Microscopio a effetto tunnel: differenze tra le versioni

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[[File:Atomic resolution Au100.JPG|thumb|Immagine di ricostruzione su una superficie di [[oro]][[indice di Miller|(100)]] puro.]]

[[File:Selfassembly Organic Semiconductor Trixler LMU.jpg|thumb|Immagine STM di catene [[chimica supramolecolare|supramolecolari]] [[auto-assemblaggio|auto-assemblate]] del [[semiconduttore organico]] [[quinacridone]] su [[grafite]].]]

Il '''microscopio a effetto tunnel''' (STM, dall'inglese '''''Scanning Tunneling Microscope''''') è un potente[[Microscopia strumentoa scansione di sonda|microscopio a scansione di sonda]] per lo studio delle [[Superficie (fisica)|superfici]] a livello atomico. Il suo sviluppo nel 1981 fruttò ai suoi inventori, [[Gerd Binnig]] e [[Heinrich Rohrer]], entrambi impiegati (all'[[IBM]] di Zurigo), il [[Premio Nobel per la Fisica]] nel 1986.<ref name="Binnig">{{cita pubblicazione| autore = G. Binnig| coautore = H. Rohrer| titolo = Scanning tunneling microscopy| url = https://archive.org/details/sim_ibm-journal-of-research-and-development_1986-01_30_1/page/4| rivista = IBM Journal of Research and Development| volume = 30|p=4| anno = 1986| lingua = en}}</ref><ref>{{cita web| url = https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/press.html| titolo = Press release for the 1986 Nobel Prize in physics| accesso=28 marzo 2010| lingua = en| data=15 ottobre 1986| anno = 1986| mese = ottobre}}</ref> Per un STM è considerata buona una risoluzione laterale di 1 [[Ångström|Å]] (0,1&nbsp;nm) e una risoluzione in profondità di 0,1 Å (0,01&nbsp;nm).<ref name="Bai">{{cita libro| autore = Chunli Bai| titolo = Scanning tunneling microscopy and its applications| editore = Springer Verlag| città = New York| anno = 2000| url = http://books.google.com/books?id=3Q08jRmmtrkC&pg=PA345| isbn = 3-540-65715-0| accesso=28 marzo 2010| lingua = en}}</ref> Con questa risoluzione, i singoli atomi possono essere osservati e manipolati. L'STM può essere utilizzato non solo in condizioni particolari come l'[[ultra alto vuoto]], ma anche nell'aria, nell'acqua e in vari altri liquidi o gas ambienti e a temperature che variano da quasi [[zero assoluto|zero kelvin]] a poche centinaia di gradi Celsius.<ref name="Chen">{{cita libro|autore = C. Julian Chen|titolo = Introduction to Scanning Tunneling Microscopy|anno = 1993|url = http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf|formato = PDF|isbn = 0-19-507150-6|editore = Oxford University Press|accesso = 28 marzo 2010|lingua = en|urlmorto = sì|urlarchivio = https://web.archive.org/web/20100624205213/http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf}}</ref>

L'STM si basa sull'[[effetto tunnel]]. QuandoGrazie a questo, quando una punta conduttrice è portata molto vicino alla superficie da esaminare, una [[differenza di potenziale]] applicata tra i due può permetterepermette agli elettroni di attraversare il vuoto tra di loro per effetto tunnel. La "corrente di ''tunnelling''" che ne risulta dipende dalla posizione della punta, della tensione applicata e della [[densità locale degli stati]] (LDOS, ''Local Density Of States'') del campione.<ref name="Chen">{{cita libro|lingua=en|autore=C. Julian Chen|titolo=Introduction to Scanning Tunneling Microscopy|url=http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf|formato=PDF|accesso=28 marzo 2010|anno=1993|editore=Oxford University Press|isbn=0-19-507150-6|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20100624205213/http://www.columbia.edu/~jcc2161/documents/stm_R.pdf}}</ref> Misurando la corrente nei diversi punti della superficie del campione si ottengono le immagini topografiche, oltre ad altre informazioni.

MisurandoL'STM laè correntesolitamente neiutilizzato diversiin punticondizioni delladi superficie[[ultra delalto campionevuoto]], sima ottengonopuò immaginianche topograficheessere usato in aria, acqua e altrein informazionivari altri liquidi o gas ambientali. L'STMPuó puòinoltre essere usato a temperature che variano da quasi [[zero assoluto|zero kelvin]] a poche centinaia di gradi Celsius.<ref name="Chen" /> Può essere una tecnica impegnativa, in quanto richiede superfici estremamente stabili e pulite, punte acuminate (idealmente con un apice composto da un solo atomo), ottimo [[isolamento della vibrazione|controllo delle vibrazioni]] e un'elettronica sofisticata.

== Procedura ==

[[File:Stmsample.jpg|thumb|Un'immagine ravvicinata di un semplice microscopio a scansione a effetto tunnel che utilizza una punta di platino-iridio.]]

In primo luogo, è applicata una polarizzazione di tensione e la punta viene portata in prossimità del campione con controlli meccanici grossolani (''coarse)'', che vengono disattivati quando la punta e il campione sono sufficientemente vicini. A distanza ravvicinata si usano di solito dei sistemi [[piezoelettricità|piezoelettrici]] per il controllo della posizione nelle tre dimensioni, e si mantiene la separazione punta-campione ''W'' intorno a 4-7 [[Ångström|Å]], ovvero in posizione di equilibrio tra forze attrattive (3 Å < W < 10 Å) e repulsive (W < 3 Å)<ref name="Chen"/>. In questa situazione, la tensione di polarizzazione causerà il transito di elettroni per [[effetto tunnel]] tra la punta e il campione, creando una corrente che può essere misurata. Una volta che viene stabilito il ''tunnelling'', la polarizzazione e la posizione della punta rispetto al campione possono essere variati (con i dettagli di questa variazione dipendenti dall'esperimento in corso), e si registrano i dati ottenuti dalle variazioni della corrente.

Si possono usare due modalità per ottenere questo risultato. Nella modalità ad altezza costante, si mappa direttamente la variazione di corrente; nella modalità a corrente costante, l'altezza viene modificata dai piezoelettrici per mantenere costante il valore di corrente, con il controllo un sistema elettronico di [[retroazione]], e si realizza una mappa delle variazioni di altezza.<ref name="Chen"/><ref name="Oura">{{cita libro| autore = K. Oura| coautori = V. G. Lifshits; A. A. Saranin; A. V. Zotov; M. Katayama| titolo = Surface science: an introduction| editore = Springer-Verlag| città = Berlino| anno = 2003| url = http://books.google.com/books?id=TTPMbOGqF-YC&pg=PP1| isbn = 3-540-00545-5| accesso=28 marzo 2010| lingua = en}}</ref>