Квантовые методы исследования нанообъектов

Действие электронного микроскопа основано на просвечивании объектов пучком электронов. Схема прибора приведена на рисунке

Электронный просвечивающий микроскоп.

1 – источник электронов; 2 - электронная пушка; 3 – электронный пучок; 4 – образец;

5 – нанопозиционер (x, y, z); 6 – электронные линзы (электростатические и магнитные);

7 – люминесцирующий экран; 8 – фото-ПЗС; 9 – электронный блок.

Туннельные явления используют волновые свойства электронов, чем проявляют родство с оптическими волновыми явлениями.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет получать изображения поверхности на атомном уровне за счет эффекта туннелирования заряда между зондом и поверхностным слоем проводящих материалов. Благодаря этому СТМ является исключительно полезным инструментом для изучения объектов на атомном уровне.

Формирование зонда СТМ.

Рассмотрим принципы туннельной микроскопии и спектроскопии.

Если имеется ступенчатый потенциальный барьер, высота которого больше энергии частицы (Е₀>W), то с классической точки зрения частица будет отражаться от этого барьера.

Проникновение частицы через потенциальный барьер.

В то же время, волна частично проходит через указанную границу, при этом её амплитуда затухает экспоненциально по закону Бугера:

Квантовая частица описывается волновой функцией

Отрицательное значение энергии частицы под барьером W<0, означает, что квазиимпульс частицы – мнимое число. Волновая функция под барьером:

Видно, что вероятность проникновения экспоненциально убывает при увеличении толщины барьера х, туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния:

,

где q – показатель ослабления, определяемый формой барьера и свойствами туннелирующих частиц:

В методах сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) в роли потенциального барьера выступает зазор между остриём зонда и проводящей поверхностью. Поскольку поток электронов экспоненциально зависит от толщины барьера, удаётся с высокой точностью определять профиль поверхности по величине тока. При этом достигается разрешение уровня атомных размеров. Функциональная схема СТМ показана на рис

Рис. Функциональная схема СТМ.

1 – исследуемый объект; 2 – игла зонда; 3 – проводящий зонд; 4 – пьезо - манипулятор; 5 – контур обратной связи; 6 – схема обработки сигнала; 7 – устройство сканирования.

Метод туннельной микроскопии актуален в связи с развитием нанотехнологий. Исследования, проводимые в последнее время, показали возможность не только исследовать объект, но и внедрять атомы посредством переноса их зондом СТМ. Это открывает широкие возможности для развития новых направлений техники, например, квантовой микроэлектроники и фундаментальной медицины.

Задачи к теме 5

Задача 28 (41.1). Для кристалла турмалина обнаруживается дихроизм; при длине волны 0,5 мкм: α _║ = 10³м^-1, α _┴ = 10⁴ м^-1 . Найти степень поляризации излучения, прошедшего через пластинку турмалина толщиной в 100 мкм.

Задача 29 (41.2). Для кристалла турмалина обнаруживается дихроизм; при длине волны 0,5 мкм: α _║ = 10³м^-1, α _┴ = 10⁴ м^-1 . Найти толщину пластинки ℓ_х, которая обеспечивала степень поляризации излучения Р ≥ 0,99.

Задача 30 (40). Определить содержание оптически активного вещества в растворе, если обнаружено изменение направления поляризации на π∕72 при прохождении излучения расстояния ℓ=25 см в веществе. Удельное вращение вещества α₀ =5∙10² [град∙л/кг].

Дата добавления: 2017-02-01