Введення в скануючу тунельну електронну мікроскопію
вступ
Просвічуючий електронний мікроскоп дуже корисний для спостереження за загальною структурою речовини, але це складніше в аналізі структури поверхні, оскільки просвічуючий електронний мікроскоп отримує інформацію через електрику високої енергії через зразок, відбиваючи речовину зразка. . внутрішня інформація. Хоча скануюча електронна мікроскопія (SEM) може виявити певні стани поверхні, оскільки падаючі електрони завжди мають певну енергію і проникають у зразок, аналізована так звана «поверхня» завжди знаходиться на певній глибині, і швидкість розщеплення також є сильно постраждали. обмеження. Хоча польовий емісійний електронний мікроскоп (FEM) і польовий іонний мікроскоп (FIM) можна добре використовувати для дослідження поверхні, зразок повинен бути спеціально підготовлений і може бути розміщений лише на дуже тонкому кінчику голки, і зразок також повинен бути здатний витримувати електричні поля високої інтенсивності, так що це обмежує сферу його застосування.
Скануючий тунельний електронний мікроскоп (СТМ) працює за зовсім іншим принципом, він не отримує інформацію про речовину зразка, впливаючи на зразок електронним променем (наприклад, трансмісійний і скануючий електронні мікроскопи), а також не використовує високу електричне поле, щоб змусити електрони у зразку отримати більше, ніж вийти. Зображення емісійного струму (наприклад, польовий емісійний електронний мікроскоп), утворене енергією роботи, можна використовувати для дослідження матеріалу зразка. Він отримує зображення шляхом виявлення тунельного струму на поверхні зразка, щоб досліджувати поверхню зразка.
принцип
Скануючий тунельний мікроскоп — це новий тип мікроскопічного пристрою для визначення морфології поверхні твердих тіл шляхом виявлення тунельного струму електронів в атомах на твердій поверхні відповідно до принципу тунельного ефекту в квантовій механіці.
Завдяки тунельному ефекту електронів електрони в металі не повністю обмежені межею поверхні, тобто густина електронів не раптово падає до нуля на межі поверхні, а експоненціально спадає за межами поверхні; довжина розпаду становить близько 1 нм, що є мірою поверхневого бар'єру для виходу електронів. Якщо два метали знаходяться дуже близько один до одного, їхні електронні хмари можуть перекриватися; якщо між двома металами прикладається невелика напруга, між ними може спостерігатися електричний струм (званий тунельним струмом).
Спосіб роботи
Хоча конфігурації скануючих тунельних електронних мікроскопів відрізняються, усі вони включають наступні три основні частини: механічну систему (корпус дзеркала), яка змушує зонд здійснювати тривимірні рухи відносно поверхні провідного зразка та використовується для контроль і моніторинг зонда. Електронна система вимірювання відстані від зразка та система відображення для перетворення виміряних даних у зображення. Він має два режими роботи: режим постійного струму та режим постійного високого рівня.
Режим постійного струму
Тунельний струм контролюється і підтримується постійним за допомогою електронної схеми зворотного зв'язку. Потім комп’ютерна система керує кінчиком голки для сканування поверхні зразка, тобто змушує кінчик голки рухатися у двох вимірах уздовж напрямків x і y. Оскільки тунельний струм потрібно контролювати, щоб він був постійним, локальна висота між кінчиком голки та поверхнею зразка також залишатиметься постійною, тому кінчик голки виконуватиме ті самі підйоми та падіння, що й підйоми та опускання поверхні зразка, і інформація про висоту буде відображена відповідно. вийти. Тобто скануючий тунельний електронний мікроскоп отримує тривимірну інформацію про поверхню зразка. Цей метод роботи дає повну інформацію про зображення, високоякісні мікроскопічні зображення та широко використовується.
Режим постійної висоти
Підтримуйте постійну абсолютну висоту кінчика голки під час процесу сканування зразка; тоді локальна відстань між кінчиком голки та поверхнею зразка зміниться, відповідно зміниться і величина тунельного струму I; зміна тунельного струму I реєструється комп'ютером і перетворюється в Сигнал зображення відображається, тобто отримується мікрофотографія скануючого тунельного електронного мікроскопа. Цей спосіб роботи підходить лише для зразків із відносно плоскими поверхнями та окремими компонентами.
додаток
Принцип тунельного мікроскопа полягає в розумному використанні фізичного тунельного ефекту та тунельного струму. У металевому тілі є велика кількість «вільних» електронів, і розподіл енергії цих «вільних» електронів у металевому тілі зосереджений поблизу рівня Фермі, а на металева межа. Тому, з точки зору класичної фізики, «вільні» електрони в металі, тільки ті електрони, енергія яких вища за граничний бар’єр, можуть вийти зсередини металу назовні. Однак, згідно з принципами квантової механіки, вільні електрони в металах також мають хвильові властивості, і коли ця електронна хвиля поширюється до межі металу та стикається з поверхневим бар’єром, частина її буде передана. Тобто деякі електрони з енергією, нижчою за поверхневий потенційний бар’єр, можуть проникати через потенційний бар’єр поверхні металу й утворювати «електронну хмару» на поверхні металу. Цей ефект називається тунелюванням. Отже, коли два метали знаходяться в безпосередній близькості (менше кількох нанометрів), електронні хмари двох металів будуть проникати одна в одну. Коли прикладається відповідна напруга, навіть якщо два метали насправді не контактують, струм буде текти від одного металу до іншого. Цей струм називається тунельним.
Тунельний струм і тунельний опір дуже чутливі до змін тунельного зазору. Навіть зміна 0.01nm у тунельному зазорі може спричинити значні зміни в тунельному струмі.
Якщо дуже гострий зонд (наприклад, вольфрамова голка) використовується для сканування паралельно поверхні в напрямках x і y на висоті кількох десятих нанометрів від гладкої поверхні зразка, оскільки кожен атом має певний розмір, Середній тунельний зазор змінюватиметься залежно від x і y, і тунельний струм, що протікає через зонд, також буде різним. Навіть коливання висоти на кілька сотих нанометра можуть відображатися на тунельних струмах. Записуючий пристрій, синхронізований зі скануючим зондом, використовується для реєстрації змін тунельного струму, і можна отримати зображення скануючого тунельного електронного мікроскопа з роздільною здатністю в кілька сотих нанометрів.
