Потенциальный барьер туннельный эффект кратко

Обновлено: 08.07.2024

Имеется вероятность, что квантовая частица проникнет за барьер, который непреодолим для классической элементарной частицы.

Представьте шарик, катающийся внутри сферической ямки, вырытой в земле. В любой момент времени энергия шарика распределена между его кинетической энергией и потенциальной энергией силы тяжести в пропорции, зависящей от того, насколько высоко шарик находится относительно дна ямки (согласно первому началу термодинамики). При достижении шариком борта ямки возможны два варианта развития событий. Если его совокупная энергия превышает потенциальную энергию гравитационного поля, определяемую высотой точки нахождения шарика, он выпрыгнет из ямки. Если же совокупная энергия шарика меньше потенциальной энергии силы тяжести на уровне борта лунки, шарик покатится вниз, обратно в ямку, в сторону противоположного борта; в тот момент, когда потенциальная энергия будет равна совокупной энергии шарика, он остановится и покатится назад. Во втором случае шарик никогда не выкатится из ямки, если не придать ему дополнительную кинетическую энергию — например, подтолкнув. Согласно законам механики Ньютона, шарик никогда не покинет ямку без придания ему дополнительного импульса, если у него недостаточно собственной энергии для того, чтобы выкатиться за борт.

А теперь представьте, что борта ямы возвышаются над поверхностью земли (наподобие лунных кратеров). Если шарику удастся перевалить за приподнятый борт такой ямы, он покатится дальше. Важно помнить, что в ньютоновском мире шарика и ямки сам факт, что, перевалив за борт ямки, шарик покатится дальше, не имеет смысла, если у шарика недостаточно кинетической энергии для достижения верхнего края. Если он не достигнет края, он из ямы просто не выберется и, соответственно, ни при каких условиях, ни с какой скоростью и никуда не покатится дальше, на какой бы высоте над поверхностью снаружи ни находился край борта.

Работает он так: в квантовой механике частица описывается через волновую функцию, которая связана с вероятностью местонахождения частицы в данном месте в данный момент времени. Если частица сталкивается с потенциальным барьером, уравнение Шрёдингера позволяет рассчитать вероятность проникновения частицы через него, поскольку волновая функция не просто энергетически поглощается барьером, но очень быстро гасится — по экспоненте. Иными словами, потенциальный барьер в мире квантовой механики размыт. Он, конечно, препятствует движению частицы, но не является твердой, непроницаемой границей, как это имеет место в классической механике Ньютона.

Если барьер достаточно низок или если суммарная энергия частицы близка к пороговой, волновая функция, хотя и убывает стремительно при приближении частицы к краю барьера, оставляет ей шанс преодолеть его. То есть имеется определенная вероятность, что частица будет обнаружена по другую сторону потенциального барьера — в мире механики Ньютона это было бы невозможно. А раз уж частица перевалила через край барьера (пусть он имеет форму лунного кратера), она свободно покатится вниз по его внешнему склону прочь от ямы, из которой выбралась.

Другой важный пример туннельного эффекта — процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звезды (см. Эволюция звезд). Один из этапов термоядерного синтеза — столкновение двух ядер дейтерия (по одному протону и одному нейтрону в каждом), в результате чего образуется ядро гелия-3 (два протона и один нейтрон) и испускается один нейтрон. Согласно закону Кулона, между двумя частицами с одинаковым зарядом (в данном случае протонами, входящими в состав ядер дейтерия) действует мощнейшая сила взаимного отталкивания — то есть налицо мощнейший потенциальный барьер. В мире по Ньютону ядра дейтерия попросту не могли бы сблизиться на достаточное расстояние и синтезировать ядро гелия. Однако в недрах звезд температура и давление столь высоки, что энергия ядер приближается к порогу их синтеза (в нашем смысле, ядра находятся почти на краю барьера), в результате чего начинает действовать туннельный эффект, происходит термоядерный синтез — и звезды светят.


Рассмотрим простейший потенциальный барьер прямоугольной формы для одномерного (по оси х) движения частицы. Для потенциа­льного барьера прямоугольной формы высоты U и ширины l можем записать

При данных условиях задачи классическая частица, обладая энергией Е, либо беспрепятственно пройдет над барьером (при Е>U), либо отразится от него (при Е U, имеется отличная от нуля вероятность, что частица отразится от барьера и будет двигаться в обратную сторону. При E 1, т. е. проникает сквозь барьер. Подобные, казалось бы, парадоксальные выводы следуют непосредственно из решения уравнения Шредингера, описывающего движение микрочастицы при условиях данной задачи. С классической точки зрения прохождение частицы сквозь потенциальный барьер при Е U), либо отразится от него (при Е U, имеется отличная от нуля вероятность, что частица отразится от барьера и будет двигаться в обратную сторону. При E 1, т. е. проникает сквозь барьер. Подобные, казалось бы, парадоксальные выводы следуют непосредственно из решения уравнения Шредингера, описывающего движение микрочастицы при условиях данной задачи. С классической точки зрения прохождение частицы сквозь потенциальный барьер при Е

Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д. Туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределённостей. Записанное в виде:





оно показывает, что при ограничении квантовой частицы по корд­инате, то есть увеличении её определённости по x, её импульс p станови­тся менее определённым. Случайным образом неопределённость импуль­са Δp может добавить частице энергии для преодоления барьера. Таким образом, с некоторой вероятностью квантовая частица может проникнуть через барьер, а средняя энергия частицы останется неизменной.

<\displaystyle \Delta x\cdot \Delta p\geqslant <\frac <\hbar ></p>
<p>>>


Туннельный эффект, туннелирование — преодоление квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в полное внутреннее отражение . Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и атомного ядра , твёрдого тела и т. д.

Содержание

Краткое квантовомеханическое описание

<\displaystyle ~<E_<\rm <kin></p>
<p>Согласно классической механике, частица может находиться лишь в тех точках пространства, в которых ее потенциальная энергия меньше полной. Это следует из того обстоятельства, что кинетическая энергия частицы >>=>>=->>>
не может (в классич. физике) быть отрицательной, т.к. в таком случае импульс будет мнимой величиной. То есть если две области пространства разделены потенциальным барьером, таким, что , просачивание частицы сквозь него в рамках классической теории оказывается невозможным. В квантовой же механике мнимое значение импульса лишь соответствует экспоненциальной зависимости волновой функции от координаты. Это видно из уравнения Шредингера с постоянным потенциалом (для простоты возьмем одномерный случай):

<\displaystyle ~<\frac </p>
<p>>^><\psi >>>>^>>+<<\hbar >^>><\left(<E>->>\right)><\psi >=0>

(" width="" height="" />
координата; " width="" height="" />
полная энергия, >~->" width="" height="" />
потенциальная энергия, >" width="" height="" />
редуцированная постоянная Планка, " width="" height="" />
масса частицы), решением которого является функция

<\displaystyle ~<\psi ></p>
<p>=A\exp <\left(ix<\frac <\sqrt <2m<\left(<E>->>\right)>>><\hbar >>\right)>+B\exp <\left(-ix<\frac <\sqrt <2m<\left(<E>->>\right)>>><\hbar >>\right)>>

<\displaystyle ~U_<0></p>
<p>Пусть имеется движущаяся частица, на пути которой встречается потенциальный барьер высотой >
, а потенциал частицы до и после прохождения равен нулю.

Для областей " width="" height="" />
(до прохождения), " width="" height="" />
(во время прохождения внутри потенциального барьера) и " width="" height="" />
(после прохождения барьера) (начало барьера совпадает с началом координат; его "ширина" равна " width="" height="" />
) получаем соответственно функции

<\displaystyle ~<<\psi ></p>
<p>_>=>\exp <\left(ikx\right)>+>\exp <\left(-ikx\right)>>

<\displaystyle ~<<\psi ></p>
<p>_>=>\exp <\left(-<\chi >x\right)>+>\exp <\left(<\chi >x\right)>>

<\displaystyle ~<<\psi ></p>
<p>_>=>\exp <\left(ik(x-a)\right)>+>\exp <\left(-ik(x-a)\right)>>

Так как слагаемое >\exp >" width="" height="" />
характеризует отраженную волну, идущую из бесконечности, которая в данном случае отсутствует, нужно положить >=0>" width="" height="" />
. Для характеристики величины туннельного эффекта введем коэффициент прозрачности барьера, равный модулю отношения плотности потока прошедших частиц к плотности потока упавших:

<\displaystyle ~D=<\frac <<\mathcal <j></p>
<p>>><\mathcal <j>>><<\mathcal <j>>><\mathcal <j>>>>>

Для определения потока частиц воспользуемся формулой

<\displaystyle ~<j></p>
<p>=e>><\left(<<\psi >^>><<\partial >x>><\psi >-<\psi >><<\partial >x>><<\psi >^>\right)>>

где знак звездочки обозначает комплексное сопряжение.

Подставляя в эту формулу волновые функции, указанные выше, получим

<\displaystyle ~<D></p>
<p>=>><\mathcal <j>>>^><<<\mathcal <j>>><\mathcal <j>>>^>>>

Теперь, воспользовавшись граничными условиями, выразим сначала >" width="" height="" />
и >" width="" height="" />
через >" width="" height="" />
(с учетом, что a~<\gg >~1>" width="" height="" />
:

<\displaystyle ~<A_</p>
<p>>=>>a\right)>>~,$$<B_>=>>a\right)>>~~0>

<\displaystyle ~n=<\frac <\chi ></p>
<p>>=>-E>>>>

<\displaystyle ~A_<1></p>
<p>а затем >
через >" width="" height="" />
:

<\displaystyle ~<A_<1></p>
<p>>=<\left(1+<\frac <i>>\right)>>>a\right)>>>>

<\displaystyle ~<D_<0></p>
<p>>=>><<\left(1+<n^>\right)>^>>>

которая будет порядка единицы. Тогда:

<\displaystyle ~D~<\cong ></p>
<p>~>>-E\right)>>>><\hbar >>\right)>>>

Для потенциального барьера произвольной формы делаем замену

<\displaystyle ~<\frac <2a<\sqrt <2m<\left(<U_<0></p>
<p>>-E\right)>>>><\hbar >>~<\Rrightarrow >~<\hbar >><\int \limits _<x_<1>>^>-E\right)>>>\,>x>>

<\displaystyle ~x_<1></p>
<p>где >
и >" width="" height="" />
находятся из условия

<\displaystyle ~<U(x_<1></p>
<p>)>=<U(x_<2>)>=E>

Тогда для коэффициента прохождения через барьер получаем выражение

<\displaystyle ~D~<\cong ></p>
<p>~><\hbar >><\int \limits _<x_<1>>^>-E\right)>>>\,>x>\right)>>>

Упрощённое объяснение


Схема, поясняющая квантовый туннельный эффект на примере классического движения. По аналогии с гравитацией объект стремится "вниз" (от высокого уровня потенциальной энергии к низкому). Обычно для перехода в состояние с более низкой энергией необходима энергия извне. Однако согласно законам квантовой механики объект может образовать туннель в низкоэнергетичное состояние.


Альтернативная схема, поясняющая туннельный эффект. Строго говоря, данный упрощенный пример слева, грешит неточностями в угоду наглядности, а именно: в рамках классическй механники потенциальная энергия тела на высоте h от поверхности зависит не от его высоты над уровнем моря, а от высоты над самой поверхностью. В связи с этим, предлагаю использовать в качестве абстракции некоторое тело (к примеру кирпич), на высоте h над поверхностью земли ДО возвышения, и это же тело на меньшей высоте h1 над поверхностью земли. Эта абстракция создает меньше ложных убеждений.

Рассмотрим объект (например, машину), перемещающийся по склону холма вверх. Для большей наглядности не будем учитывать никаких сил, которые действуют на объект, кроме гравитации (притяжения Земли). Объект машина находится на высоте 500 м над уровнем моря, макушка горы - на высоте 1000 м, а равнина за горой - ниже уровня моря. Все объекты вселенной стремятся к низкому уровню потенциальной энергии, ученые называют это высоким уровнем энтропии. Согласно этому принципу машина стремится занять настолько низкий энергетический уровень, насколько возможно. Согласно классической механике, для того чтобы оказаться на равнине с более низкой энергией, машина не может обойтись без работы двигателя, т.е. без дополнительной затраты энергии. Однако если существует прямой туннель от машины к равнине , она без дополнительных источников энергии переместится туда.

Примерно такой же эффект можно наблюдать при квантовом туннелировании, при котором некоторая элементарная частица (например фотон или электрон) способна преодолеть потенциальный барьер и достигнуть этим состояния с более низкой (самой низкой из возможных вариантов) потенциальной энергией, без традиционной затраты энергии, которая нужна в подобном случае в макромире. Заметим, что туннелирование - феномен свойственный частицам чрезвычайно малого размера, обычно наблюдается с частицами с размером порядка атомного или меньше, и что при рассмотрении всех сил, действующих на частицу, выражение ее потенциала становится значительно сложнее. Также надо отметить, что частицы не могут совершать обратных перемещений, в которых их энергия увеличивается (без участия некой силы извне). Без внешних влияний - эффект может происходить только в направлении понижения энергии, в соответствии со вторым законом термодинамики.

Макроскопические проявления туннельного эффекта

Туннельный эффект имеет ряд проявлений в макроскопических системах:

    Туннелирование носителей зарядов через потенциальный барьер алюминия) и обеспечивающее проводников (скрутки проводов, зажимы). Применительно к сверхпроводникам это явление получило название См. также

Аннотация: изучение качественной стороны решения уравнения Шредингера для движения частиц при наличии потенциального барьера, выяснение отличий получаемых результатов от выводов классической механики. Примеры явлений. Традиционное изложение темы, дополненное демонстрацией на компьютерной модели.

Рассмотрим одномерное движение. Еще раз убедимся, что даже в этом простейшем случае проявляются принципиальные отличия движения микрочастиц от классического. При одномерном движении рассеяние означает изменение направления движения на противоположное. Пусть на пути частиц расположен потенциальный барьер конечной ширины, в области барьера и вне его потенциальные энергии частицы постоянны, но Рис. 1. Конфигурация потенциальной
энергии

эти потенциальные энергии различаются на конечную величину. Мы предположим, что на границе потенциальная энергия меняется скачком (рис.1). В реально встречающихся условиях переход, конечно, плавный. Выберем систему координат так, чтобы ось x была параллельна направлению движения частицы. Изменение потенциальной энергии по оси x описывается формулой

На рисунке горизонтальная стрелка показывает начальное направление движения частиц, а ее положение по вертикали - энергию частиц.

В случае, когда полная энергия частицы E больше ее потенциальной энергии U0 в области II, на границе происходит частичное рассеяние (об этом см. лекцию "Рассеяние частиц. Эффект Рамзауэра").

Рассмотрим ситуацию, когда E Рис. 2. Проникновение электронной волны через барьер.

Волновая функция (рис.2) отлична от нуля во всех трех областях. Внутри барьера она экспоненциально затухает, поэтому вероятность прохождения значительно меньше единицы. Это прохождение сквозь запрещенную классической механикой область и называют "туннельным эффектом".

Мы приведем окончательную формулу для коэффициента прохождения через барьер прямоугольной формы

Эта формула показывает, во-первых, что коэффициент прохождения не равен нулю, во-вторых, его величина очень сильно зависит от ширины барьера a.

Если задаться разностью U0 - E = 5 эВ, то получим следующие значения коэффициента прохождения D для различной ширины барьера.

Поупражняйтесь сами. Чтобы лучше представить себе, насколько значителен эффект, воспользуйтесь таблицей ниже. Частица - электрон (m = 9.1 10 -31 кг). Введите высоту потенциального барьера U0 (в эВ), энергию электрона E (в эВ) и ширину барьера a (в нм), нажмите кнопку "Ввод". Компьютер рассчитает коэффициент прохождения D.

В Вашем распоряжении модель (требует установки Java, запускается в IE), выполненная в виде апплета, которая позволяет наблюдать за движением волнового пакета при наличии потенциального барьера. Форму и параметры барьера выбираете Вы. Движущиеся частицы описывается волновым пакетом, энергию и ширину которого задаем самостоятельно. Посмотрите, как прошедшая волна зависит от соотношения высоты барьера и энергии частиц, от ширины барьера и его формы.

Ряд явлений, недоступных для объяснения в классической механике, объясняется именно благодаря рассмотренным выше своеобразным свойствам микрочастиц. Обратимся к ним. Рис. 3. α-распад ядра.

Радиоактивный распад с испусканием α-частиц:

В самом конце XIX века А.Беккерелем было открыто явление радиоактивности: самопроизвольное испускание частиц (в том числе и α-частиц) атомами. Дальнейшие эксперименты позволили определить периоды полураспада и энергии частиц. Для α-распада результаты казались загадочными: энергии α-частиц оказались почти одинаковыми (~5 МэВ), а периоды полураспада отличались на много порядков. Вообще было не понятно, как α-частица может покинуть ядро. Вне ядра на нее действуют кулоновские силы отталкивания, энергия взаимодействия меняется с расстоянием как 1/r (рис.3), внутри ядра преобладает ядерное притяжение (V Рис. 4. Изменение энергии при переходе металл-вакуум.

Электроны свободно перемещаются по металлу, но покинуть его самопроизвольно не могут. При попытке электрическое поле ионов возвращает электрон обратно. Хорошим приближением при описании движения является потенциал в виде прямоугольной потенциальной ямы (на рис.4 изображен ее правый край; горизонтальные черточки символизируют заполненные электронами уровни). Для освобождения электрона надо сообщить ему энергию A, называемую работой выхода. Это возможно за счет энергии электромагнитного излучения (фотоэффект), тепловой энергии (термоэлектронная эмиссия) и т.п. Было также обнаружено, что электроны могут вырываться из металла при сколь угодно низких температурах под влияние сильного электрического поля. Это явление получило название холодной электронной эмиссии. Качественно это явление можно объяснить и в рамках классической физики, но расчетные значения напряженности поля, вызывающей заметный ток, на несколько порядков выше экспериментальных значений. Рис.5. Изменение потенциальной энергии
при наличии внешнего поля.

Если исследуемый образец металла - отрицательный электрод плоского конденсатора, распределение потенциальной энергии у образца изменится и станет таким, как показано на рис.5. В плоском конденсаторе U(x) = -eEx (заряд электрона отрицательный) плюс энергия притяжения электрона к его зеркальному отражению (электрон, находящийся на расстоянии x от поверхности металла, деформирует распределение заряда в нем таким образом, что это эквивалентно наличию заряда +e на расстоянии x внутри металла). Энергия притяжения электрона и заряда-отображения e 2 /4x. В итоге получаем

На рисунке стрелкой показана область, где потенциал деформирован за счет "поля изображения". В этой области потенциал несколько понижается, работа выхода электрона из металла уменьшается. При полях напряженностью порядка 10 10 В/м (!) работа выхода становится нулевой, и электроны покидают металл (таково классическое объяснение явления холодной эмиссии). В действительности эмиссия электронов начинается при приложении электрического поля напряженностью в сотни раз меньшей. Электроны выходят из металла за счет туннельного эффекта. Прозрачность барьера можно посчитать по формуле

Для плотности тока холодной эмиссии j, которая пропорциональна коэффициенту прохождения через барьер, получаем

где E - напряженность поля, E0 - эффективное электрическое поле в металле

Автоэлектронный эмиттер

Здесь Te - кинетическая энергия электрона. При A - Te = 1эВ E0 ~ 10 8 В/м. Рис.6. Автоэлектронный эмиттер.

Холодная эмиссия электронов находит широкое применение при изучении физических свойств поверхностей, адсорбции газов, явлений катализа и коррозии. Эмиттеры с холодной эмиссией используются в технике, особенно в тех случаях, когда необходимо получить высокую плотность тока. Для создания большой напряженности электрического поля вблизи поверхности металла эмиттеры делают в виде поверхностей с малым радиусом кривизны: в виде острия, лезвия и т.п. На рис.6 микрофотография эмиттера (ОИЯИ, Дубна). Высота острий ~6 мкм, диаметр у основания ~1 мкм. Плотность тока многоострийных катодов может достигать 10 6 А/см 2 .

Туннельный электронный микроскоп:

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела фирмы IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. Он открыл очень многообещающие возможности научных и прикладных исследований в области нанотехники и явился первым техническим устройством, с помощью которого была осуществлена наглядная визуализация атомов и молекул. Рис.7. Схема туннельного микроскопа.

Принцип работы СТМ заключается в следующем: к поверхности проводящего образца на расстояние, составляющее доли нанометра, подводится очень тонкое металлическое острие (игла). При приложении между образцом и иглой разности потенциалов ~ 10 -1 В в цепи (рис.7) появляется ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор между ними. Поскольку прозрачность потенциального барьера экспоненциально зависит от ширины барьера (см. формулы на рисунке), то туннельный ток при увеличении зазора между иглой и поверхностью образца убывает по экспоненте и уменьшается примерно на порядок при увеличении зазора s на каждые 0,1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния обеспечивает чрезвычайно высокую разрешающую способность СТМ. Вдоль оси, перпендикулярной к поверхности образца, разрешающая способность СТМ составляет ~ 10 -3 нм, а вдоль осей, параллельных поверхности образца, ~ 10 -1 нм. Рис.8. Конец иглы пробника.

Игла изготавливается из проводящего материала, конец ее имеет поперечный размер малые доли микрона (рис.8). Движение иглы над поверхностью образца с очень высокой точностью осуществляют при помощи пьезопластины, которая способна изменять свои линейные размеры при приложении к ней электрического поля. Перемещая иглу СТМ вдоль поверхности образца, т.е. осуществляя сканирование поверхности, можно получать информацию о рельефе поверхности с атомным пространственным разрешением.

1995

Первая испытательная установка представляла собой смесь лабораторной работы по физике и научной фантастики. Ее сделали на основе эксикатора (осушителя), обмотанного огромным количеством обыкновенного скотча. В этой охлаждаемой камере над сверхпроводящей свинцовой чашей левитировала жесткая платформа, снабженная постоянными магнитами. На ней были закреплены площадка на трех ножках с образцом, пьезодвигатели и держатель иглы. Уникальное сооружение потребляло 20 л жидкого гелия в час. Именно на этом экзотическом устройстве после нескольких месяцев непрерывной работы получили первые результаты – подтвердили экспоненциальную связь между туннельным током и расстоянием от иглы до образца. Это был первый и последний случай использования левитации в туннельной микроскопии – впоследствии использовалась виброразвязка СТМ с помощью системы пружин или активных элементов с обратной связью. Рис. 9. Поверхность кристалла кремния.

Снимок, который в свое время сильно удивил меня. На снимке (рис.9) видно, что поверхность кристалла с дефектом: одного атома не хватает.

Возможности туннельного микроскопа не ограничиваются разглядыванием поверхностей. С его помощью, например, можно заставить атомы перемещаться вдоль поверхности и собирать из них искусственные структуры нанометровых размеров, как на рис.10, где буквы имеют толщину в десяток атомов. Или удалять отдельные атомы. Перспективны исследование макромолекул, вирусов и других биологических структур, нанотехнологии.

Достоинства туннельного микроскопа быстро были оценены мировым сообществом, и в 1986г. Г. Биннигу и Х. Рёреру присуждена нобелевская премия:

E RNST R USKA for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope.
G ERD B INNIG and H EINRICH R OHRER for their design of the scanning tunneling microscope.

(за создание сканирующего туннельного микроскопа)

Вы можете посмотреть текст лекции, с которой при вручении премии выступил Г. Бинниг "Scanning Tunneling Microscopy - from birth to adolescience" (файл pdf 842 кб).

Однако у сканирующего туннельного микроскопа есть один недостаток: с его помощью можно изучать только материалы, хорошо проводящие электрический ток. Такое ограничение вытекает из самого принципа работы СТМ – для эффективного туннелирования (просачивания) электронов через зазор между поверхностью исследуемого образца и чувствительным элементом прибора (иглой) на поверхности должно быть много, как говорят физики, электронных состояний.

На схеме (рис. 12) О – острие (игла), П – пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz – пьезоэлектрические преобразователи. При этом Px и Py служат для сканирования образца под иглой, а Pz управляет расстоянием от острия до поверхности, D – туннельный датчик, который регистрирует отклонения пружинки с острием.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например, дислокации или заряженные дефекты, а также всяческие примеси.

Читайте также: