走査トンネル顕微鏡とは何ですか？

走査型トンネル顕微鏡（STM）は、従来の光学顕微鏡のような反射光を使用する代わりに、サンプルとプローブチップ間の量子トンネルを使用して表面をイメージングする革新的なタイプの顕微鏡です。 STMによって達成される解像度は、0.1 nmの横方向解像度と0.01 nmの深さ解像度に達することがあります。 これは、最高の電子顕微鏡を使用して達成可能な解像度の数倍です。

STMはさまざまな環境で機能します。超高真空の他に、水、空気などが飽和した環境でも機能します。これにより、顕微鏡は非常に柔軟になります。 ただし、表面は非常にきれいでなければならず、STMチップは非常に鋭利である必要があり、画像化において実際的な課題が生じます。 STMは、1981年にGerd BinnigとHeinrich Rohrerによって開発されました。1986年に、彼らはSTMに関する研究でノーベル物理学賞を受賞しました。

STMチップは非常に鋭利であるため、単一の原子のみで構成されています。 先端が「鈍い」場合で、1つではなく2つの原子で構成されていると、画像がぼやけます。 十分に鋭いチップを作成するという課題により、研究者は、カーボンナノチューブが非常に硬く、製造が容易であるため、STMチップとしての使用を検討することになりました。 先端は「スタイラス」と呼ばれることもあり、プラチナとイリジウムの組み合わせは、最も広く使用されている先端材料です。

他の多くの顕微鏡と同様に、有用なSTMを作成するには高度な振動減衰が必要になることがよくあります。 初期のシステムでは、磁気浮上方式が使用されていましたが、今日ではスプリングベースのシステムが最も一般的です。 STMが一般に知られるようになった直後、高校生は約100米ドル（USD）の材料を使用して粗雑なものを作成することができました。 オシロスコープがイメージング画面として使用されました。

STMの先端は、「ピエゾ」または圧電結晶によってガイドされます。圧電結晶は、電場に応じて小さくても非常に予測可能な方法で曲がります。 STMでは、先端の動きは完全にコンピューター制御されます。