STM (ang. scanning tunnelling microscope) – mikroskop ze skanującą sondą, pozwalający uzyskać trójwymiarowy, elektroniczny obraz oglądanej powierzchni na poziomie atomowym.
Po raz pierwszy skonstruowany został w 1982 roku przez Gerda Binniga oraz Heinricha Rohrera. W trakcie ich badań zrodziła się potrzeba obserwacji powierzchni z dokładnością do ułamków nanometra. W związku z tym, iż w ówczesnych czasach żadne przyrządy nie umożliwiały tak dokładnych pomiarów, dwaj naukowców, pracujących w laboratoriach IBM w Zurychu (Szwajcaria), stworzyli swoje własne narzędzie – skaningowy mikroskop tunelowy. Ich wynalazek umożliwił dokładną obserwację nanoświata oraz zapoczątkował rozwój mikroskopii sond skanujących. Cztery lata później przyznano im za to dokonanie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
STM zbudowany jest ze skomplikowanych układów cyfrowych oraz analogowych, które sterują systemem pomiarowym oraz przetwarzają dane. Jednak najistotniejszym elementem mikroskopu jest sonda skanująca. Sonda składa się z metalowej „belki” o średnicy rzędu ułamków milimetra, na końcu której umieszczony jest kryształ (ostrze), ustawiony wierzchołkiem w stronę próbki. Dzięki takiej konstrukcji wierzchołek ostrza zakończony jest powierzchnią o bardzo małych rozmiarach (w przypadku idealnym jeden atom). Stąd możliwość analizowania próbki w skali atomowej. Skanowanie odbywa się poprzez przesuwanie sondy kolejno nad każdym atomem analizowanej struktury lub odwrotnie: sonda jest nieruchoma, natomiast próbka umieszczona pod nią zmienia swoje położenie w sposób kontrolowany. Cząsteczki znajdujące się w powietrzu utrudniają uzyskanie dokładnych wyników pomiaru. Dlatego najlepsze warunki do skanowania panują w próżni oraz w niskiej temperaturze.
STM wykorzystuje zjawisko tunelowania (przechodzenia) przez barierę potencjału. Elektrony potrzebują bardzo dużo energii, aby pokonać próżnię i przejść z ostrza do próbki lub vice versa. Jednak mimo że elektrony „z natury” są cząstkami, czasami zachowują się jak fala o określonej częstotliwości. Dzięki temu niektóre z nich potrafią przejść przez barierę, jaką stanowi próżnia, „na skróty”.
Między badaną próbką, która musi przewodzić prąd elektryczny, a sondą przykładane jest napięcie tunelowania o dowolnej polaryzacji. Jest to napięcie zbyt małe, żeby oderwać elektron od atomu, nad którym w danym momencie znajduje się sonda. Jednak dzięki małej odległości ostrza od próbki (do 1 nm), elektrony pokonują barierę potencjału wskutek zjawiska kwantowego, od którego wzięła się nazwa tego mikroskopu.
Trzeba pamiętać, że tak mała odległość sprawia, iż mikroskop jest czuły na najmniejsze drgania, nawet te spowodowane ruchem ulicznym czy ludzkimi krokami. Dlatego zazwyczaj stosuje się specjalny sprzęt do tłumienia drgań, aby zapobiec uderzaniu sondy o powierzchnię próbki.
Okazało się, że skaningowy mikroskop tunelowy potrafi nie tylko oglądać świat w skali „nano”, ale także nim manipulować. Po przyłożeniu odpowiednio dużego napięcia można oderwać atom od badanej próbki i za pomocą ostrza przenieść go w dowolne miejsce. Daje to możliwość uzyskania dowolnej pożądanej struktury, budowanej atom po atomie. Przykładem takiego zabiegu jest stworzony przez naukowców w laboratoriach IBM już w 1993 roku „człowiek z tlenku węgla”.
Widać zatem, jak ogromny postęp w dziedzinie nanotechnologii dokonał się na przestrzeni dziesięcioleci dzięki wynalezieniu mikroskopu STM. Ciągle trwają badania i eksperymenty z wykorzystaniem tego przełomowego wynalazku. Co jeszcze STM pozwoli nam w przyszłości „zobaczyć” – czas pokaże. A już dziś planuje się wdrażanie do powszechnego użytku udogodnień, jakie oferuje nam nanotechnologia.
Autor tekstu: Bogumił Frank
Źródła ilustracji:
http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMintro.php
http://www.ieap.uni-kiel.de/surface/ag-kipp/stm/stm.htm
http://picasaweb.google.com/ibmphoto/IBMResearch
http://picasaweb.google.com/mattmak54/IBMAndTheAtom