Nu kan vi se atomstrukturer
av Christer Ekebom Forum 1986-18, sida 16, 20.11.1986
En kiselplattas yta “fotograferad” med ett sveptunnelmikroskop. Bilderna visar ytatomerna och deras bindningar på olika djup under ytan. Bilden längst till höger visar bindningarna mellan atomerna på ett djup av ca 9 Å. — Nedre bilden: Ytstruktur hos kisel i 30 miljoner gångers förstoring. Ytan som är innesluten i romben utgör en “cell” som mångfaldigad bildar kiselytan.
Nu kan vi se atomstrukture Årets Nobelpris i fysik delades ov tre forskar som gjort banbrytande insatser I utvecklingen ov mikroskopet. Två av pristagarna, Gerda Binning och Heinrich Rohrer, belönades för ott ha uppfunnit sveptunnelmikroskopet. Den tredje pristagaren hette Ernst Ruska.
ha uppfunnit sveptunnelmikrosko pet, är anställda vid IBMs forskningslaboratorium i Zörich. År 1981 offentliggjorde de en ny mikroskoperingsteknik som öppnar helt nya möjligheter att studera olika material. Uppfinningen, sveptunnelmikroskopet, (Scanning Tunneling Microscope) bygger på ett elektriskt fenomen som kallas tunneleffekt.
D e två forskare som belönades för att
Tunneleffekten
Tunneleffekten uppstår mellan två ytor som ligger mycket nära varandra. Elektronerna i olika material rör sig i allmänhet också en aning utanför själva materialet och då två material placeras i omedelbar närhet av varandra, sker ett utbyte av elektroner mellan ytorna och därmed alstras en ström genom materialen.
18
Den spänning som uppstår mellan de båda ytorna är direkt proportionell mot avståndet mellan ytorna och den är mycket känslig för variationer i avståndet. Detta fenomen kan utnyttjas för att studera ytstrukturen hos olika material. Avsökningsytan behöver inte vara en plan yta, utan kan mycket väl vara en mycket spetsig topp, en nålspets. Samma fenomen uppstår oberoende av ytans form. Men om avsökningsytan består av en nålspets, uppstår tunneleffekten bara mellan själva spetsen och den undersökta ytan. Genom att förflytta spetsen längs ytan kan man därmed mäta ojämnheter i ytan eftersom de omedelbart syns som spänningsvariationer. Hur noggranna dessa mätningar blir, beror på hur spetsig nålspetsen är.
I sveptunnelmikroskopet används en prob med en nålspets som i princip slutar en enda atom. Därmed kan man också studera ytstrukturer som inte är större än en atom!
Påminner om en grammofon
Sveptunnelmikroskopets funktion påminner mycket om en helt normal skivspelare, där nålen avkänner spåret i skivan. Den väsentliga skillnaden är att mikroskopets nål inte kommer i mekanisk kontakt med cen underliggande ytan.
Sveptunnelmikroskopets nål manövreras piezoeletriskt och styrs av en dator, Rörelsen längs med ytan sker enligt ett förutbestämt mönster medan nålens avstånd från ytan regleras så att avståndet och därmed spänningen hela tiden hålls konstant. I och med detta följer nålen exakt ytans struktur och på basen av styrningsrörelserna kan man rita upp en profil av ytan. Informationen databehandlas därefter och slutresultatet blir en analog bild av ytan. Bilden kan vara en streckbild, som ger tredimensionell information i ett koordinatsystem, men den kan också skapas som ett fotografi av ytan, antingen i gråskala där svärtningsgraden korresponderar med djupet, eller i färg, där olika färgnyanser anger variationer i djupled.
Det gäller att kompensera för eventuella oregelbundenheter i ytans ledningsförmåga, för de kan ge upphov till liknande information som strukturvariationerna.
Atomstrukturer kan undersökas
Med sveptunnelmikroskopets hjälp har man för första gången lyckats avbilda bindningar mellan enskilda atomer. Man har till och med kunnat tränga ner under själva ytan, dvs till de atomskikt som ligger under ytan.
Sveptunnelmikroskopet har en upplösningsförmåga som kan mätas i Ångströmenheter (1 Å = 0,000 000 1 mm), dvs en atom kan avbildas,
Sveptunnelmikroskopet har flera mycket väsentliga fördelar framom elektronmikroskopet. Då ett preparat ska undersökas i ett elektronmikroskop, måste det först behandlas så att det kan reflektera elektronströmmar. Dessutom placeras preparatet i vakuum. Sveptunnelmikroskopet kan undersöka ett prov i normal luft och vid helt normala temperaturer. Dessutom behöver provet inte behandlas på något speciellt sätt, vilket öppnar helt nya möjligheter att bland annat undersöka levande materia. Provet skadas inte ens av den låga spänning som uppstår mellan avkänningsnålen och provets yta. Eftersom mikroskopet egentligen är oberoende av omgivningstemperaturen, kan man med dess hjälp också undersöka materialegenskaper vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Undersökning av supraledande material blir därmed ett intressant arbetsområde. Elektronikindustrin är en annan bransch som kommer att finna stor användning för mikroskopet.
Christer Ekebom 18/1986 FORUN,