуаров СТМ, таких как наконечники и другие разработки приборов.