Il microscopio a tunnel a scansione (STM) è ampiamente utilizzato nella ricerca industriale e fondamentale per ottenere immagini su scala atomica di superfici metalliche. Fornisce un profilo tridimensionale della superficie che è molto utile per caratterizzare la rugosità superficiale, osservare i difetti superficiali e determinare la dimensione e la conformazione delle molecole e degli aggregati sulla superficie. Esempi di ricerca avanzata utilizzando la STM sono forniti da studi in corso nel gruppo Electron Physics al NIST e presso i laboratori IBM. Diversi altri microscopi a scansione sviluppati di recente utilizzano anche la tecnologia di scansione sviluppata per l’STM.
La nube di elettroni associata ad atomi di metallo su una superficie si estende a una distanza molto piccola sopra la superficie. Quando una punta molto affilata-in pratica, un ago che è stato trattato in modo tale che un singolo atomo proietta dalla sua estremità-viene portato sufficientemente vicino a tale superficie, c’è una forte interazione tra la nube di elettroni sulla superficie e quella dell’atomo di punta, e una corrente di tunneling elettrico scorre quando viene applicata una piccola tensione. A una separazione di alcuni diametri atomici, la corrente di tunneling aumenta rapidamente quando la distanza tra la punta e la superficie diminuisce. Questo rapido cambiamento della corrente di tunneling con la distanza si traduce in risoluzione atomica se la punta viene scansionata sulla superficie per produrre un’immagine.
Russell D. Young, del National Bureau of Standards, è stato il primo a combinare il rilevamento di questa corrente di tunneling con un dispositivo di scansione al fine di ottenere informazioni sulla natura delle superfici metalliche. Lo strumento che sviluppò tra il 1965 e il 1971, il Topografiner, alterò la separazione tra la punta e la superficie (z) in modo che, a tensione costante, la corrente di tunneling (o, a corrente costante, la tensione di tunneling) rimanesse costante mentre la punta veniva scansionata sulla superficie. Sono state registrate le coordinate x, y e z della punta. (Per i dettagli sulla progettazione e il funzionamento del Topografiner, vedere i riferimenti riportati nella Bibliografia.) Lo stesso principio è stato successivamente utilizzato nel microscopio a effetto tunnel a scansione. La barriera rimanente allo sviluppo di tale strumento era la necessità di un isolamento dalle vibrazioni più adeguato, al fine di consentire un posizionamento stabile della punta sopra la superficie. Questo difficile problema nella progettazione meccanica è stato superato attraverso il lavoro di Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, IBM Research Laboratory, Zurigo, Svizzera, che nel 1986 hanno condiviso il premio Nobel per la Fisica per la loro scoperta della risoluzione atomica nella microscopia a tunnel di scansione. Nel loro annuncio del premio, la Royal Swedish Academy of Sciences ha riconosciuto gli studi pionieristici di Russell Young.
Bibliografia
R. D. Young, Rev. Sci. Instrum. 37, 275 (1966). R. D. Giovane, Fisica Oggi 24, 42 (Novembre. 1971). E ‘ stato il primo ad avere un ruolo di primo piano. Rev. Lett. 27, 922 (1971). R. Young, J. Ward, e F. Scire, Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972).