 Şekil: Bölümüzde imal edilen home-made STM :) |
1) İnce yaklaştırma mekanizması 2) Kaba yaklaştırma mekanizmas 3) Tarayıcı kafa 4) Vibrasyon izolasyonu 5) Tarama İğnesi |
STM'in temelini oluşturan kuantum mekaniksel tünelleme üzerinde yarım yüzyıldır çalışılan bir konudur. Fowler ve Nordheim 1928. Tek boyutlu model baz alınarak elektron tünellemesinin çeşitli noktaları üzerinde çalışmalar yapılmıştır.
STM, Binnig ve Heincrich tarafından IBM Zurih laboratuarlarında geliştirilmiştir Binnig ve arkadaşlarına bu başarı nobel ödülünü kazandırmıştır.
Taramalı Tünelleme Microskopu (STM) yüzeyleri atomik ölçekte gösterebildiği için bilimsel araştırmala ve endüstriyel alanda geniş kullanıma sahiptir.
Yüzeyin 3 boyutlu profilini verdiği için yüzey karakterizasyonu, yüzey bozuklukları, moleküllerin büyüklükleri ve yerleimleri, çok yüksek çözünürlüklerde atomların tek başına uzayda görüntüleri alınabilir.
Kuantum tünelleme teorisine göre, bir elektronun potansiyel enerjisi kendi toplam enerjisini aştığı zaman klasik fiziğe göre imkansız olan bölgeleri delip (tünelleme) geçebilir. Başka bir deyişle, dörtgen potansiyel bariyeri şeklinde bir sistemde, biribirine yeterince yakın (»10Å) iki elektrot arasında belli bir potansiyel farkı varsa elektronların bu iki elektrot arasındaki bariyerden tünelleme yapma olasılığı var demektir.
Atomik boyutta sivri bir iğne, örneğe s uzaklığa yerleştirilip V gerilimi uygulandığında iğneden örneğe doğru I akımı akar. Oda sıcaklığında geçen elektron sayısı uygulanan gerilim ile orantılıdır
STM’in genel yapısı mekanik , elektronik parçalar ve yazılım olarak 3 bölümde incelenebilir.
Şekil: Bölümüzde imal edilen home-made STM :) |
1) İnce yaklaştırma mekanizması 2) Kaba yaklaştırma mekanizmas 3) Tarayıcı kafa 4) Vibrasyon izolasyonu 5) Tarama İğnesi |
1) İnce Yaklaşma ve Tarama Mekanizması
Bu mekanizma STM iğnesini mümkün olduğunca geniş bir alanda, üç eksende (X,Y,Z) ve angström altı çözünürlükte hareket ettirme yeteneğine sahiptir. Ayrıca yüksek band-genişliği, hızlılık ve kararlık, mekanik tireşimleri sisteme yansıtmama özelliklerine sahip olmalıdır.
2) Kaba Yaklaştırma Mekanizması
Piezo tarayıcının hareket sahası son derece kısıtlıdır (1-2mm). Bu nedenle örnek ile tarama iğnesi tünel akımının başladığı noktaya kadar mekanik bir sistem ile yaklaştırılır. Bu uzaklık yaklaşık 1-10Å civarındadır. Tünel akımının başladığı bir osiloskop yardımıyla gözlenir.
3) Titreşim Izolasyonu
Kullanım esnasında iğne ile örnek arasındaki uzaklık son derece küçüktür (10Å). Ayrıca tünel akımı da üstel olarak bu uzaklığa bağımlıdır. STM’nin üstün bir cihaz olmasını sağlayan, tünel akımının uzaklıkla bu kadar hassas değişmesidir. Bu durumda çevreden gelen titreşimlerin genliği 0.1Å den daha küçük olmalıdır. Temel gürültü kaynakları çevreden gelen akustik titreşimler, elektrik şebekesinden kaynaklanan gürültüler, bina içindeki trafo, elektrik motoru vb. cihazlardan kaynaklanan titreşimlerdir.
4) Tarama Iğnesi
Tarama iğnesi görüntü çözünürlüğünü doğrudan etkileyen önemli bölümlerden biridir. Tarama iğnesi olarak genellikle tungsten, altın, platin, platin/iridyum gibi inert metaller ve grafit kullanılmaktadır Atomik seviyede homojen yüzeylerin görüntülenmesinde iğne ucunun tek atom seviyesinde olması gereklidir.
Iğne hazırlamak için: (i) Elektrolitik parlatma ve aşındırma; (ii) kimyasal parlatma ve aşındırma; (iii) iyon öğütme; (iv) yağ ve zımpara taşı ile parlatma; (v) yankeski ile kesme; (vi) döverek şekillendirme; (vii) elektron ışıması ile biriktirme gibi metodlar kullanılmaktadır.
Ancak bu yöntemlerin hiçbirisi genel kullanıma uygun değildir. Bu nedenle kullanılacak metale göre yukarıdaki yöntemlerden uygun olanı seçilerek kullanılır. Biyolojik uygulamalar için kullanılan iğneler genellikle tungsten, altın, platin/iridyum alaşımından elektrokimyasl aşındırma veya uygun açıyla keserek hazırlanır. Eğer sıvı ortamında çalışılacak ise iğne cam, cila, parafin gibi uç noktasına kadar kaplanarak kullanılabilir.
Software
.....