Атом фото под микроскопом: Настоящее фото атома

Основные части сканирующего туннельного микроскопа:

• Острый металлический наконечник
  поднесенный близко к образцу (проводнику)
• Контроль сканирования, расстояние
  контроль —
  Контролирует расстояние между наконечником и поверхностью образца и регулирует сканирование
• Компьютер для данных
  обработка и отображение — Выход, через который передается информация. Компьютер также
  управляет пьезоэлектрической трубкой.
• А с пьезоэлектрическим управлением
  зонд — Во время
  при работе пьезоэлектрик будет сжиматься и расширяться при изменении напряжения,
  который, в свою очередь, контролирует как горизонтальное, так и вертикальное положение сканирования
  совет.

Сканирующее туннелирование является одним из методов
который был разработан в начале 1980-е годы в Швейцарии, Герд Бинниг и Генрих
Рорер.

По сути, этот метод работает, пропуская электронную волну через
поверхность образца (элемента). Проходя волну электронов по
поверхность образца, становится возможным позиционировать и, таким образом, обнаруживать
атом.

Принцип работы

Сканирующий туннельный микроскоп имеет
маленький острый/заостренный металлический наконечник, поднесенный очень близко к поверхности
образец. Здесь расстояние между заостренным металлическим наконечником и образцом очень велико.
близко, что они почти соприкасаются (около 1 нм).

Наконечник очень близко
поверхности образца, обе находятся под небольшим напряжением, что позволяет
туннельный ток течь. Когда ток течет между ними, поверхность
сканируется, чтобы показать трехмерное изображение поверхности, и, таким образом,
общий вид атомов на поверхности образца.

С помощью этого метода электроны также могут течь
только от кончика заостренного металла к образцу или от образца к
совет. Поскольку ток исходит от металлического наконечника, сканер перемещает его (т.
кончик) быстро по поверхности образца.

Как только металлический наконечник обнаружит
атом на поверхности образца, электроны текут между двумя изменениями, в то время как
компьютер регистрирует изменение. Это изменение записывается в позиции x-y,
по мере того, как наконечник продолжает двигаться и идентифицировать больше точек расположения атомов, которые
затем регистрируются.

Эти точки на поверхности обозначают наличие
атомы, которые затем можно сканировать и просматривать. Это, в свою очередь, дает возможность
выявить их структуру.

Электронное туннелирование

Что такое электронное туннелирование?

Согласно квантовой физике электроны не должны
способны проходить через заданные барьеры (например, воздух). Однако, когда они в состоянии
чтобы пройти через такие барьеры, электроны производят то, что называется
Туннельный ток. Это позволяет наблюдать различные материалы на
атомный уровень/масштаб.

Путем подведения металлического наконечника сканирующего туннеля
микроскоп очень близко к поверхности материала образца (проводник),
между наконечником и поверхностью материала остается небольшой зазор.
Однако электроны могут туннелировать через зазор, создавая электрический разряд.
ток, который можно обнаружить и измерить.

Когда металлический наконечник проходит через
поверхность материала образца, производимый ток будет варьироваться в зависимости от
пики и впадины поверхности (профиль поверхности), что позволяет
отдельные атомы, которые необходимо локализовать.

* В отличие от светового микроскопа, сканирующий
Туннельный микроскоп использует электроны для обнаружения и позиционирования атомов

* Вместо того, чтобы вести себя как частицы, электроны в
эта техника ведет себя как волна, что позволяет им проходить через
барьер

Режимы работы

Со сканирующим туннельным микроскопом
два основных режима работы, используемые при исследовании поверхности образца
материал. Это включает в себя режим постоянного тока и режим постоянной высоты.

Режим постоянного тока

Как
уже упоминалось, количество тока между металлическим острым наконечником и
поверхность образца изменяется в зависимости от профиля поверхности (пики и глубины), если
расстояние между наконечником и поверхностью больше, чем меньше
Текущий. Однако небольшое расстояние между ними приведет к большему/высокому
Текущий.

В режиме постоянного тока уровень тока сохраняется на постоянном уровне
перемещая наконечник вверх и вниз по поверхности образца,
сохраняют ту же высоту. Учитывая, что контуры поперек поверхности образца
изменение, регулировка наконечника путем перемещения вверх и вниз позволяет току
быть постоянным.

С помощью этого метода атомы могут быть обнаружены и позиционированы с помощью
запись регулировки металлического наконечника (по мере его вертикального перемещения вверх и
вниз).

Режим постоянной высоты

Для
этот режим работы, высота острия не меняется при его перемещении
по всей поверхности образца. В результате меняются только текущие
в зависимости от контуров поверхности образца.

Для этого метода атомы
расположен и позиционирован по записи изменяющегося тока.

Атомно-силовая микроскопия также относится к
сканирующий зондовый микроскоп, который работает, регистрируя такие свойства, как высота,
магнетизм и трение.

При измерении этих свойств с помощью зонда становится
возможность получить изображение заданного участка поверхности. Эта техника была разработана
с целью улучшения ограничений сканирующего туннельного микроскопа
учитывая, что атомно-силовой микроскоп способен изучать такие непроводящие
материалы как белки (сканирующий туннельный микроскоп используется только для
исследовать токопроводящий материал).

Основные части АСМ

• Острый наконечник (зонд) —
  зонд с острым наконечником или АСМ (атомно-силовой микроскоп) перемещается по поверхности
  образец для сканирования
• Оптический рычаг — Оптический
  Рычаг позволяет производить измерения путем измерения отклонений
  кантилевер
• Пьезоэлектрический сканер —
  Эта часть служит для перемещения острого наконечника по поверхности образца

• Консоль — это
  мягкая балка, на которой крепится наконечник

Рабочий механизм

Зонд атомно-силового микроскопа (выполнен через
микроизготовление) очень чувствительна и является той частью, которая соприкасается с
образец.

Когда наконечник перемещается по поверхности образца, он определяет его контуры. Таким образом, он не полагается на электроны или свет для просмотра.
поверхность образца. Было показано, что это одна из самых сильных сторон
этот метод, обеспечивающий более высокое разрешение и эффективность.

Когда наконечник АСМ приближается к поверхности образца,
сила притяжения между поверхностью образца и иглой приводит к
кантилевер изгибается к поверхности образца. Однако, как приходит чаевые
ближе к образцу отклонение возникает из-за сил отталкивания
заставляя кантилевер отклоняться от поверхности образца (поэтому
кантилевер должен быть очень мягким и гибким).

В то время как z-сканер перемещает
кантилевером вверх и вниз, xy-сканер перемещает образец вперед и назад. Эти
движения позволяют сканировать всю площадь поверхности образца. Таким образом, установленный детектор/датчик положения (оптический рычаг) фиксирует
изгиб кантилевера.

Датчик положения регистрирует изменения луча, которые
отражаются от вершины кантилевера. При движении кантилевера возникают
также изменения в лучах, которые все записываются. При всех этих изменениях
регистрируется топография поверхности образца для получения точной
представление.

* Лазерный диод излучает лазерный луч, который
отражается от плоской задней части кантилевера и попадает на фотодетектор.
(детектор положения) Когда острый наконечник перемещается по поверхности, он вызывает
кантилевера двигаться, что, в свою очередь, вызывает изменения в отклоненной балке. Это
затем определяется как различная интенсивность света.

Движение наконечника АСМ обычно
управляется сканером, который состоит из пьезоэлектрического материала и, следовательно, пьезоэлектрический
сканер — Этот тип материала (пьезоэлектрический материал) в значительной степени предпочтителен
как для АСМ, так и для СТМ из-за того, что они перемещают иглу очень точно.
способом по осям x, y, z.

Для таких малых перемещений, как перемещение наконечника
по всей поверхности образца этот материал обеспечивает очень хорошую воспроизводимость.

Режимы работы

Контактный режим

В контактном режиме или контактном АСМ датчик/наконечник
соприкасается с поверхностью образца и слегка протаскивается по
контуры поверхности. По мере того, как зонд движется по поверхности, находясь в
контакта, вызывает прогиб кантилевера, что, в свою очередь, позволяет
поверхность, подлежащая сканированию с помощью лазерных лучей.

Хотя этот метод был показан
имеют преимущество в том, что они просты в использовании из-за простой настройки, они
несколько недостатков, включая повреждение поверхности образца, а также
сам зонд. В частности, «перетаскивание» наконечника по
поверхность вызывает выемки, что, в свою очередь, может повлиять на качество
финальное изображение.

Здесь стоит отметить, что в некоторых случаях
поверхность образца намеренно поцарапана. Например, некоторые исследователи будут
поцарапать поверхность образца, используя контактный режим, чтобы нанести другие
образцы в области царапин. Особенно это касается некоторых форм
гальваники. Этот метод также используется для измерения трения на наноуровне. Это в основном включает в себя царапание поверхности
перетаскивание кончика кантилевера по поверхности образца.

Бесконтактный режим

Также
известная как динамическая силовая микроскопия (DFM) бесконтактная атомно-силовая микроскопия
включает в себя проведение зонда очень близко к поверхности образца без реального
перетащив его на поверхность образца.

Здесь кантилевер колеблется чуть выше
поверхность во время сканирования. Точная высокоскоростная петля гарантирует, что
кантилевером, и, таким образом, игла не разбивается о поверхность образца.
Когда острие находится близко к поверхности, возникающие силы Ван-дер-Вааль уменьшают резонансную частоту кантилевера, что вместе с
петля обратной связи обеспечивает поддержание постоянного колебания.

В качестве подсказки
колеблется и перемещается по поверхности образца, сканирование позволяет
Трехмерное изображение поверхности, которую необходимо построить.

Этот метод имеет большое преимущество в том, что
острота острия сохраняется, а образец остается неповрежденным. Данный
что наконечник защищен от повреждений, его можно использовать снова и снова, пока
обеспечение качественных изображений поверхности образца.

Режим постукивания

режим постукивания предполагает, что кончик кантилевера касается поверхности образца.
только на короткий период времени. Этот метод помогает предотвратить проблемы
связанный с боковой силой и волочением, которое происходит по поверхности
образец.

Наконечник кантилевера колеблется с большей амплитудой (20-100 нм),
что, в свою очередь, делает сигнал отклонения достаточно большим для схемы управления.
Этот метод в основном используется для сканирования поверхности поврежденных образцов, где это необходимо.
уменьшает высокое разрешение.

Структура

Атомы состоят из ядра (содержащего
протоны и нейтроны) и электроны, окружающие ядро. Тогда как протоны
имеют заряд +1, электроны имеют заряд -1. Для всех атомов атомный номер
это количество протонов, а расположение электронов дает
электронное строение атома.

* В отличие от других элементов водород не имеет
любые нейтроны

Возвращение из Атома под микроскопом в MicroscopeMaster Home

сообщить об этом объявлении

Ссылки

Венпей Гао, Шанкар Сиварамакришнан, Цзянго
Вэнь, Цзянь-Мин Цзо (2015) Прямое наблюдение межфазных атомов золота с использованием STEM
Разделение по глубине.

ИФМ – Кафедра физики, химии и
Биология. Сканирующая туннельная микроскопия.

https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3010

https://www.nanoscience.com/files/9013/7961/8081/STM_TeachersManual.pdf

Узнайте, как размещать рекламу на MicroscopeMaster!

С помощью электронных микроскопов можно получить изображения отдельных атомов — ScienceDaily

Новости науки

от исследовательских организаций

2

С помощью электронных микроскопов можно получить изображения отдельных атомов

Дата:

18 июля 2016 г.

Источник:

Венский технологический университет

Итого:

Ученые рассчитали, как можно заглянуть внутрь атома, чтобы увидеть отдельные электронные орбитали.

Поделиться:

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Электронный микроскоп не может просто сделать снимок, как камера мобильного телефона. Способность электронного микроскопа отображать структуру — и насколько успешным будет это изображение — зависит от того, насколько хорошо вы понимаете структуру. Часто необходимы сложные физические расчеты, чтобы в полной мере использовать потенциал электронной микроскопии. Международная исследовательская группа под руководством профессора TU Wien Питера Шаттшнайдера приступила к анализу возможностей, предлагаемых EFTEM, то есть просвечивающей электронной микроскопией с фильтрацией энергии. Команда численно продемонстрировала, что при определенных условиях можно получить четкие изображения орбиталей каждого отдельного электрона внутри атома. Таким образом, с помощью электронной микроскопии можно проникнуть на субатомный уровень — эксперименты в этой области уже запланированы. Исследование опубликовано в журнале Physics Journal 9.0396 Письма о физическом обзоре .

В поисках орбитали электрона

Мы часто представляем себе атомные электроны как маленькие сферы, вращающиеся вокруг ядра атома, как крошечные планеты вокруг солнца. Однако этот образ практически не отражается в реальности. Законы квантовой физики гласят, что положение электрона не может быть четко определено в любой момент времени. Электрон эффективно размазывается по области, близкой к ядру. Область, в которой может находиться электрон, называется орбиталью. Хотя форму этих орбиталей можно было рассчитать уже давно, попытки их изображения с помощью электронных микроскопов до сих пор не увенчались успехом.

«Мы подсчитали, как у нас может быть шанс визуализировать орбитали с помощью электронного микроскопа», — говорит Стефан Лёффлер из Университетского сервисного центра просвечивающей электронной микроскопии (USTEM) Технического университета Вены. «Графен, состоящий всего из одного слоя атомов углерода, является отличным кандидатом для этой задачи. Электронный луч может легко проходить через графен практически без упругого рассеяния. Изображение структуры графена можно создать с помощью эти электроны».

Исследователям уже давно известен принцип «просвечивающей электронной микроскопии с фильтрацией энергии» (EFTEM). EFTEM можно использовать для создания довольно специфических визуализаций определенных видов атомов, блокируя другие. По этой причине сегодня его часто используют для анализа химического состава микроскопических образцов. «Электроны, проходящие через образец, могут возбуждать атомы образца», — объясняет Штефан Лёффлер. «Это требует энергии, поэтому, когда электроны выходят из образца, они медленнее, чем когда они вошли в него. Это изменение скорости и энергии характерно для определенных возбуждений электронных орбиталей в образце».

После того, как электроны прошли через образец, магнитное поле сортирует электроны по энергии. «Фильтр используется для блокировки электронов, которые не представляют интереса: записанное изображение содержит только те электроны, которые несут нужную информацию».

Дефекты могут быть полезны

Команда использовала моделирование, чтобы выяснить, как этот метод может помочь достичь поворотного момента в изучении электронных орбиталей. При этом они обнаружили кое-что, что действительно облегчило визуализацию отдельных орбиталей: «Симметрия графена должна быть нарушена», — говорит Стефан. «Если, например, в структуре графена есть дыра, атомы рядом с этой дырой имеют немного другую электронную структуру, что позволяет изобразить орбитали этих атомов. То же самое может произойти, если атом азота, а не атом углерода находится где-то в графене.При этом важно сосредоточиться на электронах, найденных в узком и точном энергетическом окне, минимизировать определенные аберрации электромагнитной линзы и, что не менее важно, использовать первоклассный электрон микроскоп». Однако все эти проблемы можно преодолеть, как показывают расчеты исследовательской группы.

Университет имени Гумбольдта в Берлине, Университет Ульма и Университет Макмастера в Канаде также работали вместе с Венским техническим университетом над исследованием в рамках совместного проекта FWF-DFG («К орбитальному картографированию», I543-N20) и FWF Erwin- Проект Шредингера («EELS на интерфейсах», J3732-N27). В настоящее время Ульм разрабатывает новый высокопроизводительный просвечивающий электронный микроскоп, который будет использоваться для практической реализации этих идей в ближайшем будущем. Первые результаты уже превзошли ожидания.

изменить ситуацию: спонсируемая возможность

Источник истории:

Материалы предоставлены Венским технологическим университетом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Номер журнала :

1. Лоренцо Пардини, Стефан Лёффлер, Джулио Биддау, Ральф Хамбах, Уте Кайзер, Клаудия Драксль, Петер Шаттшнайдер. Картирование атомных орбиталей с помощью просвечивающего электронного микроскопа: изображения дефектного графена, предсказанные на основе теории первых принципов . Письма о физическом обзоре , 2016 г.; 117 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.036801

Процитировать эту страницу :

• MLA
• АПА
• Чикаго

Венский технологический университет.