De tunnelmicroscoop: Hoe werkt het? Wandelen tussen de atomen

Benodigdheden
De tunnelmicroscoop: Hoe werkt het?
Klassieke fysica
Kwantummechanica:
TUNNELSTROOM
Spanning V
Een tunnelmicroscoop (Engels: Scanning
Tunneling Microscope, STM)
maakt gebruikt van
een metalen naald
om het oppervlak
mee “af te tasten”.
e
e
Energie van de elektronen E = eV e- e
e e
De tunnelstroom wordt bepaald door de afstand tussen naald en oppervlak, evenals
door de hiertussen aangelegde elektrische
spanning.
Afstand d
dI
eV )
( x, y,V ) ∝ LDOSsample ( x, y, E =
dV
Elektrische eigenschappen van het substraat/nanodeeltje
De nauwkeurige beweging van
de naald over het oppervlak
gebeurt met behulp van een
piëzo-kristalletje.
Wandelen tussen de atomen
De tunnelstroom neemt exponentieel af
met de afstand tussen naald en oppervlak.
Door registratie van de tunnelstroom tijdens
het rasterscannen, kan via de computer een
beeld gevormd worden van het oppervlak .
Surfen op een zee van elektronengolven
Spelen met atomen
De tunnelstroom wordt eveneens bepaald door de specifieke
elektrische eigenschappen van het te onderzoeken
substraatoppervlak/nanodeeltje.
Met de STM naald kunnen we atomen van
het substraatoppervlak “oppikken” en op de
gewenste plek terug “neerzetten”.
Meer bepaald, de tunnelmicroscoop stelt ons in staat om de
verdeling van de elektronen over het oppervlak in kaart te
brengen.
Zo kunnen we nanostructuren van eender
welke vorm en grootte maken én bestuderen.
Dit maakt de tunnelstroom gevoelig voor
extreem kleine hoogtevariaties, zoals deze
tussen de atomen aan een oppervlak.
+0.3 eV
Regendruppels
in een vijver
+0.8 eV
Een zee van elektronengolven
aan een goudoppervlak
De aangelegde spanning tussen naald en oppervlak bepaalt
direct de energie van de gevisualiseerde elektronen.
Atomen aan een koperoppervlak
Elektronen
weerkaatsen aan de
atomaire stappen
van
het
koperoppervlak en vormen zo complexe
golfpatronen
M.F. Crommie, C.P. Lutz and D.M. Eigler, Science 262, 218 (1993).
Verschillende stadia van de bouw van een
kwantum koraal, atoom per atoom, bestaande
uit 48 ijzeratomen op een koperoppervlak.
De elektronen in het koperoppervlak weerkaatsen aan de ijzeratomen en worden “opgesloten” in de kwantum koraal.
Atomen aan een goudoppervlak
M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler,
Nature 363, 524-527 (1993).