本文中原子とは何ですか? 、非常に高度な超軽量顕微鏡を使用しない限り、個々の原子や分子を視覚化することは不可能であることが示されました。しかし、1981 年にスイスの科学者ゲルト ビニヒとハインリヒ ローラーは、固体表面の原子や分子の画像を取得できる顕微鏡を発明することに成功しました。
この装置は走査型トンネル顕微鏡 (STM =走査型トンネル顕微鏡)と呼ばれるようになりました。次の図が示すように、STM は圧電結晶 (ステレオにあるものと同様) に結合された細い針で構成されています。この結晶は、その構造内の原子の変位を通じて圧力 (ピエゾ) を電気インパルスに変換する能力を持っています。したがって、針と分析対象物との間に電位差が生じます。
いわゆるトンネル効果は、物質の波動を予測する量子力学の定式化以来知られており、その結果、電子などの粒子は波動関数として記述できます。このように、量子力学は、電子が禁止領域に入り、古典的に許可されている 2 つの領域を隔てるポテンシャル障壁をトンネルして通過する可能性を予測します。
これは、ナノメートルスケールで針をサンプルの表面に非常に近づけて配置したときに起こる現象です。これは、電気刺激が加えられると、このスケールで非常に正確な動きを生成するようにコンピューターがプログラムされているために実現されます。次に、印加された電圧の極性に応じて、サンプル表面からの電子が針の先端にトンネルし始め、その逆も同様です。
これが起こると、トンネルされた電子は小さな電流 (トンネル電流) を放出します。この電流を測定することにより、表面のトポグラフィー画像が原子分解能で取得されます。
走査型トンネル顕微鏡 (STM) の概略図
つまり、このトンネル顕微鏡が表面の原子や分子の写真を撮ることができるわけではありませんが、あたかもこれらの機械がそれらを感知できるかのようです。例えるなら、電源が入っているテレビの画面に触らずに手を近づけたときに、ある種のチクチク感を感じるのと似ています。同様に、コンピューターはデータを収集し、原子の位置のマップに対応する表面上の電流マップを描画します。
トンネリング確率は原子ごとに異なるため、画像が純粋なトポグラフィーに非常に近いものに対応する場合もあれば、そうでない場合もあります。
走査型トンネル顕微鏡 (STM) は、原子や分子の測定と操作を可能にするために発明された最初の装置です。しかし、彼の後には、原子間力顕微鏡( AFM –原子間力顕微鏡)、磁力顕微鏡( MFM –磁気力顕微鏡) 、静電力顕微鏡( EFM –静電力顕微鏡)、近接場光学顕微鏡( SNOM –走査型近接場光学顕微鏡)、およびすべての派生製品。
詳細については、以下のテキストをご覧ください。