Туннель микроскопи каби атом

Атом  – кучўлчаш микроскопи (АКМ) (русчада «Атомно – силовой микроскоп», ингилизчада «Atomic Force Microscope (AFM)»)

 

        Туннель микроскопи каби атом – кучўлчаш микроскопини ҳам Г. Бинниг ҳамкасблари билан биргаликда 1986 йилда кашф қилди. Бу микроскопнинг ишлаш принципи зонд билан юза ўртасидаги ўзаро таъсир кучини ўлчашга асосланган. Бу услубда зонд кантилевр деган нарсанинг учига ўрнатилади, зонд юзага тортилганда у эгилади (деформация бўлади) ва бу эгилиш маълум йўл билан ўлчанади (расм 4,4).

 

 

 

 

 

 

 

Расм 2. а) зондли кантилеврнинг нормаль ва тангенциал куч таъсирида эгилиш ва буралиши; б) атом – кучўлчаш микроскопи услубида атомлараро кучнинг пайдо бўлиш схемаси. 

 

Расм 4.4 дан кўриниб турибди-ки, зонд r>0В масофада бўлганда юза билан унинг ўртасида тортишиш кучи мавжуд ва r камайган сари у ошаверади ва r=0В бўлганда у максимумга эришади. r янада камайиб зонд юзага кўпроқ яқинлашса тортишиш кучи камаяборади (электрон булутлари бир – бирини итаришни бошлайди). r<0А бўлганда (зонд электрон булутлари ичига кирганда) итариш кучлари кескин ошиб кетади.

        Кантилеврнинг деформациясини ўлчаш услублари ичида оптик услуб энг кўп тарқалган (расм 4.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расм 4.5. Зонд билан юза ўртасидаги ўзаро таъсир кучини «оптик ричаг»   услубида ўлчаш. 1-лазер; 2- линза; 3-кўзгу; 4- тўрт  сигментли фотоприёмник; 5- кантилевр; 6- зонд.

       

Лазер нури кантилеврнинг полировка қилиниб кўзгуга айлантирилган юзасига тушади ва ундан қайтиб тўрт туйнукли (тўрт сегментли) фотоприемникка тушади. Деформация йўқлигида (демак, зонд объектдан ҳали узоқда турганда) ҳар бир сегментдан чиқадиган сигнал  бир хил бўлади. Сигналларни жуфтлаб уларни бир – биридан айирса натижавий сигнал ноль бўлади (расм 4.6)

 

 

 

Расм 4.6. U_a, U_b, U_с ва U_d – a, b, c, d сегментлардан чиқадиган сигналлар.

       

Агар зонд юза билан таъсирлашса F_н нормал куч пайдо бўлади ва фотоприёмникдаги лазер нури тепага сурилади. Шунда  U_a ва U_b лар бир – бирига тенг , лекин U_c= U_d лардан катта бўлади. Агар F ≠ 0 ва F_н  ≠ 0 бўлса, тўрттала сегментдан чиқаётган сигналлар бир – биридан фарқ қилиши мумкин ва бу ҳол кучнинг иккала компонентасини ҳам ўлчашга имкон беради.

        Зондли микроскопда расмга олинган ҳар хил структуралар расм 4.7 да келтирилган. Бундай микроскоплар нафақат юқори вакуумда, улар ҳавода, суюқликда ва электролитларда ҳам ишлай оладилар. Улар кашф қилинганларидан сўнг тезда маълум бўлди-ки, улар яна «атомлар учун пинцет» сифатида ҳам ишлатилиши мумкин экан, бошқача айтганда ёлғиз атом ва молекулаларни манипуляция қилиш ва бир жойдан иккинчи жойга кўчириш имконини берар экан. Бунинг учун зонд керакли атом устига суриб олиб келинади ва уни думалатиб керакли жойга олиб борилади ёки зондга каттароқ кучланиш бериб атомни юзадан тортиб олинади ва бошқа жойга «кўтариб» ўтказиб қўйилади. Ана шундай услуб билан ажойиб фигуралар ясалган. Улардан бирнечтаси расм 4.7 да кўрсатилган.

 

 

 

 

Расм 4.7. Атомли дизайн намуналари: а) 30га яқин молекуладан тузилган «Рақс тушаётган одам»; б) япон иероглифи; в) кремний монокристали устида 48 та темир атомидан қурилган электронлар учун «молқўра»; г) бирқанча атомлардан тузилган «молқўрада» қамалиб қолган электронлар зичлигининг тўлқинлари кўриниб турибди.

       

Ана шундай дизайн ёрдамида атомлардан, битта – битта териб, диод, транзистор ёки бутун бир электр занжирини қуриш мумкин, бу эса физикларнинг (электрончиларнинг) азалий орзусидир: кўп электронли қурилмалардан бир электронли қурилмаларга ўтиш. Буни қандай тушуниш керак? Биламиз-ки, ҳар қандай замонавий прибор, масалан, микросхемадаги майдон транзистори, битта операцияни бажариш учун минглаб (ёки миллионлаб) электронларни ишлатади, лекин ана шу ишни бажариш (ёки бир холатдан иккинчи холатга ўтиш) учун бир атомдан қўшни атомга битта электронни ўтказишнинг ўзи кифоя бўлади-ку! Ана шу эффект расм 4.8 да кўрсатилган. Унда икки атомли молекуладаги чапдаги атомдан ўнгдаги атомга битта электрон ўтгандан сўнг молекула бир холатдан («0» дан) иккинчи холатга («1» га) ўтади.

                                а)                                                                             б)

 

Расм 4.8. а) бирэлектроника ва б) «спинтроника»нинг ишлаш принциплари.

       

Бу ерда имконият янада бошқача бўлиши мумкин – электронни бир атомдан иккинчи атомга ўтказмасдан, уни ўз атомида ушлаб туриш мумкин, лекин бунда бу электрон спинининг йўналиши ўзгартирилади, бунда атом «1» холатдан «0» холатга ўтган бўлади (ёки тескариси) (расм 4.8). Бу яна қулай ва фойдали вариантдир. Бу услуб физикада «спинтроника» деб ном олди («электроника» сўзига тақлид қилиб олинган).