Въведение в сканиращата тунелна електронна микроскопия
Въведение
Трансмисионният електронен микроскоп е много полезен при наблюдение на цялостната структура на веществото, но е по-труден при анализа на повърхностната структура, тъй като трансмисионният електронен микроскоп получава информация чрез високоенергийното електричество през пробата, отразявайки веществото на пробата . вътрешна информация. Въпреки че сканиращата електронна микроскопия (SEM) може да разкрие определени състояния на повърхността, тъй като падащите електрони винаги имат определена енергия и ще проникнат в пробата, анализираната така наречена „повърхност“ винаги е на определена дълбочина и скоростта на разделяне също е силно засегнати. лимит. Въпреки че полевият емисионен електронен микроскоп (FEM) и полевият йонен микроскоп (FIM) могат да се използват добре за изследване на повърхността, пробата трябва да бъде специално подготвена и може да бъде поставена само върху много тънък връх на иглата, като пробата трябва също да може да издържи електрически полета с висок интензитет, така че ограничава обхвата му на приложение.
Сканиращият тунелен електронен микроскоп (STM) работи на напълно различен принцип, той не получава информация за веществото на пробата чрез въздействие върху пробата с електронен лъч (като трансмисионни и сканиращи електронни микроскопи), нито използва висока електрическо поле, което да накара електроните в пробата да придобият повече, отколкото да излязат Изобразяването на емисионен ток (като полево-емисионен електронен микроскоп), образувано от енергията на работа, може да се използва за изследване на материала на пробата. Изобразява се чрез откриване на тунелен ток на повърхността на пробата, така че да се изследва повърхността на пробата.
принцип
Сканиращият тунелен микроскоп е нов тип микроскопично устройство за разграничаване на повърхностната морфология на твърдите тела чрез откриване на тунелния ток на електрони в атоми върху твърдата повърхност според принципа на тунелния ефект в квантовата механика.
Поради тунелния ефект на електроните, електроните в метала не са напълно ограничени в рамките на повърхностната граница, т.е. плътността на електроните не пада изведнъж до нула на повърхностната граница, а се разпада експоненциално извън повърхността; дължината на разпада е около 1 nm, което е мярка за повърхностната бариера за излизане на електрони. Ако два метала са много близо един до друг, техните електронни облаци може да се припокриват; ако се приложи малко напрежение между двата метала, между тях може да се наблюдава електрически ток (наречен тунелен ток).
Начин на работа
Въпреки че конфигурациите на сканиращите тунелни електронни микроскопи са различни, всички те включват следните три основни части: механична система (огледално тяло), която задвижва сондата да прави триизмерни движения спрямо повърхността на проводимата проба и се използва за контролирайте и наблюдавайте сондата. Електронната система за разстояние от пробата и дисплейната система за преобразуване на измерените данни в изображения. Има два режима на работа: режим на постоянен ток и режим на постоянен висок ток.
Режим на постоянен ток
Токът на тунелиране се контролира и поддържа постоянен от електронна верига за обратна връзка. След това компютърната система контролира върха на иглата, за да сканира върху повърхността на пробата, т.е. да накара върха на иглата да се движи двуизмерно по посоките x и y. Тъй като тунелният ток трябва да се контролира, за да бъде постоянен, локалната височина между върха на иглата и повърхността на пробата също ще остане постоянна, така че върхът на иглата ще извършва същите повдигания и спускания с повдиганията и спусканията на повърхността на пробата, и информацията за височината ще бъде съответно отразена. излез. С други думи, сканиращият тунелен електронен микроскоп получава триизмерната информация за повърхността на пробата. Този работен метод получава изчерпателна информация за изображенията, висококачествени микроскопични изображения и се използва широко.
Режим на постоянна височина
Поддържайте постоянна абсолютната височина на върха на иглата по време на процеса на сканиране на пробата; тогава локалното разстояние между върха на иглата и повърхността на пробата ще се промени и размерът на тунелния ток I също ще се промени съответно; промяната на тунелния ток I се записва от компютъра и се преобразува в Сигналът на изображението се показва, т.е. получава се микроснимка от сканиращ тунелен електронен микроскоп. Този начин на работа е подходящ само за проби с относително плоски повърхности и единични компоненти.
приложение
Принципът на тунелния микроскоп е да използва умело физическия тунелен ефект и тунелния ток. Има голям брой "свободни" електрони в металното тяло и разпределението на енергията на тези "свободни" електрони в металното тяло е концентрирано близо до нивото на Ферми и има потенциална бариера с енергия, по-висока от нивото на Ферми на металната граница. Следователно, от гледна точка на класическата физика, „свободните“ електрони в метал, само онези електрони, чиято енергия е по-висока от граничната бариера, могат да излязат от вътрешността на метала навън. Въпреки това, според принципите на квантовата механика, свободните електрони в металите също имат вълнови свойства и когато тази електронна вълна се разпространи до металната граница и срещне повърхностна бариера, част от нея ще бъде предадена. С други думи, някои електрони с енергия, по-ниска от повърхностната потенциална бариера, могат да проникнат през потенциалната бариера на металната повърхност и да образуват "електронен облак" върху металната повърхност. Този ефект се нарича тунелиране. Така че, когато два метала са в непосредствена близост (по-малко от няколко нанометра), електронните облаци на двата метала ще проникнат един в друг. Когато се приложи подходящо напрежение, дори ако двата метала не са в действителен контакт, ток ще тече от един метал към друг. Този ток се нарича тунелен ток.
Токът на тунела и съпротивлението на тунела са много чувствителни към промените в пролуката на тунела. Дори промяна от 0.01nm в процепа на тунела може да причини значителни промени в тока на тунела.
Ако се използва много остра сонда (като волфрамова игла) за сканиране успоредно на повърхността в посоките x и y на височина от няколко десети от нанометра от гладката повърхност на пробата, тъй като всеки атом има определен размер, междината на средния тунел ще варира в зависимост от x и y и токът на тунела, протичащ през сондата, също ще бъде различен. Дори вариации във височината от няколко стотни от нанометъра могат да бъдат отразени в тунелни токове. Записващо устройство, синхронизирано със сканиращата сонда, се използва за записване на промените в тунелния ток и може да се получи изображение от сканиращ тунелен електронен микроскоп с разделителна способност от няколко стотни от нанометра.
