تصاویر اتمی سه بعدی از سطوح

تصاویر سه بعدی سطوح جامدات که بتوانند به طور بی‌سابقه‌ای جزئیات را در مقیاس اتمی نشان دهند اکنون به لطف تکنیک جدید و قدرتمندی که در آزمایشگاه تحقیقاتی زوریخ IBM توسعه یافته ممکن شده است. در این تکنیک، که میکروسکوپی تونل‌زنی روبشی نامیده شده است، از پدیدۀ تونل‌زنی خلأ استفاده می‌شود، که در آن الکترون‌ها می‌توانند بین دو الکترود رسانایی عبور کنند که توسط یک ناحیۀ خلأ به پهنای تنها چند انگستروم از هم جدا شده‌اند (بینیگ و دیگر ).
در میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) از این خاصیت ویژۀ جریان تونلی، یعنی از بستگی شدید آن به فاصلۀ بین دو الکترود، استفاده می‌شود. در واقع، کاهش فاصله‌ای به اندازۀ قطر یک اتم تغییری با ضریب هزار در جریان تونلی به وجود می‌آورد.
در STM، یک سر سوزن فلزی و سطح مورد مطالعه، الکترودها را تشکیل می‌دهند. وقتی سر سوزن که بالای سطح به فاصلۀ 10Å (یک بیلیونیوم متر) از آن قرار دارد به طور افقی حرکت کند و یا آن را بروبد، جریان تونلی مطابق فاصلۀ سر سوزن تا صفحه تغییر خواهد کرد. تغییر جریان تونلی در واقع سنجشی از توپوگرافی سطح است. در عمل، موضع قائم سر سوزن را تغییر می‌دهند تا جریان تونل ثابت بماند، بنابراین فاصلۀ سر سوزن تا سطح برای همۀ نقاط ثابت است. به این طریق با ردیابی موضع سر سوزن به هنگام روبش تصویر توپوگرافیک سطح به دست می‌آید.
تفکیک عمودی، که معیاری است از قابلیت تفکیک برجستگی‌های سطح در امتداد عمودی، با پایداری فاصله‌های سر سوزن تا نمونه معین می‌شود. با استفاده از سیستم فنر دو مرحله‌ای و معیارهای دیگر برای استهلاک ارتعاش‌ها، پژوهشگران توانسته‌اند به پایداری ‌ـ و از این‌رو تفکیک عمودی‌ ـ 0/1Å که فراتر از قدرت تفکیک هر میکروسکوپ دیگر است دست بیابند. تفکیک افقی با تیزی برجستگی‌های سطحی سر سوزن معین می‌شود. تحت شرایط بسیار خاص، برخی تکنیک‌های میکروسکوپیک می‌توانند تفکیک افقی قدری بیش‌تر فراهم سازند. از جملۀ این شرایط نمونه‌های بسیار نازک و با ساختار تناوبی است. STM نیازی به هیچ یک از این‌ها ندارد، به علاوه تفکیک عمودی و افقی بالایی ارائه می‌دهد، ولی چنین برمی‌آید که STM مکمل تکنیک‌های دیگر است و نه رقیب آن‌ها. نوع میدان گسیل STM نیز به جریان انداخته شده است، (یونگ و دیگر 1972)، اما به سبب فاصلۀ زیاد بین سر سوزن و سطح (صدها انگستروم) تفکیک‌های افقی و عمودی در این مورد تقریباً هزار بار ضعیف‌ترند.
جریان تونلی صرفاً تابع فاصلۀ الکترودها نیست و به توابع کار آن‌ها نیز بستگی دارد. این امر از STM ابزاری امیدبخش برای شیمی سطحی در مقیاس اتمی می‌سازد. (بینیگ و دیگر ).
ساختار سطحی سیلیسیوم نمونه‌ای است از مشکلی که دانشمندان را سال‌ها به خود مشغول داشته است. در عکس همراه می‌توان دید که STM تک‌تک برجستگی‌های سطحی سیلیسیوم با جدایی کم‌تر از 6Å را تفکیک کرده است؛ عکس دو یاختۀ واحد، یعنی دو خشت اساسی بلورنگاری اتم‌های سطح را نشان می‌دهد (بینیگ و دیگر 1983). درون هر یاختۀ متوازی‌الاضلاع لوزی شکل 12 برجستگی قلمبگی شکل کاملاً وجود دارند که قبلا هرگز مشاهده نشده بود. این تصویر، بنا به نظر پژوهشگران IBM اکثر الگوهای نظری ساختار پیشنهادی را رد می‌کند، اگرچه برخی جزئیات مربوط به تعبیر این قلمبگی‌ها هنوز روشن نیست.
ساختار سطح طلا نمونۀ دیگری است که STM اطلاعات با ارزشی برای آن فراهم آورده است (بینیگ و دیگر). تعدادی الگوی نظری برای توجیه نتایج تجربی گوناگون و گاهی اوقات متضاد، پیشنهاد شده است. با ارائۀ تصویر توپوگرافی سطح، STM به پژوهشگران امکان داده است، الگوی اتمی را تأیید کنند که به نظر می‌رسد تمام جلوه‌های مشاهده شده را برحسب یک مکانیسم اساسی متعارف، موسوم به تشکیل خودبه‌خود رویه‌های نواری شکل، بیان می‌کند.
توپوگرافی سطح تنها اولین و شاید ساده‌ترین کاربرد این تکنیک جدید غیرتخریبی و با قدرت تفکیک زیاد است. از کاربردهای ممکن آن در آینده عبارتند از مطالعۀ خواص الکترون سطوح؛ ساختار برآشامیده‌ها و بیومولکول‌ها؛ رشد، ساختار و خواص الکتریکی رولایه‌هایی نظیر اکسیدها؛ تصویرگیری از ساختارهای مغناطیسی؛ مطالعۀ مسائل اساسی در تونل‌زنی. مهم‌ترین نکته در تکامل این تکنیک درک تونل‌زنی در اجسام غیرقطبی کوچک است که در مورد آن قبلاً نتایج امیدبخشی به دست آمده است (باراتوف ).