Με ποιό τρόπο λειτουργεί ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας;

Συχνές ερωτήσεις, Ιανουάριος 2002

Η εφεύρεση του συμβατικού μικροσκοπίου αντιπροσώπευσε ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για την επιστήμη, ιδιαίτερα στη βιολογία και την ιατρική. Δεδομένου ότι ολοένα και καλύτερα μικροσκόπια φτιάχθηκαν, ανακαλύφθηκε ότι υπάρχει ένα όριο που δεν μπορεί να ξεπεραστεί. Αυτό συνδέεται με τα χαρακτηριστικά των κυμάτων του φωτός. Χρησιμοποιώντας τα φωτεινά κύματα, είναι αδύνατο να διακριθούν εκείνες οι λεπτομέρειες που είναι μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός. Ο όρος "ανάλυση" αναφέρεται στην απόσταση μεταξύ δύο λεπτομερειών μιας εικόνας που μπορεί, με ακρίβεια, να διακριθεί. Για ένα συμβατικό μικροσκόπιο που χρησιμοποιεί το ορατό φως, η ανάλυση είναι περίπου 4.000 A (1 A, angstrom = l0^-8cm).

Αργότερα, στη δεκαετία του '20, ένας νέος τότε φοιτητής,   ο Ernst Ruska, στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου, διαπίστωσε ότι ένα μαγνητικό πηνίο θα μπορούσε να ενεργήσει ως φακός για τα ηλεκτρόνια, και ότι ένας τέτοιος φακός ηλεκτρονίων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να λάβει μια εικόνα ενός αντικειμένου που ακτινοβολήθηκε με ηλεκτρόνια. Με τον συνδυασμό δύο ηλεκτρονικών φακών, παρήγαγε ένα πρωτόγονο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Πολύ γρήγορα βελτίωσε τις διάφορες λεπτομέρειες και το 1933 ήταν σε θέση να φτιάξει το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο με μια απόδοση σαφώς ανώτερη από αυτήν του συμβατικού μικροσκοπίου του ορατού φωτός.

Εκ των υστέρων βρέθηκε πως η διακριτική ικανότητα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, μεταβάλλεται με την αύξηση της   ταχύτητας των ηλεκτρονίων. Έτσι μπόρεσαν να διεισδύσουν μέσα στο άτομο.

Ο Ruska συνέβαλε στη συνέχεια ενεργά στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών μικροσκοπίων σε μαζικές ποσότητες, που βρήκαν γρήγορα εφαρμογές σε πολλούς τομείς της επιστήμης. Η σημασία του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σε διαφορετικά πεδία της επιστήμης όπως η βιολογία και η ιατρική έχει καθιερωθεί πλήρως: είναι μια από τις σημαντικότερες εφευρέσεις αυτού του εικοστού αιώνα.

Το 1981, σχετικά πρόσφατα δηλαδή, οι Gerd Binnig και Heinrich Rohrer ανακάλυψαν στα εργαστήρια της IBM της Ζυρίχης, ένα νέο μικροσκόπιο που ονομάζεται Μικροσκόπιο Σάρωσης μέσω του φαινομένου Σήραγγας". Με αυτό μπορούμε να επιτύχουμε μεγέθυνση πάνω από 100 εκατομμύρια φορές.

Και οι δύο τελευταίοι Gerd Binnig και Heinrich Rohrer αλλά και ο Ernst Ruska, μοιράστηκαν το βραβείο Nobel στη Φυσική το 1986.

Το μικροσκόπιο σάρωσης μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγας, βασίζεται απολύτως στο κβαντικό φαινόμενο σήραγγας. Αν δύο άτομα, πχ υδρογόνου, βρεθούν κοντά το ένα με το άλλο, τότε είναι πιθανόν το ένα ηλεκτρόνιο του Α να βρεθεί σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής, στο άλλο άτομο Β. Δηλαδή να ξεπεράσει το ενεργειακό φράγμα που τα χωρίζει τα άτομα και να "ανοίξει μια σήραγγα" για να βρεθεί στο άλλο άτομο. Στο όργανο αυτό, υπάρχει μια ακίδα από βολφράμιο, που βρίσκεται εξαιρετικά κοντά στο δείγμα, για να μπορούν τα ηλεκτρόνια να "ρέουν" από την ακίδα προς το δείγμα αλλά και αντίστροφα.

(αριστερά) Εικόνα 7nm X 7nm, μιας απλής αλυσίδας ατόμων Cs (με κόκκινο χρώμα) πάνω σε επιφάνεια GaAs (σε μπλε).
(Δεξιά) Εικόνα 35nm X 35 nm, ακαθαρσίες Cr (μικρά εξογκώματα) πάνω σε επιφάνεια Fe.

Όταν η ακίδα, με υψηλό θετικό δυναμικό, βρεθεί δηλαδή πάνω από το υλικό που εξετάζεται, τότε το ενεργειακό φράγμα που χωρίζει τα ηλεκτρόνια του υλικού από την ακίδα γίνεται κβαντομηχανικά διαβατό και κάνει την εμφάνισή του ένα ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα. Αντίθετα, όταν η ακίδα βρίσκεται πάνω από μια εσοχή της επιφάνειας, το ενεργειακό φράγμα γίνεται απαγορευτικά μεγάλο και το ηλεκτρικό ρεύμα μειώνεται δραστικά ή σταματάει τελείως. 'Ετσι οι διακυμάνσεις αυτού του ρεύματος "ψυχρής εκπομπής" καταγράφουν με εκπληκτική ακρίβεια τις ανωμαλίες της παρατηρούμενης επιφάνειας.

Με πολύ υψηλής ποιότητας ακίδα είναι δυνατό να δούμε όχι πλέον τις κοινές ανωμαλίες μιας επιφάνειας αλλά τις "ανωμαλίες" που προέρχονται από την ίδια την ατομική υφή της. Μπορούμε να δούμε τα άτομα τα ίδια!

Βλέπουμε δηλαδή, πως το όργανο αυτό, δεν είναι ένα αληθινό μικροσκόπιο (δηλ. ένα όργανο που δίνει μια άμεση εικόνα ενός αντικειμένου) δεδομένου ότι είναι βασισμένο στην αρχή ότι η δομή μιας επιφάνειας μπορεί να μελετηθεί, χρησιμοποιώντας μια ακίδα που ανιχνεύει την επιφάνεια σε μια σταθερή απόσταση από αυτή.

Η κάθετη ρύθμιση της ακίδας (η απόστασή της από το δείγμα), ελέγχεται με τη βοήθεια του κβαντικού φαινομένου που αναφέραμε πριν, του φαινομένου της σήραγγας - έτσι βγήκε και η ονομασία αυτού του οργάνου.

Ένα ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ της άκρης της ακίδας και της επιφάνειας αναγκάζει ένα ηλεκτρικό ρεύμα να ρεύσει μεταξύ τους παρά το γεγονός ότι δεν βρίσκονται σε επαφή. Η ένταση του ρεύματος εξαρτάται έντονα από την απόσταση τους, και αυτό καθιστά δυνατό, να διατηρηθεί η απόσταση ανάμεσα στην ακίδα και το δείγμα σταθερή, περίπου 10 ^-7 εκατ. (δηλ. περίπου δύο ατομικές διαμέτρους).

Η ακίδα είναι επίσης εξαιρετικά αιχμηρή, η άκρη της σχηματίζεται από ένα και μοναδικό άτομο. Αυτό της επιτρέπει, να ακολουθήσει ακόμη και τις μικρότερες λεπτομέρειες της επιφάνειας που ανιχνεύει. Καταγράφοντας την κάθετη μετακίνηση της ακίδας, το καθιστά δυνατό να μελετηθεί η δομή της επιφάνειας άτομο με άτομο.

Όσο για τον έλεγχο της οριζόντιας μετακίνησης της ακίδας, σε δύο ξεχωριστές κάθετες κατευθύνσεις, χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικά στοιχεία. Αυτό γίνεται για να ανιχνεύεται η επιφάνεια σε δύο παράλληλες γραμμές, σαν να σαρώνεται ταυτόχρονα. Γι' αυτό και το όνομα του οργάνου περιέχει τη λέξη σάρωση. 

Η ακρίβεια της εικόνας είναι ιδιαίτερα μεγάλη, αν σκεφθούμε ότι η ακίδα αποτελείται από 1 έως 2 άτομα. Η οριζόντια ανάλυση είναι περίπου 2 A και η κάθετη ανάλυση περίπου 0.1 8 A. Αυτό το καθιστά δυνατό, να απεικονίζει μεμονωμένα άτομα, δηλαδή να έχουμε τη μέγιστη δυνατή λεπτομέρεια στην ατομική δομή της επιφάνειας του υλικού που εξετάζεται.

Οι πρώτοι ερευνητές πέτυχαν με εξαιρετική ακρίβεια την οικοδόμηση ενός τέτοιου μικροσκοπίου ανίχνευσης. Ένα παράδειγμα αυτής της μηχανικής ακρίβειας, είναι το γεγονός ότι οι ενοχλητικές δονήσεις από το περιβάλλον αποβλήθηκαν με την οικοδόμηση του μικροσκοπίου επάνω σε έναν βαρύ μόνιμο μαγνήτη που επιπλέει ελεύθερα σε ένα πιάτο υπεραγωγικού μολύβδου.

Είναι εμφανές ότι αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές στη φυσική και τη μικροηλεκτρονική ημιαγωγών. Στη χημεία, επίσης, για τη μελέτη των αντιδράσεων επιφάνειας και το ρόλο της κατάλυσης. Είναι επίσης δυνατό να σταθεροποιηθούν τα οργανικά μόρια σε μια επιφάνεια και να μελετηθούν οι δομές τους. Μεταξύ άλλων εφαρμογών, αυτή η τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί στη μελέτη των μορίων DNA.

Σχετικές αναφορές:
1. Η ανακοίνωση του βραβείου Nobel Φυσικής του 1986 και
2. Το φαινόμενο σήραγγος (Εκπαιδευτική Εγκυκλοπαίδεια, Στ.Τραχανάς)
3.Το κβαντικό Σύμπαν (Tony Hey & Patrick Walters)