Nanomalzemeler

Yüksek Enerjili Parçalar Yüksek enerjili parçacıklarla bir numuneyi hedefleyerek malzeme özelliklerini araştırmak yerine, bunu tek bir atomu tutarak ve bir numunenin atomlarına göre konumunu sürekli bir şekilde değiştirerek yapabileceğinizi düşünün. Açıkçası, bu sadece bir numunenin yüzey atomları için mümkün. Ancak bu sınırlama, atom ve yüzey arasındaki etkileşimi en düşük tespit seviyesinde tutarken yüzeylerin özelliklerini inceleme yeteneği ile fazlasıyla dengelenmiştir. Etkileşim derecesi, deneysel uygulamanın ayrıntılarına ve gerçek ölçüme bağlıdır. Tarihsel olarak, yalnızca deneysel ve teorik yöntemlerin bir kombinasyonu ile belirlendi. Bununla birlikte, bu sunum sırasında, geniş bir deney sınıfının aslında yüzey ve prob ucu arasında önemli bir etkileşim olmadan yapıldığı görülecektir. Bu durumda, deneyler doğrudan numunenin yapısal ve elektronik özellikleri ile ilgili olabilir. Aslında bu, taramalı prob mikroskobunun prensibidir. Olağanüstü kesinliğinin sınırında, tek atomların elektronik ortamındaki küçük değişikliklerin saptanması yatar; örneğin, farklı bir kimyasal ortam nedeniyle valans bandı yapısındaki değişiklikleri ve hatta elektronlar ile elektronlar arasındaki çok küçük etkileşimleri algılamak için yeterlidir. Moleküler bir bağdaki fononlar. Yerel Araştırma İlkeleri Yerel probların potansiyeli göz önüne alındığında, operasyonları için fiziksel koşullar oldukça basittir. H. Rohrer, taramalı prob mikroskopları üzerine üç ciltlik anketin ilk cildi için yazdığı makalesinde, böyle bir alet için dört teknik gereklilik tanımlamaktadır: 1. etkileşimin güçlü mesafe bağımlılığı 2. prob ve nesnenin yakınlığı 3. çok keskin prob ucu 4. kararlı konumlandırma cihazı İlk noktayla ilgili olarak, "güçlü mesafe bağımlılığı" ile ne kastedildiği sorulabilir. Bu soruyu elektrostatik veya van der Waals kuvvetleri gibi farklı etkileşimlerin mesafeye bağımlılığını ve bunların şu anda yerel prob araçlarının kullandığı etkileşimler bağlamında elde edilebilir çözünürlüklerini karşılaştırarak ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Atomik yapılar, yalnızca mesafe yaklaşık bir atomik çap değiştiğinde etkileşim ölçülebilir bir miktarda değişirse çözülebilir. Bu koşulu yerine getiren tek etkileşim, kimyasal kuvvetler (0,2 nm'lik bir mesafe içinde yaklaşık 0,2'den 3,0 nN'ye değişen) ve tünelleme akımlarıdır (0,1 nm'de bir büyüklük sırasına göre değişen). Her iki etkileşim de numune ve probun çok yakın olması (bir nm'den daha az) ile sınırlıdır, bu nedenle aslında yüksek çözünürlüklü deneyler için ilk gereklilik zaten ikinciyi ima eder. Tarihsel bir perspektiften bakıldığında, SPM'nin gelişimini tetikleyen, vakumlu tünel açmanın fizibilitesinin deneysel kanıtıydı. Bu nedenle ilk SPM, bir taramalı tünelleme mikroskobu (STM) idi. Ancak geliştirilmesindeki teknik problemler çözüldükten sonra aynı prensip tarama kuvveti mikroskobuna (SFM) uygulanabilir. Sonuç olarak SFM, STM'den sadece birkaç yıl sonra gerçekleştirildi. Birkaç nm'den daha az bir uzantıya sahip bir yüzey üzerindeki tek yapılar çözülecekse, güçlü bir mesafe bağımlılığı açıkça yeterli değildir. Etkileşim yanal konumundan bağımsız olacağından, bu durumda düz bir sonda yapıya karşı duyarsız olacaktır. Bu nedenle, yüksek çözünürlüklü görüntüler elde etmek için yalnızca çok keskin problar uygundur. Prob üretme yöntemleri, farklı gruplar ve deneyler için değişiklik gösterir; tek ortak payda, sondanın ucunun çapının 100 nm'den az olması ve ucun tepe noktasının atomik ölçekte bir tepe noktası sunması gibi görünüyor. Simülasyonlarda görüntüyü belirleyen ana özelliklerden biri olduğu için ucun gerçek yapısı bu monografi boyunca tartışılacaktır. Bununla birlikte, deneysel olarak, bu hala oldukça keşfedilmemiş bir bölgedir, çünkü ipucunun herhangi bir ayrıntıyla bilindiği çok az deneysel sonuç yayınlanmıştır. Teknik gereksinimlerin son noktası, deneysel olarak gerçekleştirilmesi en zor olandı. Tartışılacağı gibi, sondanın kararlı bir şekilde konumlandırılmasının önündeki ana engelin çevreye titreşimsel bağlanma olduğu ortaya çıktı. Ancak bu sorun nihayet çözüldü ve çözümün yaratıcılığı, günümüzün en iyi araçlarıyla elde edilebilecek çözünürlükle ölçülebilir. Bu çözünürlük 0,5–1,0 pm veya yaklaşık 10−12 m kadar yüksek olabilir. Yerel prob araçları böylece yüzeylerin yapısını malzeme biliminde (şimdiye kadar) gereken en düşük seviyeye kadar çözer. enerji nedir fizik Enerji ve enerji çeşitleri Fizikte enerji nedir İnsan enerjisi Enerji çeşitleri Çevreye en az zarar veren enerji türü hangisidir Kinetik enerji Nedir Enerji Nedir Yüzey Hazırlığı Çoğu deneysel SPM yayınında odak noktası genellikle görüntülerin sunumu ve bunların yüzey özellikleri açısından yorumlanmasıdır. Yüzeyin fiili hazırlığı veya prob figürleri daha az belirgindir. Bu alanda ortalama bir kağıdın yarısından önemli ölçüde daha azını kaplayarak daha teknik yönlerle sınırlıdır. Gerçek deneysel prosedürlere bakılırsa, bu biraz dengesiz görünüyor. Yüzey hazırlığı muhtemelen başarılı deneylerdeki en önemli bileşendir, bazı deneyciler bir yüzeyi gerçek ölçüm için uygun hale getirmek için haftalar hatta aylar harcarlar. Bu nedenle, enstrümanın bu kadar başarılı olabilmesi, yalnızca bu amaca yönelik çok sayıda tekniğin birikmesinden kaynaklanmaktadır. Bir yüzey üzerinde yüksek kaliteli, yüksek çözünürlüklü SPM görüntüleri elde etmek için gerekli koşullar şunlardır: 1. birkaç yüz ̊A'dan daha geniş teraslara sahip düz yüzey 2. düşük yüzey kirliliği 3. yüksek derecede yüzey düzeni 4. yüzey atomlarının düşük hareketliliği Geniş teraslar, kristal bölünmesiyle (örneğin, yalıtkanların veya yarı iletkenlerin kutupsal yüzeyleri için) veya yüksek enerjili iyonlarla yüzey katmanlarının çıkarılması ve ardından erimeye yakın sıcaklıklara (çoğu metal ve alaşım) tavlama yoluyla elde edilir. Yüzey kirliliği, genellikle yüksek konsantrasyonda karbon ve oksijen içeren çoğu metal için ciddi bir sorundur. Bu durumda olağan prosedür, kirleticilerin ayrışmasını incelemek ve yüzeyin yakın çevresi temiz olana kadar (%1'den daha az kirlilik) iyon bombardımanı ile yüzey katmanlarının orta düzeyde uzaklaştırılmasıyla tekrarlanan sıcaklık programlı ısıtma döngülerini gerçekleştirmektir. Yarı iletkenlerde kirletici maddeler kimyasal yöntemlerle giderilir. Yüzey hazırlama yöntemleri hakkında bilgi, inceleme kağıtlarında ve buradaki referanslarda bulunabilir. Serbest yüzey enerjisini en aza indirmek için çoğu yüzey kendiliğinden yeniden oluşur, örneğin bağların dimerizasyonu (yarı iletkenler) veya atomik düzenlemenin (metaller) yeniden oluşturulması. Katalitik reaksiyonlar, yani gaz moleküllerinin bir yüzey üzerinde kimyasal soğurulması, bunların ayrışması ve yeniden birleşmesi, genellikle büyük yeniden yapılanmalarla bağlantılıdır. Yüzey düzeni, farklı bir yüzey kaplaması ile oldukça önemli ölçüde değiştirilebilir. Gerçekten de, tüm bu etkilerin ayrıntılı bir şekilde kaydedildiği 1990'lardan kalma çok sayıda deneysel çalışma var. Yüzeyler üzerindeki dinamik etkiler, yalnızca SPM ortam sıcaklıklarında çalıştırıldığı sürece bir engel teşkil etti. Bugün, düşük sıcaklıklı aletler 2 K'den daha düşük sıcaklıklara ulaşabilir. Bu ortamda atomların göçü neredeyse donmuştur. Bu koşullar altında yüzey elektronik yapısı, birkaç meV'lik enerji ölçeği üzerindeki etkileri tespit edecek kadar kararlıdır. Bu enerji aralığındaki en göze çarpan etkiler, yüzey yük dalgaları ve tek elektronların manyetik etkileridir.