scanning tunneling microscope (tsz. scanning tunneling microscopes)
Az STM-et Gerd Binnig és Heinrich Rohrer fejlesztette ki 1981-ben az IBM Zürich Kutatóközpontjában. Munkájukért 1986-ban Nobel-díjat kaptak. Ez a találmány áttörést jelentett az atomfelbontású képek készítésében, és megnyitotta az utat a nanoszintű kutatások előtt.
Az STM működése a kvantummechanika egyik különleges jelenségén, az alagúthatáson alapul. Klasszikus fizika szerint egy részecske nem tud áthaladni egy olyan potenciálgáton, amelynek az energiája nagyobb a részecske saját energiájánál. Kvantummechanikailag viszont van egy kis valószínűsége annak, hogy az elektron „átalagutazik” ezen a gáton – mintha „megbújna” a gát mögé anélkül, hogy átugrotta volna.
A pásztázó alagútmikroszkóp alapfelépítése egyszerű:
A tűt néhány angströmre (0.1 nm nagyságrend) közelítik a minta felületéhez. Ebben a távolságban elektronok képesek alagúthatással áthaladni a vákuumrésen a tű és a minta között. A keletkező alagútáram nagysága erősen függ a távolságtól – exponenciálisan csökken a növekvő távolsággal.
Kétféle leképezési mód használatos:
Az STM atomfelbontású képet képes készíteni. Nemcsak a topográfiát (domborzatot) mutatja meg, hanem elektronsűrűség alapján képez, ezért elektronszerkezetet is feltárhat. Ezáltal különbséget lehet tenni az eltérő atomi elemek, hibák vagy adalékok között a felületen.
Az STM-mel készült képek látványosan megjelenítik az atomok pozícióját. Például a grafit (grafén) hatszöges rácsszerkezete tisztán kivehető. Ugyanígy megfigyelhetők atomos szintű hibák, mint pl. diszlokációk vagy vakanciák.
A megfelelő STM leképezéshez elengedhetetlen a tisztított, sima, vezető felületű minta. Gyakran ultra-nagy vákuum (UHV) környezetet használnak, hogy elkerüljék a szennyeződést, és atomosan tiszta felületet biztosítsanak. A minta és a tű is vezető kell legyen, mivel áramnak kell folynia közöttük.
Az STM nemcsak megfigyelésre, de manipulációra is alkalmas. A tűvel egyes atomokat képesek „arrébb tolni” vagy mozgatni, ezzel egyedi szerkezeteket lehet építeni. Híres példa az IBM által létrehozott „atomokból kirakott IBM-logó”, amely xenonatomokat tartalmaz nikkel felületen.
Az STM volt az első pásztázó szondás mikroszkóp, de azóta számos más típust fejlesztettek ki, például:
Az STM azonban a legjobb felbontást biztosítja vezető felületek esetén.
A Scanning Tunneling Microscope forradalmasította az anyagkutatást azzal, hogy először nyújtott közvetlen betekintést az atomi világba. Az STM az egyik első eszköz, amellyel „látni és manipulálni is lehet az atomokat”. Ez az áttörés elvezetett a nanotudomány és nanotechnológia fejlődéséhez, és máig aktív kutatási és ipari eszköz.