Positieve of negatieve spanning: scanning tunneling microscopie

[hehoihay]

Hallo iedereen,
 
Ik heb net een vraag over quantum gemaakt (ging over een scanning tunneling microscoop). 
Ze zeggen dat ze tussen een bepaald metaaloppervlak en een naald een spanning willen aanleggen, waardoor elektronen vanuit het metaaloppervlak naar de naald zullen gaan. 
De vraag was of er dan een positieve of negatieve spanning moet worden aangelegd tussen het metaaloppervlak en de naald. Het antwoord was een positieve spanning, omdat de elektronen moeten worden afgestoten door het metaaloppervlak en moeten worden aangetrokken door de naald. 

Ik snap alleen niet wat ze met een positieve en negatieve spanning bedoelen. Als je een spanning hebt heb je toch een plus kant en een min kant? De elektronen gaan dan van min naar plus. Wat bedoelen ze hier met positieve spanning? Ik zou alleen kunnen bedenken dat het een positieve spanning is, omdat de elektronen negatief zijn en dan worden afgestoten door een positieve lading. Waar is dan alleen de plus en min kant? Ik dacht het metaal oppervlak is dan bijvoorbeeld de min kant en de naald de plus kant ofzo. 

Snapt iemand dat misschien? 

[dannypje]

Je snapt het misschien beter als je bedenkt dat positief en negatief altijd relatief tov mekaar bekeken worden, waarbij de positieve 'kant' een tekort aan electronen heeft, en de negatieve kant een teveel. Of noch. De negatieve kant zal de negatief geladen electronen afstoten, de positieve zal de electronen aantrekken. (beetje zoals magnetisch zuid en noord mekaar aantrekken, of met je lief: opposites attract

[Jan van de Velde]

 
Ik heb net een vraag over quantum gemaakt (ging over een scanning tunneling microscoop). 

 

heb je die opgave ergens letterlijk en volledig? Ik heb zo het gevoel dat plaat of naald geaard zouden kunnen zijn....

[hehoihay]

@Jan van de Velde
 
https://www.hetcvte.nl/item/voorbeeldexamenopgaven_natuurkunde
 
Ik weet niet of ik een pdf kan versturen maar dan maar even deze link. Het gaat om opgave 36.

Je snapt het misschien beter als je bedenkt dat positief en negatief altijd relatief tov mekaar bekeken worden, waarbij de positieve 'kant' een tekort aan electronen heeft, en de negatieve kant een teveel. Of noch. De negatieve kant zal de negatief geladen electronen afstoten, de positieve zal de electronen aantrekken. (beetje zoals magnetisch zuid en noord mekaar aantrekken, of met je lief: opposites attract

 
Dankjewel voor je reactie! Zoiets had ik ook in gedachten inderdaad, maar hoe kan de spanning tussen iets (in dit geval het metaaloppervlak en de naald) dan een positieve of negatieve waarde hebben. Elektronen die van de min naar de plus kant reizen hebben toch altijd een negatieve lading? 

[Jan van de Velde]

Ik heb mezelf suf zitten surfen, maar kan niet tot een andere  conclusie komen dan dat er sprake lijkt te zijn van een ernstige slordigheid in taalgebruik: Er wordt in die apparaten een spanning (op de meeste engelstalige sites "bias voltage"  genoemd) aangelegd tussen monster en naald, waardoor via tunnelling elektronen kunnen overspringen van plaat naar naald. Dat betekent dus dat de plaat verbonden moet zijn met de negatieve pool van de spanningsbron, en de naald met de positieve pool van de spanningsbron. 
 
Een spanning is nog altijd een potentiaalverschil. Een positieve spanning, zonder erbij te vermelden tussen wat en wat en in welke richting lijkt mij dan ook zinloze informatie. De naald moet positief zijn ten opzichte van de plaat. In de afbeeldingen die ik vind wordt dat bijvoorbeeld bereikt door de plaat te aarden, en tussen aarde en plaat en spanningsbron te zetten met de negatieve kant naar de plaat gericht, of ook wel door plaat en naald "achterom" elektrisch te verbinden, met in die verbinding een spanningsbron met de negatieve kant naar de plaat en de positieve kant naar de naald.
Maar ik vind ook allerlei tekeningen waar die spanningsbron omgekeerd staat, willekeur of slordigheid lijken te overheersen. En overal vind ej afbeeldingen waar dan die tunneling current versterkt wordt om piezokristallen te sturen en om informatie naar en computer te sturen, maar nergens een complete schakeling die die tunneling current ook terugstuurt naar de plaat of naar de aarde. Weird...  (want een stroomkring móet toch gesloten zijn om een stroom te laten lopen???)
 
 

stm1 1538 keer bekeken

 

stm2 1538 keer bekeken

 

stm3 1538 keer bekeken

 
een beetje een zootje eigenlijk..   .

[jkien]

De vraag wekt een beetje de indruk dat elektronen bij STM (scanning tunneling microscopie) altijd naar de naald toe moeten en niet omgekeerd, dat is misleidend. Ook de naald is van metaal, dus omgekeerd mag ook.

 

Binnen deze opgave wordt gegeven dat de elektronen naar de naald gaan, dus dan moet de naald verbonden zijn met de pluspool. De vraag of de spanning tussen naald en oppervlak positief is is inderdaad slordig taalgebruik. Beter lijkt me: is de spanning van de naald t.o.v. het oppervlak positief? Misschien wordt het nog iets duidelijker met de term potentiaalverschil in plaats van spanning, maar het begrip elektrische potentiaal is recent verwijderd uit de examenstof.

 

Het tweede deel van vraag 36 lijkt me ook niet in orde. Het antwoordmodel beweert dat de aangelegde spanning de energiebarriere die een elektron moet overwinnen om te ontsnappen uit het metaal verlaagt. Dat klopt niet, die energiebarriere (de werkfunctie van dat metaal) blijft onveranderd.

[Jan van de Velde]

De vraag wekt een beetje de indruk dat elektronen bij STM (scanning tunneling microscopie) altijd naar de naald toe moeten en niet omgekeerd, dat is misleidend. Ook de naald is van metaal, dus omgekeerd mag ook.

Niet alleen de vraag wekt die indruk, alle diverse informatie die ik in mijn nachtelijk gesurf vond wekt die indruk ook (afgezien van mogelijk slordige plaatjes). 
Dus of dát misleidend is??
 

 
Het tweede deel van vraag 36 lijkt me ook niet in orde. Het antwoordmodel beweert dat de aangelegde spanning de energiebarriere die een elektron moet overwinnen om te ontsnappen uit het metaal verlaagt. Dat klopt niet, die energiebarriere (de werkfunctie van dat metaal) blijft onveranderd.

Engelstalige literatuur heeft het steevast over een "bias voltage" en dat moet dan haast wel zijn om ervoor te zorgen dat tunneling niet -of in elk geval beduidend minder- zowel heen als ook terug optreedt lijkt me? 
 
 

Opmerking moderator

Verplaatst naar het vakforum

[jkien]

Hier wordt gezegd dat tunneling bij STM in beide richtingen mogelijk is ('vice versa'). Een behulpzame illustratie is:

 

STM 1535 keer bekeken

 

Een elektronenstroom naar rechts geeft weer hoeveel lege energietoestanden er beschikbaar zijn in de naald tussen E_fermi en E_fermi+U_bias .  Bij een omgekeerde bias voltage geeft de elektronenstroom naar links hetzelfde weer voor het object i.p.v. de naald.

 

 

Mijn reactie op het tweede deel van vraag 36 kwam voort uit dit topic van vorig jaar over de vacuumcondensator.

[hehoihay]

@jkien @Jan van de Velde
 
Super erg bedankt voor jullie reacties!! Ik snap het al wat beter! 

[physicalattraction]

Heb vier jaar lang mijn PhD onderzoek gedaan aan STM, dus weet er wel iets van. (Tot zover de authority argument...)
 
Bij STM kun je aan het oppervlak zowel een negatieve als een positieve spanning zetten. Indien de naald en het oppervlak beiden van metaal zijn, dan zal er niet veel verschil zijn in resultaat. De elektronenstroom zal natuurlijk de andere kant opgaan, maar datgene dat je daadwerkelijk meet, de hoogte waarop je je naald moet houden om een constante stroomsterkte te meten, zal niet veel afwijken.
 
Het variëren van spanning wordt pas interessant indien je bijvoorbeeld moleculen op het oppervlak zet, waarbij de elektronen in een bepaald orbitaal zitten (of kunnen zitten) waar een specifiek energieniveau bij hoort. Dit wordt altijd gemeten t.o.v. het zogenaamde Fermi niveau. Dit is de energie tot waar elektrontoestanden gevuld zijn. Als je met een STM meet met hele lage spanning, dan meet je geleiding door de elektrontoestanden rondom dit Fermi niveau. Indien je een (grote) negatieve spanning aanlegt op je oppervlak t.o.v. de naald, dan meet je de geleiding door de elektrontoestanden onder het Fermi niveau (de gevulde toestanden die leegstromen naar de naald), en wanneer je een (grote) positieve spanning aanlegt op je oppervlak t.o.v. de naald, dan meet je de geleiding door de elektrontoestanden boven het Fermi niveau (de ongevulde toestanden die aangevuld worden vanuit de naald).
 
Een andere toepassing van het gebruiken van positieve en negatieve spanningen is IETS. Hierbij meet je een toename in de geleiding indien elektronen voldoende energie hebben om een vibratie in een molecuul aan te kunnen slaan. In het Wikipedia artikel wordt dit wat verder uitgelegd. Aangezien het hier om heel kleine toenames gaat, is deze meting erg ruisgevoelig. Bij deze meting zal er echter altijd een positieve piek zijn bij positieve spanning en een negatieve piek bij negatieve spanning in de grafiek van de tweede afgeleide naar de stroom tegen de spanning. Dit is dan een aanwijzing voor het bestaan van een vibratie in het molecuul met die welbepaalde energie.
 
Op de vraag waarom het tunnelen bevorderd wordt door het aanleggen van een spanning over naald en oppervlak: elektronen kunnen alleen bewegen van een gevulde naar een ongevulde toestand. Wanneer een naald dichtbij het oppervlak wordt gezet en er is geen spanning over, dan zullen de Fermi niveaus van beide (naald en oppervlak) gelijk zijn. Dit betekent dat een elektron dat uit de naald wil tunnelen, uit een toestand onder het Fermi niveau moet komen, maar hier zijn in het oppervlak geen lege toestanden meer. Door het aanleggen van een potentiaalverschil, verschuif je het Fermi niveau van de naald en oppervlak t.o.v. elkaar, waardoor er opeens wel mogelijkheden zijn om te kunnen tunnelen van een gevulde naar een ongevulde toestand. Hoe hoger het potentiaalverschil, hoe breder de energieband waarin elektronen zitten die kunnen tunnelen. Belangrijk hierbij is dat elektronen elastisch tunnelen, dat wil zeggen: geen energie verliezen of krijgen tijdens het tunnelen.