Sveptunnelmikroskop – princip, historia och användningar

STM kallas mikroskop eftersom det tar bilder av små objekt. Men det är annorlunda - det har ingenting som vi kan titta på med våra ögon. Det kan liknas vid att känna formen på föremål på ett bord i ett mörkt rum: du kan rita en bild av formen även om du inte har sett den med dina ögon. STM gör detta för mycket små föremål. Det fungerar genom att en vass metallnål sveps fram och tillbaka över en yta och använder elektrisk ström i stället för kraft för att känna formen. När spetsen på den vassa metallnålen förs mycket nära ytan på ett föremål som studeras, får en spänning mellan de två elektroner att strömma genom utrymmet mellan dem. Elektronerna korsar detta utrymme genom en process som kallas kvanttunnling, vilket ger STM sitt namn. Denna lilla ström av elektroner flyter när spetsen nästan rör vid ytan. Strömmen förändras när spetsen rör sig längs ytan. Denna förändring registreras av en dator som gör om den till en bild som vi kan se.

Ytan och spetsen måste leda elektroner, så de måste vara gjorda av en metall eller halvledare. En besläktad typ av mikroskop känner av kraften i stället för den elektriska strömmen. Denna typ av mikroskop kallas atomkraftmikroskop.

STM är en svår sak att göra, eftersom det krävs en mycket ren yta och en mycket vass nålspets. STM arbetar vanligtvis i vakuum för att luftmolekylerna inte ska störa ytan, men den kan också arbeta i luft eller vatten.

För det första förs spetsen mycket nära ytan på det som studeras. Avståndet är ungefär en halv nanometer. Sedan flyttas spetsen mycket försiktigt fram och tillbaka över ytan. Den elektriska strömmen mäts medan spetsen flyttas fram och tillbaka (metoden med konstant höjd). STM kan också fungera genom att justera spetsen så att tunnelströmmen förblir densamma (konstantströmsmetoden). Att använda metoden med konstant höjd är snabbare. Genom att använda konstantströmsmetoden undviker man att spetsen stöter in i saker på ytan, så att man kan studera saker som är grövre.

STM kan flytta en atom (eller en molekyl) till en ny plats på ytan. För att flytta en atom flyttas spetsen så att den rör vid atomen. Sedan drar eller trycker spetsen atomen till en ny plats. Genom att flytta atomer kan forskarna ordna dem till små objekt, så att de kan testa deras egenskaper och pröva nya idéer.

En STM består av följande delar: en skanningsspets, något som rör spetsen, något som hindrar den från att vibrera och en dator som styr spetsen och skapar bilden.

• Atomkraftmikroskop
• Mikroskop

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

• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber och E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber och E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
• G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber och 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, volym 15, nummer 9, sidorna 1135-1151, 2004.