सॉलिड-स्टेट सिस्टम की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का अध्ययन करने के लिए टनलिंग माइक्रोस्कोप एक अत्यंत शक्तिशाली उपकरण है। इसकी स्थलाकृतिक छवियां रासायनिक-विशिष्ट सतह विश्लेषण तकनीकों के अनुप्रयोग में सहायता करती हैं, जिससे सतह की संरचनात्मक परिभाषा होती है। आप डिवाइस, कार्यों और अर्थ के बारे में जान सकते हैं, साथ ही इस लेख में एक टनलिंग माइक्रोस्कोप की एक तस्वीर भी देख सकते हैं।
निर्माता
इस तरह के सूक्ष्मदर्शी के आविष्कार से पहले, सतहों की परमाणु संरचना का अध्ययन करने की संभावनाएं मुख्य रूप से एक्स-रे, इलेक्ट्रॉनों, आयनों और अन्य कणों के बीम का उपयोग करके विवर्तन विधियों तक सीमित थीं। सफलता तब मिली जब स्विस भौतिक विज्ञानी गेर्ड बिनिग और हेनरिक रोहरर ने पहला टनलिंग माइक्रोस्कोप विकसित किया। उन्होंने अपनी पहली छवि के लिए सोने की सतह को चुना। जब छवि को एक टेलीविज़न मॉनीटर पर प्रदर्शित किया गया, तो उन्होंने ठीक-ठीक व्यवस्थित परमाणुओं की पंक्तियों को देखा और एक परमाणु ऊँचे कदमों द्वारा अलग-अलग विस्तृत छतों को देखा। बिनिग और रोहररसतहों की परमाणु संरचना की सीधी छवि बनाने के लिए एक सरल विधि की खोज की। उनकी प्रभावशाली उपलब्धि को 1986 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।
अग्रदूत
टोपोग्राफिनर नामक एक समान माइक्रोस्कोप का आविष्कार रसेल यंग और उनके सहयोगियों ने 1965 और 1971 के बीच राष्ट्रीय मानक ब्यूरो में किया था। यह वर्तमान में राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान है। यह माइक्रोस्कोप इस सिद्धांत पर काम करता है कि बाएं और दाएं पीजो ड्राइवर नमूना सतह के ऊपर और थोड़ा ऊपर की नोक को स्कैन करते हैं। केंद्रीय पीजो-नियंत्रित सर्वर ड्राइव को निरंतर वोल्टेज बनाए रखने के लिए सर्वर सिस्टम द्वारा नियंत्रित किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप टिप और सतह के बीच एक स्थायी लंबवत अलगाव होता है। इलेक्ट्रॉन गुणक टनलिंग करंट के एक छोटे से अंश का पता लगाता है जो नमूने की सतह पर फैल जाता है।
योजनाबद्ध दृश्य
टनलिंग माइक्रोस्कोप असेंबली में निम्नलिखित घटक शामिल हैं:
- स्कैनिंग टिप;
- नियंत्रक टिप को एक निर्देशांक से दूसरे निर्देशांक में ले जाने के लिए;
- कंपन अलगाव प्रणाली;
- कंप्यूटर।
टिप अक्सर टंगस्टन या प्लेटिनम-इरिडियम से बनी होती है, हालांकि सोने का भी उपयोग किया जाता है। छवि प्रसंस्करण के माध्यम से छवि को बेहतर बनाने और मात्रात्मक माप करने के लिए कंप्यूटर का उपयोग किया जाता है।
यह कैसे काम करता है
सुरंग के संचालन का सिद्धांतमाइक्रोस्कोप काफी जटिल है। टिप के शीर्ष पर स्थित इलेक्ट्रॉन संभावित अवरोध द्वारा धातु के अंदर के क्षेत्र तक सीमित नहीं हैं। वे धातु में अपनी गति की तरह बाधा से गुजरते हैं। मुक्त गतिमान कणों का भ्रम पैदा होता है। वास्तव में, इलेक्ट्रॉन परमाणु से परमाणु की ओर गति करते हैं, दो परमाणु स्थलों के बीच एक संभावित अवरोध से गुजरते हुए। बैरियर के प्रत्येक दृष्टिकोण के लिए, सुरंग खोदने की संभावना 10:4 है। इलेक्ट्रॉन इसे 1013 प्रति सेकंड की गति से पार करते हैं। इस उच्च संचरण दर का मतलब है कि आंदोलन पर्याप्त और निरंतर है।
धातु की नोक को सतह पर बहुत कम दूरी तक ले जाकर, परमाणु बादलों को ओवरलैप करके, एक परमाणु विनिमय किया जाता है। यह टिप और सतह के बीच बहने वाली विद्युत प्रवाह की एक छोटी मात्रा बनाता है। इसे मापा जा सकता है। इन चल रहे परिवर्तनों के माध्यम से, टनलिंग माइक्रोस्कोप सतह की संरचना और स्थलाकृति के बारे में जानकारी प्रदान करता है। इसके आधार पर, परमाणु पैमाने पर एक त्रि-आयामी मॉडल बनाया जाता है, जो नमूने की एक छवि देता है।
टनलिंग
जब टिप नमूने के करीब जाती है, तो उसके और सतह के बीच की दूरी जाली में आसन्न परमाणुओं के बीच के अंतर के बराबर कम हो जाती है। सुरंग इलेक्ट्रॉन या तो उनकी ओर या जांच की नोक पर परमाणु की ओर बढ़ सकता है। जांच में करंट नमूने की सतह पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को मापता है, और यह जानकारी चित्र पर प्रदर्शित होती है। सोने, प्लेटिनम, चांदी, निकल और तांबे जैसी सामग्रियों पर परमाणुओं की आवधिक सरणी स्पष्ट रूप से दिखाई देती है। खालीपनटिप से नमूने तक इलेक्ट्रॉनों की टनलिंग तब भी हो सकती है जब पर्यावरण एक निर्वात नहीं है, लेकिन गैस या तरल अणुओं से भरा हुआ है।
बैरियर की ऊंचाई का गठन
स्थानीय बाधा ऊंचाई स्पेक्ट्रोस्कोपी सूक्ष्म सतह कार्य समारोह के स्थानिक वितरण के बारे में जानकारी प्रदान करता है। छवि सुरंग धारा में लघुगणकीय परिवर्तन के बिंदु-दर-बिंदु माप द्वारा प्राप्त की जाती है, परिवर्तन को एक विभाजन अंतराल में ध्यान में रखते हुए। बैरियर की ऊंचाई को मापते समय, जांच और नमूने के बीच की दूरी को अतिरिक्त एसी वोल्टेज का उपयोग करके साइनसॉइड रूप से संशोधित किया जाता है। मॉड्यूलेशन अवधि को टनलिंग माइक्रोस्कोप में फीडबैक लूप समय स्थिरांक से बहुत कम चुना जाता है।
अर्थ
इस प्रकार के स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप ने नैनोटेक्नोलोजी के विकास को सक्षम किया है जो नैनोमीटर आकार की वस्तुओं (400 और 800 एनएम के बीच दृश्य प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से छोटी) में हेरफेर करना चाहिए। टनलिंग माइक्रोस्कोप शेल क्वांटम को मापकर क्वांटम यांत्रिकी को स्पष्ट रूप से दिखाता है। आज, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके अनाकार गैर-क्रिस्टलीय पदार्थ देखे जाते हैं।
सिलिकॉन उदाहरण
सिलिकॉन सतहों का किसी भी अन्य सामग्री की तुलना में अधिक व्यापक अध्ययन किया गया है। वे निर्वात में इस तरह के तापमान पर गर्म करके तैयार किए गए थे कि परमाणुओं का पुनर्निर्माण एक विकसित प्रक्रिया में किया गया था। पुनर्निर्माण का बहुत विस्तार से अध्ययन किया गया है। सतह पर बना एक जटिल पैटर्न, जिसे ताकायनगी 7 x 7 के नाम से जाना जाता है। परमाणुओं ने जोड़े बनाए,या डिमर जो अध्ययन के तहत सिलिकॉन के पूरे टुकड़े में फैली पंक्तियों में फिट होते हैं।
अनुसंधान
सुरंग सूक्ष्मदर्शी के संचालन सिद्धांत पर शोध से यह निष्कर्ष निकला कि यह आसपास के वातावरण में उसी तरह काम कर सकता है जैसे निर्वात में। यह हवा, पानी, इन्सुलेट तरल पदार्थ और इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में उपयोग किए जाने वाले आयनिक समाधानों में संचालित किया गया है। यह उच्च निर्वात उपकरणों की तुलना में कहीं अधिक सुविधाजनक है।
सुरंग सूक्ष्मदर्शी को शून्य से 269 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा किया जा सकता है और प्लस 700 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जा सकता है। अतिचालक पदार्थों के गुणों का अध्ययन करने के लिए कम तापमान का उपयोग किया जाता है, और उच्च तापमान का उपयोग धातुओं की सतह और उनके क्षरण के माध्यम से परमाणुओं के तेजी से प्रसार का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।
टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग मुख्य रूप से इमेजिंग के लिए किया जाता है, लेकिन कई अन्य उपयोग भी हैं जिनका पता लगाया गया है। जांच और नमूने के बीच एक मजबूत विद्युत क्षेत्र का उपयोग नमूने की सतह के साथ परमाणुओं को स्थानांतरित करने के लिए किया गया था। विभिन्न गैसों में टनलिंग माइक्रोस्कोप के प्रभाव का अध्ययन किया गया है। एक अध्ययन में, वोल्टेज चार वोल्ट था। टिप पर क्षेत्र काफी मजबूत था ताकि टिप से परमाणुओं को हटाया जा सके और उन्हें सब्सट्रेट पर रखा जा सके। इस प्रक्रिया का उपयोग सोने की जांच के साथ एक सब्सट्रेट पर कई सौ सोने के परमाणुओं के साथ छोटे सोने के द्वीप बनाने के लिए किया गया था। शोध के दौरान, एक हाइब्रिड टनलिंग माइक्रोस्कोप का आविष्कार किया गया था। मूल उपकरण को एक बाइपोटेंशियोस्टेट के साथ एकीकृत किया गया था।
