Застосування скануючої тунельної електронної мікроскопії
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.
