Uvod u skenirajuću tunelsku elektronsku mikroskopiju
Uvod
Transmisioni elektronski mikroskop je veoma koristan u posmatranju celokupne strukture supstance, ali je teži u analizi površinske strukture, jer transmisioni elektronski mikroskop dobija informacije kroz visokoenergetski elektricitet kroz uzorak, reflektujući supstancu uzorka. . insajderske informacije. Iako skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) može otkriti određene površinske uslove, budući da upadni elektroni uvijek imaju određenu energiju i prodiru u uzorak, takozvana "površina" analizirana je uvijek na određenoj dubini, a brzina cijepanja je također u velikoj meri pogođeno. limit. Iako se Field Emision Electron Microscope (FEM) i Field Ion Microscope (FIM) mogu dobro koristiti za istraživanje površine, uzorak mora biti posebno pripremljen i može se postaviti samo na vrlo tanak vrh igle, a uzorak također mora biti u stanju izdržati električnih polja visokog intenziteta, tako da im ograničava obim primjene.
Skenirajući tunelski elektronski mikroskop (STM) radi na potpuno drugačijem principu, ne dobija informacije o supstanci uzorka djelovanjem na uzorak elektronskim snopom (kao što su transmisioni i skenirajući elektronski mikroskop), niti koristi visoku električno polje da bi elektroni u uzorku dobili više nego izašli. Snimanje emisione struje (kao što je emisioni elektronski mikroskop) formirano energijom rada može se koristiti za proučavanje materijala uzorka. Snima se detekcijom tunelske struje na površini uzorka, kako bi se proučavala površina uzorka.
princip
Skenirajući tunelski mikroskop je nova vrsta mikroskopskog uređaja za razlikovanje površinske morfologije čvrstih tijela detekcijom tunelske struje elektrona u atomima na površini čvrstog tijela prema principu tunelskog efekta u kvantnoj mehanici.
Zbog tunelskog efekta elektrona, elektroni u metalu nisu u potpunosti ograničeni unutar površinske granice, to jest, gustoća elektrona ne pada naglo na nulu na granici površine, već eksponencijalno opada izvan površine; dužina raspada je oko 1nm, što je mjera površinske barijere za bijeg elektrona. Ako su dva metala veoma blizu jedan drugom, njihovi elektronski oblaci se mogu preklapati; ako se između dva metala primeni mali napon, može se uočiti električna struja (nazvana tunelska struja) između njih.
Način rada
Iako su konfiguracije skenirajućih tunelskih elektronskih mikroskopa različite, svi oni uključuju sljedeća tri glavna dijela: mehanički sistem (tijelo ogledala) koji pokreće sondu da vrši trodimenzionalne pokrete u odnosu na površinu provodnog uzorka, a koristi se za kontrolirati i nadzirati sondu. Elektronski sistem za udaljenost od uzorka i sistem prikaza za pretvaranje izmjerenih podataka u slike. Ima dva režima rada: režim konstantne struje i konstantan visoki režim.
Način rada s konstantnom strujom
Tunelska struja se kontroliše i održava konstantnom pomoću elektronskog kola povratne sprege. Zatim kompjuterski sistem kontroliše vrh igle da skenira na površini uzorka, odnosno da se vrh igle pomera dvodimenzionalno duž x i y pravca. Budući da se tunelska struja mora kontrolirati da bude konstantna, lokalna visina između vrha igle i površine uzorka će također ostati konstantna, tako da će vrh igle vršiti iste uspone i padove s usponima i padovima površine uzorka, i informacije o visini će se odražavati u skladu s tim. izađi. Odnosno, skenirajući tunelski elektronski mikroskop dobija trodimenzionalne informacije o površini uzorka. Ova metoda rada dobija sveobuhvatne informacije o slici, visokokvalitetne mikroskopske slike i široko se koristi.
Način rada s konstantnom visinom
Održavajte konstantnu apsolutnu visinu vrha igle tokom procesa skeniranja uzorka; tada će se promijeniti lokalna udaljenost između vrha igle i površine uzorka, a u skladu s tim će se promijeniti i veličina tunelske struje I; promjenu tunelske struje I kompjuter bilježi i pretvara u Signal slike se prikazuje, odnosno dobija se mikrofotografija skenirajućeg tunelskog elektronskog mikroskopa. Ovaj način rada je prikladan samo za uzorke sa relativno ravnim površinama i pojedinačnim komponentama.
aplikacija
Princip tunelskog mikroskopa je da pametno koristi efekat fizičkog tuneliranja i tunelske struje. Postoji veliki broj "slobodnih" elektrona u metalnom tijelu, a distribucija energije ovih "slobodnih" elektrona u metalnom tijelu je koncentrisana blizu Fermijevog nivoa, a postoji potencijalna barijera sa energijom višom od Fermijevog nivoa na metalna granica. Stoga, iz perspektive klasične fizike, "slobodni" elektroni u metalu, samo oni elektroni čija je energija viša od granične barijere, mogu pobjeći iz unutrašnjosti metala prema van. Međutim, prema principima kvantne mehanike, slobodni elektroni u metalima imaju i valna svojstva, a kada se ovaj elektronski val širi do granice metala i naiđe na površinsku barijeru, dio će se prenijeti. Odnosno, neki elektroni sa energijom nižom od površinske potencijalne barijere mogu prodrijeti kroz potencijalnu barijeru površine metala i formirati "elektronski oblak" na površini metala. Ovaj efekat se naziva tuneliranje. Dakle, kada su dva metala u neposrednoj blizini (manje od nekoliko nanometara), elektronski oblaci dva metala će prodrijeti jedan u drugi. Kada se primeni odgovarajući napon, čak i ako dva metala nisu stvarno u kontaktu, struja će teći od jednog metala do drugog. Ova struja se zove tunelska struja.
Tunelska struja i tunelski otpor vrlo su osjetljivi na promjene u tunelskom procjepu. Čak i promjena od 0.01nm u tunelskom razmaku može uzrokovati značajne promjene u tunelskoj struji.
Ako se vrlo oštra sonda (kao što je volframova igla) koristi za skeniranje paralelno s površinom u x i y smjerovima na visini od nekoliko desetina nanometara udaljenoj od glatke površine uzorka, budući da svaki atom ima određenu veličinu, Srednji tunelski jaz će varirati sa x i y, a struja tunela koja teče kroz sondu će takođe biti različita. Čak i varijacije visine od nekoliko stotinki nanometra mogu se odraziti na tunelske struje. Rekorder sinhronizovan sa sondom za skeniranje koristi se za snimanje promena tunelske struje, a može se dobiti slika skenirajućeg tunelskog elektronskog mikroskopa rezolucije nekoliko stotinki nanometara.
