Scanning tunneling microscopy | een manier om de vorm van kleine objecten te bekijken

De STM wordt een microscoop genoemd omdat hij foto's maakt van kleine objecten. Maar het is anders - het heeft niets om met onze ogen in te kijken. Het is vergelijkbaar met het voelen van de vorm van voorwerpen op een tafel in een donkere kamer: u kunt een tekening maken van de vorm, ook al hebt u die niet met uw ogen gezien. De STM doet dit voor zeer kleine objecten. Hij werkt door een scherpe metalen naald heen en weer te bewegen over een oppervlak, en gebruikt elektrische stroom in plaats van kracht om de vorm waar te nemen. Wanneer de punt van de scherpe metalen naald heel dicht bij het oppervlak van een te bestuderen voorwerp wordt gebracht, zorgt een spanning tussen beide ervoor dat er elektronen door de ruimte tussen beide stromen. De elektronen steken deze ruimte over via een proces dat quantumtunneling wordt genoemd en waaraan de STM zijn naam te danken heeft. Deze kleine elektronenstroom vloeit wanneer de punt het oppervlak bijna raakt. De stroom verandert als de sonde langs het oppervlak beweegt. Deze verandering wordt geregistreerd door een computer, die er een beeld van maakt dat wij kunnen zien.

Het oppervlak en de punt moeten elektronen geleiden, dus moeten ze gemaakt zijn van een metaal of halfgeleider. Een verwant soort microscoop neemt de kracht waar in plaats van de elektrische stroom. Dit soort microscoop wordt een atoomkrachtmicroscoop genoemd.

STM is moeilijk, want het vereist een zeer schoon oppervlak en een zeer scherpe naaldpunt. De STM werkt meestal in een vacuüm om te voorkomen dat de luchtmoleculen het oppervlak verstoren, maar hij kan ook in lucht of water werken.

Eerst wordt de punt zeer dicht bij het te bestuderen oppervlak gebracht. Deze afstand is ongeveer een halve nanometer. Vervolgens wordt de punt heel voorzichtig heen en weer bewogen over het oppervlak. De elektrische stroom wordt gemeten terwijl de punt heen en weer wordt bewogen (constante hoogte methode). De STM kan ook werken door de tip zo af te stellen dat de tunnelstroom gelijk blijft (constante stroommethode). De methode met constante hoogte is sneller. Met de constante-stroommethode wordt voorkomen dat de tip tegen dingen op het oppervlak botst, zodat hij dingen kan bestuderen die ruwer zijn.

De STM kan een atoom (of een molecuul) verplaatsen naar een nieuwe plaats op het oppervlak. Om een atoom te verplaatsen, wordt de punt verplaatst zodat deze het atoom raakt. Vervolgens trekt of duwt de punt het atoom naar een nieuwe plaats. Door atomen te verplaatsen kunnen wetenschappers ze ordenen tot kleine objecten, zodat ze hun eigenschappen kunnen testen en nieuwe ideeën kunnen uitproberen.

De onderdelen van een STM zijn: een scantip, iets dat de tip beweegt, iets dat het trillen tegenhoudt, en een computer die de tip bestuurt en het beeld maakt.

• Atoomkrachtmicroscoop
• Microscoop

• Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813.
• Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2), 1961, p. 57-59.
• Chen, C. J.: Origin of Atomic Resolution on Metal Surfaces in Scanning Tunneling Microscopy, Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451.

• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, en E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, en E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, en E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982).
• R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, Nanotechnology, volume 15, issue 9, pages 1135-1151, 2004.